基于lcd液晶面板的可編程孔徑顯微鏡系統(tǒng)的光場成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)，特別是一種基于LCD液晶面板的可編程孔徑顯微 鏡系統(tǒng)及其光場成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡每次只能觀察三維樣品的一個(gè)二維切面圖像。通過移動(dòng)載物臺(tái)， 可以觀察樣品不同深度的信息。然而，這種機(jī)械對焦系統(tǒng)往往需要人為操作，耗時(shí)復(fù)雜。對 于許多動(dòng)態(tài)物體或快速變化的場景，獲得其所有深度上的圖像信息往往難以實(shí)現(xiàn)（姜志 國，薛斌黨，周孝寬.基于光學(xué)顯微鏡的三維成像技術(shù)[J].紅外與激光工程，2006, 35)。
[0003] 光場成像是近年來新興的一種計(jì)算成像方式。光場是表示光輻射分布的函數(shù)，反 映了光波動(dòng)強(qiáng)度與光波分布位置和傳播方向之間的映射關(guān)系。光場成像通過記錄光輻射在 傳播過程中的四維位置和方向的信息，相比只記錄二維的傳統(tǒng)成像方式多出2個(gè)自由度， 因而在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。采用光場成像的顯微鏡被稱為光 場顯微鏡，其需要在顯微鏡成像系統(tǒng)的一次像面處插入一個(gè)微透鏡陣列，每個(gè)微透鏡記錄 的光線對應(yīng)相同位置不同視角的場景圖像，從而得到一個(gè)四維光場。額外微透鏡陣列的引 入增加了系統(tǒng)的成本。此外，傳統(tǒng)的光場顯微鏡多出的二維角度信息是以犧牲一定的空間 分辨率為代價(jià)的，二者之間存在一個(gè)折衷。現(xiàn)有光場顯微鏡普遍存在圖像空間分辨率不能 滿足需求的問題，如果加大圖像空間分辨率的同時(shí)，兼顧軸向分辨率，則會(huì)對光電探測器件 提出更高要求。這是當(dāng)前制約光場成像技術(shù)的一個(gè)瓶頸，如何解決二者之間的矛盾，是光場 成像中的一個(gè)關(guān)鍵問題（聶云峰，相里斌，周志良.光場成像技術(shù)進(jìn)展[J].中國科學(xué)院 大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28(5) :563-572.)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于LCD液晶面板的可編程孔徑顯微鏡系統(tǒng)的光場 成像方法，實(shí)現(xiàn)全分辨率光場圖像的采集和"數(shù)字聚焦"，避免了傳統(tǒng)顯微鏡中需要頻繁收 到切換載物臺(tái)距離以實(shí)現(xiàn)對焦的復(fù)雜操作。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于LCD液晶面板的可編程孔徑顯微鏡 系統(tǒng)的光場成像方法，通過顯微成像系統(tǒng)和LCD液晶面板的4f系統(tǒng)采集圖像，然后進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理，步驟如下：
[0006] 步驟一：光場子圖像采集，順次點(diǎn)亮LED陣列中每個(gè)像素點(diǎn)或順次使LCD液晶面板 中的每個(gè)像素點(diǎn)透光，相機(jī)采集相對應(yīng)的圖像，設(shè)LCD液晶面板中共包含M個(gè)像素，那么共 計(jì)拍攝M幅圖像，將這些圖像記作I ni (X，y)，m = 1，2,. . . .，M，稱之為光場子圖像，其中（X，y) 代表圖像平面的二維坐標(biāo)；對于每幅光場子圖像，其都對應(yīng)了一個(gè)光場視角（ΘΜ，0 yn)，m 代表光場視角對應(yīng)像素的個(gè)數(shù)；
[0007] 步驟二：確定所需要計(jì)算的焦距，即成像深度z，將步驟一中采集得到的M幅光場 子圖像按規(guī)則循環(huán)平移；
[0008] 步驟三：將步驟二所得到的平移后的光場子圖像/,:,(Λ·,.ν) , m = 1，2, . . . .，M按像素 對應(yīng)相加，即得到了焦距（成像深度）在z處的重構(gòu)圖像 Q-
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)可實(shí)現(xiàn)全分辨率光場成像，不存在傳統(tǒng) 光場成像中空間分辨率與角分辨率的矛盾問題。（2)可靈活實(shí)現(xiàn)先拍照，后聚焦，可以不移 動(dòng)樣品的載物臺(tái)，直接通過計(jì)算的方式獲得不同深度樣品圖像，即利用LCD液晶面板實(shí)現(xiàn) 空間光調(diào)制器的功能，從而實(shí)現(xiàn)顯微鏡系統(tǒng)孔徑平面光強(qiáng)分布的靈活可控。通過使LCD液 晶面板中的每個(gè)像素點(diǎn)透光，相機(jī)采集相對應(yīng)的圖像，采集光場子圖像。然后確定所需要計(jì) 算的焦距（成像深度），將光場子圖像循環(huán)平移后疊加，即得到了所對應(yīng)成像深度處的重構(gòu) 圖像。（3)運(yùn)算簡單，易于實(shí)時(shí)執(zhí)行。由于這三大優(yōu)點(diǎn)，該顯微成像方法可望在植物學(xué)、動(dòng)物 學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、半導(dǎo)體、材料科學(xué)、納米技術(shù)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng) 用。
[0010] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明基于IXD液晶面板的可編程孔徑顯微鏡系統(tǒng)原理圖。
[0012] 圖2是IXD液晶面板中每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)系不意圖。
[0013] 圖3是基于IXD液晶面板可編程孔徑顯微鏡采集到的100幅光場子圖像。
[0014] 圖4是采用本發(fā)明方法的對蒼蠅口器標(biāo)本進(jìn)行光場重聚焦的重構(gòu)圖像，聚焦深度 z = -32 μ m〇
[0015] 圖5是直接移動(dòng)載物臺(tái)對蒼蠅口器標(biāo)本進(jìn)行拍攝的圖像，聚焦深度z = -32 μπι。
[0016] 圖6是采用本發(fā)明方法的對蒼蠅口器標(biāo)本進(jìn)行光場重聚焦的重構(gòu)圖像，聚焦深度 ζ = 63 μ m〇
[0017] 圖7是直接移動(dòng)載物臺(tái)對蒼蠅口器標(biāo)本進(jìn)行拍攝的圖像，聚焦深度ζ = 63 μπι。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 結(jié)合圖1，本發(fā)明基于LCD液晶面板的可編程孔徑顯微鏡系統(tǒng)其基于兩部分構(gòu)成， 一部分為顯微成像系統(tǒng)1，另一部分是一個(gè)包含IXD液晶面板的4f系統(tǒng)2,這兩部分在圖1 中分別由虛線框標(biāo)出。所述的顯微成像系統(tǒng)1可直接采用現(xiàn)有的顯微鏡系統(tǒng)，也可以自行 構(gòu)建，其主要包括集光鏡3、聚光鏡孔徑光闌4、聚光鏡5、待測樣品6、顯微物鏡7、反射鏡8、 與鏡筒透鏡9。其中集光鏡3將照明光匯聚到聚光鏡孔徑光闌4,聚光鏡孔徑光闌大小可調(diào)， 控制照明的通光孔徑，通光聚光鏡孔徑光闌4發(fā)散后又被聚光鏡5收集后照射樣品，透射過 樣品的光被顯微物鏡7收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡9放大后成像在顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面 10。
[0019] 所述的包含IXD液晶面板的4f系統(tǒng)2是系統(tǒng)的核心部分，包括第一透鏡L1IU 第二透鏡L213、LCD液晶面板12以及單色CCD相機(jī)14(采用The Imaging Source DMK 41AU02, 1280X960,4. 65 μπι pixel size, 15fps)。第一透鏡 L1IU第二透鏡1^13 的焦距 f =A= f2。第一透鏡L1Il和第二透鏡L213構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4f成像系統(tǒng)，即：第一透鏡L 1Il 到顯微鏡圖像平面10的端口的距離為Π ，第二透鏡L211到C⑶相機(jī)14成像平面的端口的 距離為f2,兩透鏡之間的距離是fl+f2。IXD液晶面板12放置于4f系統(tǒng)的傅里葉平面，即 第一透鏡L 111和第二透鏡L213之間，距離第一透鏡L111的距離為f 1，距離第二透鏡L213的 距離為f2。
[0020] 以具體例子予以說明，第一透鏡L1IU第二透鏡1^13的焦距f = f\= f2= 150mm。 則第一透鏡L1Il和第二透鏡L213構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4f成像系統(tǒng)，即：第一透鏡L 1Il到顯微 鏡圖像平面10的端口的距離為Π = 150mm，第二透鏡L211到C⑶相機(jī)14成像平面的端口 的距離為f2 = 150mm，兩透鏡之間的距離是fl+f2 = 300mm。IXD液晶面板12放置于4f系 統(tǒng)的傅里葉平面，即第一透鏡L1Il和第二透鏡L213之間，距離第一透鏡L 1Il的距離為Π =150mm，距離第二透鏡L213的距離為f2 = 150mm。1^和L2的焦距可以是相同的，但是實(shí) 際上它們可以選用不同的焦距，這里為了方便起見以f = A= f2= 150mm說明。
[0021] LCD液晶面板12是作為一種透射型空間光調(diào)制器來使用的，其可以是基于TN型的 灰度液晶面板。面板尺寸，像素分辨率與