本發(fā)明涉及計算攝像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于FPM的寬視場顯微成像方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于物鏡能夠傳輸?shù)男畔⒘坑邢?，其SBP(space-bandwidth product，空間帶寬積)將受到限制，而SBP為視場大小與空間分辨率的平方的乘積，因而寬視場和高分辨無法兼顧。

FPM(Fourier Ptychographic Microscopy，頻域疊層拼接顯微)技術(shù)利用學(xué)科交叉方面的知識，將信息技術(shù)的知識應(yīng)用到了傳統(tǒng)的顯微技術(shù)中，突破了空間帶寬積的局限。其具體方法為：利用透鏡在傅里葉域為一個低通濾波器的性質(zhì)，不同角度的光照入射獲得的圖片對應(yīng)于樣本在傅里葉域不同位置的信息，將一系列低分辨率的圖片做傅里葉變換后映射到對應(yīng)的不同位置，合成一張高分辨率的頻譜圖。最終的頻譜圖不僅包含高分辨率的樣本強度信息，同時包含著樣本的相位信息。因此，F(xiàn)PM是一種寬視場、高分辨率并且能夠?qū)ο辔贿M行成像的顯微技術(shù)。

由于FPM技術(shù)的出色性能，以及比較低的硬件成本，迅速引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。目前，F(xiàn)PM技術(shù)最大的局限在于其數(shù)據(jù)采集所耗時間過長。為了使得SBP有著顯著的提升，一般至少需要使用15乘15的LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)陣列來實現(xiàn)。在此條件下，使用傳統(tǒng)的采集技術(shù)一般需要3分鐘左右，這對于觀察細(xì)胞的動態(tài)行為非常不利。

相關(guān)技術(shù)中，改進FPM的采集時間主要采用兩類策略：一類通過對樣本的預(yù)先估計，獲得其頻譜不同位置的重要性信息，對于包含重要信息的角度進行定向曝光，對于不重要的位置少曝光或者不曝光，從而減小總的曝光次數(shù)，提升采集速率，但是其主要問題在于需要對于樣本的預(yù)先估計，不但會增加采集過程中的計算量，甚至可能無法連續(xù)采集，并且每次各個LED曝光順序不同，也會增加硬件控制的難度；另一類方法是基于不同位置的LED進行編碼，將在頻域上覆蓋不同位置的LED編碼為一組，同時曝光，雖然可以減小單個LED曝光時間的同時，并且也減小了曝光的總次數(shù)，但是其最大的問題在于魯棒性的不足，首先不能保證對于所有的樣本按照給出的編碼方式進行恢復(fù)，其次是該方法對于系統(tǒng)參數(shù)過于敏感，系統(tǒng)參數(shù)的變化將會對編碼方式以及成像效果有著非常大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于FPM的寬視場顯微成像方法，該方法可以減小曝光次數(shù)，并且提高成像效率。

本發(fā)明的另一個目的在于提出一種基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)。

為達到上述目的，本發(fā)明一方面實施例提出了一種基于FPM的寬視場顯微成像方法，包括以下步驟：在LED面板上將多個LED排布為多個同心圓；獲取所述多個同心圓中每個同心圓的半徑，并確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)；獲取所述每一層上的LED的排布角度；通過迭代得到最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)；將所述最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)作為光源，通過FPM系統(tǒng)得到成像結(jié)果。

本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像方法，通過分析頻譜的復(fù)用特征引入圓形的LED陣列，從而能夠在有限的LED個數(shù)條件下，保證相鄰光照重復(fù)度的同時，覆蓋更大的頻譜面積，從而更加有效率地利用頻譜，減小LED曝光個數(shù)，最終減小整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，提高成像效率，簡單易實現(xiàn)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于FPM的寬視場顯微成像方法還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述獲取所述多個同心圓中每個同心圓的半徑，進一步包括：根據(jù)最佳頻譜重復(fù)程度確定最里層同心圓的半徑；根據(jù)所述最里層同心圓的半徑得到所述每個同心圓的半徑。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)，進一步包括：根據(jù)所述LED面板的面積確定排布層數(shù)；根據(jù)所述多個LED中各個LED之間的硬件避讓距離確定每一層的LED個數(shù)。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述獲取所述每一層上的LED的排布角度，進一步包括：根據(jù)通過貪婪算法確定所述每一層上的LED與里層的LED的頻譜重復(fù)程度，以使得所述頻譜重復(fù)程度最大得到所述每一層上的LED的排布角度。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述多個同心圓中每個同心圓上各個LED均勻分布。

為達到上述目的，本發(fā)明另一方面實施例提出了一種基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)，包括：排布模塊，用于在LED面板上將多個LED排布為多個同心圓；第一獲取模塊，用于獲取所述多個同心圓中每個同心圓的半徑，并確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)；第二獲取模塊，用于獲取所述每一層上的LED的排布角度；設(shè)置模塊，用于通過迭代得到最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)；成像模塊，用于將所述最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)作為光源，通過FPM系統(tǒng)得到成像結(jié)果。

本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)，通過分析頻譜的復(fù)用特征引入圓形的LED陣列，從而能夠在有限的LED個數(shù)條件下，保證相鄰光照重復(fù)度的同時，覆蓋更大的頻譜面積，從而更加有效率地利用頻譜，減小LED曝光個數(shù)，最終減小整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，提高成像效率，簡單易實現(xiàn)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一獲取模塊還用于根據(jù)最佳頻譜重復(fù)程度確定最里層同心圓的半徑，并且根據(jù)所述最里層同心圓的半徑得到所述每個同心圓的半徑。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一獲取模塊還用于根據(jù)所述LED面板的面積確定排布層數(shù)，并且根據(jù)所述多個LED中各個LED之間的硬件避讓距離確定每一層的LED個數(shù)。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，第二獲取模塊具體用于根據(jù)通過貪婪算法確定所述每一層上的LED與里層的LED的頻譜重復(fù)程度，以使得所述頻譜重復(fù)程度最大得到所述每一層上的LED的排布角度。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述多個同心圓中每個同心圓上各個LED均勻分布。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的LED面板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的仿真復(fù)原的效果示意圖；以及

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例提出的基于FPM的寬視場顯微成像方法及系統(tǒng)，首先將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例提出的基于FPM的寬視場顯微成像方法。

圖1是本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像方法的流程圖。

如圖1所示，該基于FPM的寬視場顯微成像方法包括以下步驟：

在步驟S101中，在LED面板上將多個LED排布為多個同心圓。

也就是說，首先確定系統(tǒng)的工作具體、LED面板的幾何尺寸。其中，在本發(fā)明的實施例中，改變了傳統(tǒng)LED面板的矩陣式結(jié)構(gòu)，用圓形的結(jié)構(gòu)所取代，并且對其具體分布進行優(yōu)化。

可以理解的是，如圖2所示，將LED面板改成了圓形結(jié)構(gòu)，相比于原有的矩陣型結(jié)構(gòu)，其可以在有限的LED個數(shù)時，保證相鄰曝光重復(fù)度足夠的條件下獲得更大的頻譜覆蓋面積，從而減小曝光次數(shù)。這種方法將不需要對于樣本的預(yù)知信息，可以使用一套不變的曝光策略。此外，由于質(zhì)量良好的FPM重建要求每一次曝光視場強度要基本相等，而在同一個圓上的每個LED與視場中心的距離相同，所以我們的新結(jié)構(gòu)里同一個圓上可以使用相同的曝光時間，非常有利于硬件的控制。

具體地，F(xiàn)PM技術(shù)是一種基于頻域拼接的顯微技術(shù)，其利用一系列從不同角度的光源照射樣本得到的低分辨率圖片，來最終重建樣本的高分辨率圖片。其特點為寬視場、高分辨且裝置簡單，成本低廉，但是采集速率較慢，這大大限制了其在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。提升其速率也成為了關(guān)鍵研究內(nèi)容。目前的FPM技術(shù)主要采取對已知的樣本進行分析，而定向曝光的方式，這種方式需要對樣本有著較高的先驗要求，并且實際操作中，需要實時的計算與反饋控制，硬件控制較為復(fù)雜，并且耗時較大，實用性不強。而我們提出的方法，為改進其光照的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的矩陣式的LED面板作為光源，頻譜沒用更加充分的利用，因而采集的速率較慢。

然而，本發(fā)明實施例利用數(shù)學(xué)方法分析頻譜的復(fù)用特征，引入了一種圓形的LED陣列，使其能夠在有限的LED個數(shù)條件下，保證相鄰光照重復(fù)度的同時，覆蓋更大的頻譜面積，從而更加有效率地利用頻譜，減小LED曝光個數(shù)，最終減小整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間在50％左右。如圖2所示，其中，圖2(a)為原有矩陣結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)為優(yōu)化的圓形結(jié)構(gòu)示意圖。

在步驟S102中，獲取多個同心圓中每個同心圓的半徑，并確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)。

即言，確定各層LED的參數(shù)。

其中，在本發(fā)明的一個實施例中，獲取多個同心圓中每個同心圓的半徑，進一步包括：根據(jù)最佳頻譜重復(fù)程度確定最里層同心圓的半徑；根據(jù)最里層同心圓的半徑得到每個同心圓的半徑。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)，進一步包括：根據(jù)LED面板的面積確定排布層數(shù)；根據(jù)多個LED中各個LED之間的硬件避讓距離確定每一層的LED個數(shù)。

在步驟S103中，獲取每一層上的LED的排布角度。

也就是說，優(yōu)化每一個LED的在當(dāng)前層上的角度。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，獲取每一層上的LED的排布角度，進一步包括：根據(jù)通過貪婪算法確定每一層上的LED與里層的LED的頻譜重復(fù)程度，以使得頻譜重復(fù)程度最大得到每一層上的LED的排布角度。

在步驟S104中，通過迭代得到最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)。

即言，最后對上述步驟進行迭代，確定最終各個LED的幾何位置。

其中，在本發(fā)明的一個實施例中，多個同心圓中每個同心圓上各個LED均勻分布。

在步驟S105中，將最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)作為光源，通過FPM系統(tǒng)得到成像結(jié)果。

在本發(fā)明的實施例中，改變了LED面板的結(jié)構(gòu)，在原有的矩陣形式分布的條件下進行了優(yōu)化，使其能夠在相同的LED個數(shù)，即相同的曝光時間的條件下，對頻譜的利用程度更高。同時，本發(fā)明實施例的方法是一種普適性的方法，對于所有的樣本，使用相同的一套控制曝光策略即可。相比于其他的方法，其魯棒性強，計算量小，不需要對樣本的預(yù)知信息，硬件控制實現(xiàn)簡單。可以FPM數(shù)據(jù)采集時間在50％左右。另外，將普通的正置顯微鏡的光源替換為本發(fā)明實施例給出的LED結(jié)構(gòu)面板，并且配合一臺普通計算機進行數(shù)據(jù)處理即可實現(xiàn)，簡單便捷。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，本發(fā)明實施例的方法相比較傳統(tǒng)FPM技術(shù)中的LED光照面板的結(jié)構(gòu)調(diào)整為圓形分布，并且相比于其他FPM提速方法，魯棒性增強，并且不再依賴于對樣本的先驗知識，具有普適性，同時降低了硬件控制的難度，其具體包括以下步驟：

步驟S1，LED排布由多個同心圓構(gòu)成，每一個同心圓上各個LED均勻分布。

步驟S2，首先根據(jù)理論上的最佳頻譜重復(fù)程度確定最里層LED的半徑r，然后每層LED同心圓的半徑分別為2r，3r，……然后根據(jù)整個LED面板的面積確定整體的層數(shù)，并根據(jù)兩個LED間的硬件避讓距離確定每一層上的LED個數(shù)。

步驟S3，確定LED層數(shù)及每層的個數(shù)后，再確定每一層上LED的角度。角度的確定方法為保障最大的頻譜重復(fù)面積。具體實現(xiàn)上，使用貪婪算法，從內(nèi)而外，每一層選擇能夠使得該層上的LED與里層LED總的頻譜重復(fù)程度最大。

步驟S4，對以上過程迭代2～3次，獲得最佳的LED面板分布結(jié)構(gòu)。

其中，本發(fā)明實施例可以使用普通的正置顯微鏡，并配合一臺普通計算機進行數(shù)據(jù)處理，同時將光源替換為文中給出的LED結(jié)構(gòu)面板即可實現(xiàn)。

舉例而言，如圖3所示，其中，圖3(a)為原低分辨率的輸入圖像，圖3(b)為重建的高分辨率圖像，并且如表1所示，表1為本發(fā)明實施例中的圓形結(jié)構(gòu)與原有矩陣式LED結(jié)構(gòu)復(fù)原結(jié)果的對比結(jié)果。

表1

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像方法，通過分析頻譜的復(fù)用特征引入圓形的LED陣列，從而能夠在有限的LED個數(shù)條件下，保證相鄰光照重復(fù)度的同時，覆蓋更大的頻譜面積，從而更加有效率地利用頻譜，減小LED曝光個數(shù)，最終減小整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，提高成像效率，通過重新設(shè)計LED面板的幾何結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在相同的重建誤差的基礎(chǔ)上，減小了50％左右的LED個數(shù)，即減小了50％左右的數(shù)據(jù)采集時間，并且提高了適用性，魯棒性強，計算量小，簡單易實現(xiàn)。

其次參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例提出的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)。

圖4是本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖4所示，該基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)10包括：排布模塊100、第一獲取模塊200、第二獲取模塊300、設(shè)置模塊400和成像模塊500。

其中，排布模塊100用于在LED面板上將多個LED排布為多個同心圓。第一獲取模塊200用于獲取多個同心圓中每個同心圓的半徑，并確定排布層數(shù)和每一層上的LED個數(shù)。第二獲取模塊300用于獲取每一層上的LED的排布角度。設(shè)置模塊400用于通過迭代得到最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)。成像模塊500用于將最佳LED面板分布結(jié)構(gòu)作為光源，通過FPM系統(tǒng)得到成像結(jié)果。本發(fā)明實施例的系統(tǒng)10通過引入圓形的LED陣列，減小曝光次數(shù)，提高成像效率，簡單易實現(xiàn)。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，第一獲取模塊200還用于根據(jù)最佳頻譜重復(fù)程度確定最里層同心圓的半徑，并且根據(jù)最里層同心圓的半徑得到每個同心圓的半徑。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，第一獲取模塊200還用于根據(jù)LED面板的面積確定排布層數(shù)，并且根據(jù)多個LED中各個LED之間的硬件避讓距離確定每一層的LED個數(shù)。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，第二獲取模塊300具體用于根據(jù)通過貪婪算法確定每一層上的LED與里層的LED的頻譜重復(fù)程度，以使得頻譜重復(fù)程度最大得到每一層上的LED的排布角度。

進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，多個同心圓中每個同心圓上各個LED均勻分布。

需要說明的是，前述對基于FPM的寬視場顯微成像方法實施例的解釋說明也適用于該實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)，此處不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPM的寬視場顯微成像系統(tǒng)，通過分析頻譜的復(fù)用特征引入圓形的LED陣列，從而能夠在有限的LED個數(shù)條件下，保證相鄰光照重復(fù)度的同時，覆蓋更大的頻譜面積，從而更加有效率地利用頻譜，減小LED曝光個數(shù)，最終減小整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，提高成像效率，通過重新設(shè)計LED面板的幾何結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在相同的重建誤差的基礎(chǔ)上，減小了50％左右的LED個數(shù)，即減小了50％左右的數(shù)據(jù)采集時間，并且提高了適用性，魯棒性強，計算量小，簡單易實現(xiàn)。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。