基于正交偏振光的无透镜显微成像系统及方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于正交偏振光的无透镜显微成像系统及方法。

背景技术

无透镜成像(lensless imaging)方案由于其成本低、结构紧凑且光学吞吐量高(高分辨率和宽视场)，已被广泛接受并作为计算成像技术用于宏观和微观领域。无透镜成像最近在单曝光三维成像、像素超分辨显微、片上荧光显微镜、深度学习重建图像、高级算法，以及波前传感和无透镜内窥镜等应用领域上取得了新的进展。但在以往的研究中，偏振无透镜成像，特别是有关正交偏振光的无透镜成像研究工作，很少涉及。现有相关工作包括使用无透镜偏振全息图定量测量双折射样品的偏振态，以及对使用两束偏振方向略有不同的光干涉得到的全息图进行图像重建，但是目前还没有能够提供高对比度、无本底、单曝光成像的正交偏振无透镜成像方案。

偏振光显微镜是指涉及偏振光的光学显微技术，已被广泛用于对样品的偏振特性进行成像和表征。具体来说，在正交偏振光成像中，在入射和透射(或反射)光路上使用两个方向垂直的偏振器。通过阻挡与照明具有相同偏振方向的透射光，样品的透明结构可见，眩光和镜面高光也被消除。这种特殊的偏振照明将样品中不可见的消偏振信号变为可检测、可见的，能够实现对植物特殊结构的无标记成像以及表面下病理无阻挡观察。此外，正交偏振光可获得高对比度和无本底成像。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于正交偏振光的无透镜显微成像系统及方法，可实现样品的高对比度、无标记、无本底成像。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于正交偏振光的无透镜显微成像系统，包括照明模块、偏振模块和图像传感器，所述照明模块用于获得单色非偏振入射光，包括依次放置的光源、窄带滤波片、照明孔径及透镜组、中继透镜对；所述偏振模块包括偏振方向相互垂直的线偏振片和偏振薄膜，分别用于产生线偏振光和阻挡通过样品的透射光；所述中继透镜对的出射端依次放置所述线偏振片、样品、所述偏振薄膜、所述图像传感器；所述偏振薄膜确保所述图像传感器只采集样品的消偏振的散射光。

本发明利用上述无透镜显微成像系统的成像方法，包括以下步骤：

所述照明模块发出的单色非偏振光经过线偏振片产生线偏振照明光后，入射到样品上，然后通过偏振薄膜阻挡与入射偏振照明光具有相同偏振方向的透射光，确保只有来自样品的消偏振的散射光通过偏振薄膜，最后由所述图像传感器采集样品的散射光，获得样品的单曝光图像；根据采集的样品图像使用盲解卷积算法进行图像重建。

进一步地，所述盲解卷积算法包括以下步骤：

步骤一，初始化：生成初始化的点扩散函数PSF和重建图像O；

步骤二，使用盲解卷积算法，更新点扩散函数PSF和重建图像O；

步骤三，按照步骤二进行n次循环，获得解卷积图像O和恢复的点扩散函数PSF。

本发明基于正交偏振光实现了样品的高对比度、无标记、无本底的无透镜成像。而现有基于偏振光的无透镜显微成像研究主要集中在测量样品偏振态或通过偏振光获得全息图，还没有能够提供高对比度、无本底、单曝光成像的正交偏振无透镜成像方案。本发明的创新点以及优点在于：

(1)将正交偏振光引入无透镜成像方案中，特别是将偏振薄膜作为附加组件引入现有无透镜成像系统中，用于阻挡通过样品的透射光，确保图像传感器只采集来自样品的散射光，消除透射光对图像采集的干扰，以实现高对比度、无标记、无本底的成像。

(2)本发明在每次成像只采集一张样品的单曝光图像，并使用盲解卷积算法对采集的单曝光图像进行图像重建。盲解卷积算法是为本发明无透镜显微成像系统所设计的。采集样品的单曝光图像并使用盲解卷积算法进行图像重建这一成像方法，在获得快速成像和高效计算成像上有着良好的潜力，能够应用于动态过程的成像。

(3)本发明无透镜显微成像方案的成像性能与相应基于透镜的成像系统获得的结果具有良好的一致性，体现本发明无透镜显微成像系统与成像方法是高性能与高质量的，能够在实际的显微成像应用发挥作用。此外，在无染色或无标记下，某些样品的特殊结构在明场照明下是不可见或不清晰的。但本发明基于正交偏振光，能够分辨采集到的来自此类特殊结构的稀疏信号，实现了对此类特殊结构的无标记和无染色成像。

附图说明

图1为本发明无透镜显微成像系统的系统框图；

图2为本发明无透镜显微成像系统的光学原理示意图，(a)为硬件结构图，(b)为正交偏振光的光学原理图；

图3为本发明无透镜显微成像系统的光学结构示意图；

图4为本发明实施例的成像方法流程图；

图5为本发明实施例的成像方法获得的蕨类茎横截面的成像结果。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参照图1和图2所示，本发明的系统包括照明模块、偏振模块和图像传感器，将正交偏振光引入无透镜成像方案中，特别是将偏振薄膜作为附加组件引入到现有无透镜成像系统中，以实现高对比度、无标记和无本底成像。具体地，照明模块包括依次放置的白色LED光源、窄带滤波片、照明孔径及透镜组、中继透镜对，照明孔径放置于透镜组的相邻透镜间，限制照明数值孔径，以获得足够小的散焦模糊。LED光源发出的白光通过窄带滤波片获得单色非偏振照明光，通过透镜组、照明孔径和中继透镜对调制，在中继透镜的出射端获得匹配其余系统参数的单色非偏振入射光。偏振模块是作为附加组件引入已有的无透镜成像系统中的，包括偏振方向相互垂直的线偏振片和偏振薄膜，作为起偏器和检偏器分别放置在样品的前后。线偏振片具有高消光比，放置在照明模块与样品间，以产生线偏振照明光。线偏振光具有高消光比，能够获得高质量的线偏振光，减少不必要的光损失；偏振薄膜放置在样品和成像传感器间，其偏振方向与线偏振片的偏振方向相垂直，阻挡与线偏振照明光具有相同偏振方向的透射光，只通过来自样品的消偏振的散射光，确保图像传感器只采集来自样品的散射光，实现在无标记及无染色下辨别采集的稀疏信号，获得高对比度、无本底的图像。相较于使用普通线偏振片，使用偏振薄膜能够减小样品与图像传感器间的距离，以获得期望的图像分辨率和图像质量。图像传感器采集透过偏振薄膜的光，获得样品图像。

图3为本发明一种无透镜显微成像系统的光学结构示意图。其中，为方便原型系统构建，照明模块中的光源采用白色LED光源；窄带滤光片使用的是中心波长为532nm，光谱带宽为3nm的滤光片。或者使用单色LED光源替代白色LED光源和滤光片获得单色照明光。使用针孔作为照明孔径，限制照明数值孔径为0.018，以获得足够小的散焦模糊。中继透镜对对光束进行10:3的缩小调制，减小样品平面上的光束直径，提高单位面积光强。使用透镜组、照明孔径、中继透镜对的目的在于调制入射光束，对光束进行聚焦、限制、缩放等操作，在线偏振片平面获得合适的入射光斑，确保光束具有期望的散焦模糊和单位面积光强，确保入射光各参数与系统后续各光学元件的参数相匹配，以实现高质量的成像。线偏振片使用的是Thorlabs的LPVISA050-MP2，具有高消光比(在532nm波长消光比高于10

基于上述成像系统，本实施例提出一种基于正交偏振光的无透镜显微成像方法，主要在于采集样品消偏振散射光的单曝光图像及使用盲解卷积算法进行图像重建。具体地，基于正交偏振光的无透镜显微成像方法包括以下步骤：照明模块发出的单色非偏振光经过线偏振片产生线偏振照明光后，入射到样品上，来自样品平面的光入射到偏振薄膜平面上，偏振薄膜只通过来自样品的消偏振的散射光，阻挡与入射线偏振照明光具有相同偏振方向的透射光，最后由图像传感器采集透过偏振薄膜的光，记录样品的单曝光图像；根据采集的样品图像使用盲解卷积算法进行图像重建。

上述采集单曝光图像并使用盲解卷积算法进行图像重建，能够规避现有无透镜成像中需要采集多张照片进行图像重建的成像方法，能够快速得到高质量的重建图像，节省采集、重建时间，具有应用到面对动态过程的快速、高质量计算成像领域的潜能。

其中，盲解卷积算法是在系统创新的基础上专门设计的，适用于本发明无透镜显微成像系统采集图像的图像重建，能够很好地挖掘成像信息，获得高质量的无透镜成像。受实验误差等因素的影响，系统本身的点扩散函数(point spread function,PSF)是复杂且不确定的，因此需要在图像重建过程中更新PSF信息，以根据更准确的PSF信息获得高质量的重建图像。本发明通过自适应的盲解卷积算法，通过挖掘采集单曝光图像所包含的成像信息，综合成像系统各参数，同时恢复PSF和图像信息，显著提升本发明所提出的基于正交偏振光的无透镜显微成像的成像性能，实现高对比度、无标记、无本底的成像。具体地，参照图4所示，本实施例的盲解卷积算法包括以下步骤：

步骤一，初始化：生成初始化的点扩散函数PSF和重建图像O；具体包括：设定参数，包括初始点扩散函数PSF，初始重建图像，总迭代次数。

步骤二，更新：依次点扩散函数PSF和重建图像O；

步骤三，按照步骤二进行n次循环，获得解卷积图像O和恢复的点扩散函数PSF。

参照图5所示，本实施例系统采集蕨类植物茎横截面的单曝光图像，并使用本发明提出的成像方法对图像进行解卷积重建。利用本实施例的基于正交偏振光的无透镜显微成像系统和方法获得的采集图像和重建图像分别如图5第二列的第二、三行所示，可以清晰看到导管在蕨类植物茎横截面的分布，图像是高对比的、无本底的，且本发明使用的盲解卷积算法提升了无透镜成像质量。由传统基于透镜的成像方法获得的图像作为本实施例的地面真值，如图5的第一行所示。从图中可以看出，本发明正交偏振无透镜成像获得图像所显示的稀疏结构，与作为地面真值的、明场照明下观察到的结构一致。