基于最優(yōu)哈達瑪編碼的大視場高分辨率顯微成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)，特別是一種基于最優(yōu)哈達瑪編碼的大視場高分辨率顯 微成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在顯微成像領(lǐng)域，更高的分辨率一直是追求的目標，但是在提高分辨率的同時存 在一個關(guān)鍵性問題，那就是并沒有隨分辨率一起提高的顯微鏡的空間帶寬積，換言之即傳 統(tǒng)顯微鏡存在分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾。因為，傳統(tǒng)顯微鏡使用低倍物鏡進 行成像時視場大但是分辨率低，而使用高倍物鏡進行成像時分辨率提高了但是相應(yīng)的視場 就會縮得很小。目前，為了突破分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾，常見的方法是采用 常規(guī)顯微鏡系統(tǒng)配合高精度機械掃描和后期空域圖像拼接方法將多個小視場高分辨率圖 像拼接融合生成一幅大視場高分辨率圖像（[1]孫西釗，王震，李攀，李建勛，王文合.適用 于結(jié)核桿菌抗酸染色圖像拼接的裝置：中國，2013205777012 [P]. 2013-09-17.)。但是由于 引入了機械移動裝置，所以系統(tǒng)成像時的穩(wěn)定性和成像速度又成為一對難以調(diào)和的矛盾， 提高掃描速度必將影響成像穩(wěn)定性。所以，想要突破分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛 盾又不引入了機械移動裝置，必須采用近年來提出的計算成像的方法，比如基于合成孔徑 的成像方法。
[0003] 基于合成孔徑成像原理的掃描成像方法最早是由Hoppe為了研宄晶體結(jié)構(gòu)所提 出的，并通過研宄晶體和非晶體的掃描透射電子衍射顯微成像，驗證了此方法的有效性。 Rodenburg和Faulkner等結(jié)合相位恢復(fù)算法將此方法多次改進，目前這種成像方法已在可 見光域、X射線、電子顯微鏡等不同波段得到了實驗證實，并發(fā)展出若干種技術(shù)以提高成像 質(zhì)量以及分辨率，該技術(shù)顯示了在大幅面成像和高分辨成像方面的巨大潛力。傳統(tǒng)的合成 孔徑成像技術(shù)是通過移動一個全透的小孔（或待測樣品本身）使入射平面波照射到待測樣 品的不同部位，即由小孔控制照明光束尺寸、幾何形狀及位置，并利用由此得到的一系列衍 射強度圖樣重構(gòu)出待測樣品的振幅與位相信息（[2]王雅麗，史祎詩，李拓，等.可見光域疊 層成像中照明光束的關(guān)鍵參量研宄[J].物理學(xué)報，2013, Vol. 62, No. 6.064206-1-9)。合 成孔徑成像術(shù)的關(guān)鍵在于：每次照射待測樣品的一個"子孔徑"也就是待測樣品的某一部分 時，都要和至少一個其他的"子孔徑"發(fā)生交疊。這樣就可建立一種重構(gòu)算法，在分別重構(gòu) 每"子孔徑"的復(fù)振幅時也要同時滿足其他"子孔徑"衍射分布的約束，使得最后的待測樣 品的整體復(fù)振幅信息是所有"子孔徑"的共同解，從而由各個"子孔徑"拼接合成一幅大視場 高分辨率的待測樣品的圖像。合成孔徑成像術(shù)可以說是一種穩(wěn)健而簡約的顯微成像技術(shù)， 但目前最突出的問題在于其成像效率與質(zhì)量之間的矛盾，因為使用合成孔徑成像技術(shù)拍攝 一幅完整的超分辨率的圖像往往需要花費十幾或數(shù)十分鐘，因此如何提高成像效率就成為 了合成孔徑成像技術(shù)必須克服的一個技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于哈達瑪編碼的大視場高分辨率顯微成像方法，既 能降低相機所需的曝光時間，提高系統(tǒng)的圖像采集速度，又能抑制噪聲，提高系統(tǒng)采集的圖 像質(zhì)量，以解決顯微系統(tǒng)分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于最優(yōu)哈達瑪編碼的大視場高分辨率 顯微成像方法，其特征在于步驟如下：
[0006] 步驟一：利用計算機編程生成初始哈達瑪編碼矩陣；
[0007] 步驟二：對初始哈達瑪編碼矩陣進行優(yōu)化，得到最優(yōu)哈達瑪編碼矩陣；
[0008] 步驟三：采用LED陣列作為顯微鏡光源，顯示最優(yōu)哈達瑪編碼矩陣，并用相機拍攝 待測樣品在不同照明角度下的一系列低分辨率圖像，再根據(jù)最優(yōu)哈達瑪矩陣通過解方程組 求解出待測樣品受到單個角度照明時的低分辨率圖像；
[0009] 步驟四：利用頻域合成孔徑技術(shù)將多幅大視場低分辨率圖像合成一幅大視場高分 辨率圖像。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：（1)本發(fā)明利用LED陣列產(chǎn)生不同角度的入 射光照射待測樣品，再用相機拍攝多幅低分辨率圖像，最后采用頻域合成孔徑技術(shù)將多幅 大視場低分辨率圖像合成一幅大視場高分辨率圖像，無需任何機械掃描裝置，系統(tǒng)成像穩(wěn) 定性高。（2)本方法利用哈達瑪矩陣來編碼照明光，產(chǎn)生多個角度的入射光同時照射待測樣 品，這樣既能降低相機所需的曝光時間，提高系統(tǒng)的圖像采集速度，又能抑制噪聲，提高系 統(tǒng)采集的圖像質(zhì)量，所以本方法可以非常穩(wěn)定并且精確的重建出大視場高分辨率圖像。 [0011] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0012] 圖1為基于最優(yōu)哈達瑪編碼的大視場高分辨率顯微成像方法步驟流程示意圖。
[0013] 圖2為基于合成孔徑超分辨率重構(gòu)算法來重構(gòu)待測樣品的大視場高分辨率的光 強和相位分布步驟流程示意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明生成的N幅最優(yōu)化哈達瑪編碼LED圖案中的一幅。
[0015] 圖4為測試對象為1951USAF分辨率板時相機拍攝的N幅圖像中的一幅。
[0016] 圖5為測試對象為1951USAF分辨率板時解出的單照明角度下的N幅圖像中的一 幅。
[0017] 圖6為測試對象為1951USAF分辨率板時重構(gòu)的大視場高分辨率顯微圖像；圖 6(a)是4倍物鏡拍攝到的原始圖像；圖6(bl)是重構(gòu)后的原始圖像圖6(a)中選框區(qū)域的 高分辨率顯微圖像的放大圖像；圖6 (b2)是圖6 (bl)中選框區(qū)域的放大圖像；圖6 (b3)是圖 6 (b2)中選框區(qū)域的放大圖像；圖6 (cl)、圖6 (c2)、圖6 (c3)分別是重構(gòu)前的原始低分辨率 圖像在圖6 (bl)、圖6 (b2)、圖6 (b3)圖像對應(yīng)位置處的插值放大圖。
[0018] 圖7為測試對象為淋巴細胞切片時重構(gòu)的大視場高分辨率顯微圖像；圖7(a)是4 倍物鏡拍攝到的原始圖像；圖7 (bl)是重構(gòu)后的原始圖像圖7 (a)中選框區(qū)域的高分辨率顯 微圖像的放大圖像；圖7(b2)是圖7(bl)中選框區(qū)域的放大圖像；圖7(b3)是圖7(b2)中 選框區(qū)域的放大圖像；圖7 (cl)、圖7 (c2)、圖7 (c3)分別是重構(gòu)前的原始低分辨率圖像在圖 7 (bl)、圖7 (b2)、圖7 (b3)圖像對應(yīng)位置處的插值放大圖。
【具體實施方式】