本技術(shù)屬于光學(xué)顯微成像，特別涉及一種任意曲面寬視場(chǎng)轉(zhuǎn)盤共聚焦層析顯微成像系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、顯微成像系統(tǒng)作為一種重要的科學(xué)工具，它在連接宏觀世界和微觀世界之間起到了橋梁的作用。傳統(tǒng)的顯微成像系統(tǒng)通常將一個(gè)平面的樣本面映射到一個(gè)平面探測(cè)器上，這就要求被探測(cè)的樣本面必須具有非常嚴(yán)格的平面切面。然而，在自然界中，絕大多數(shù)的樣本都具有復(fù)雜的曲面形狀，因此，為了在顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)，往往需要對(duì)樣本進(jìn)行切片處理。但是，對(duì)于那些活體樣本來(lái)說(shuō)，切片處理可能會(huì)對(duì)樣本造成嚴(yán)重的損害。
2、在生物醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速、高信噪比的三維成像的需求日益迫切。傳統(tǒng)的寬場(chǎng)顯微成像技術(shù)，例如熒光顯微鏡，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)的觀測(cè)，但是由于其空間頻域混疊效應(yīng)，導(dǎo)致軸向分辨率顯著降低，難以區(qū)分重疊結(jié)構(gòu)的層析信號(hào)。近年來(lái)，一種名為曲面選擇性成像的技術(shù)(如專利cn20211190828.4)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它通過(guò)數(shù)字微鏡陣列(dmd)的時(shí)空調(diào)制，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲面結(jié)構(gòu)的快速重構(gòu)。然而，這種技術(shù)采用的寬場(chǎng)探測(cè)模式使得系統(tǒng)的信噪比(snr)受到了限制，特別是在活體組織成像中，散射背景噪聲會(huì)嚴(yán)重干擾弱信號(hào)的提取。
3、轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微技術(shù)通過(guò)物理針孔陣列顯著提升了成像信噪比，但其層析能力依賴于機(jī)械式的z軸掃描。由于受到壓電位移臺(tái)響應(yīng)速度的限制(典型掃描頻率小于10hz)，它難以滿足動(dòng)態(tài)過(guò)程觀測(cè)的實(shí)時(shí)性需求。盡管近年來(lái)有研究嘗試將數(shù)字掃描技術(shù)(如光場(chǎng)顯微或壓縮感知成像)與之結(jié)合，但這些方法往往需要以犧牲空間分辨率或增加計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)。例如，光場(chǎng)顯微技術(shù)通過(guò)單次曝光獲取三維信息，但其空間分辨率受到微透鏡陣列采樣限制。
4、目前，顯微成像技術(shù)所面臨的共性挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，寬場(chǎng)成像的時(shí)空帶寬積限制，使得我們難以同時(shí)兼顧大視場(chǎng)、高信噪比與高速層析；其次，機(jī)械掃描的慣性約束，導(dǎo)致傳統(tǒng)共聚焦系統(tǒng)的焦面切換速度難以突破毫秒量級(jí)；最后，復(fù)雜曲面的自適應(yīng)成像需求與固定探測(cè)模式之間的矛盾，導(dǎo)致在對(duì)非平面樣本進(jìn)行成像時(shí)，存在大量的無(wú)效數(shù)據(jù)采集(占比可達(dá)40％)。特別是在活體腦神經(jīng)成像、血管網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中，現(xiàn)有系統(tǒng)難以在保持亞細(xì)胞級(jí)分辨率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)時(shí)間尺度的曲面跟蹤。這些技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了顯微成像技術(shù)在動(dòng)態(tài)生物系統(tǒng)和工業(yè)在線檢測(cè)中的應(yīng)用。
5、申請(qǐng)內(nèi)容
6、本技術(shù)提供一種任意曲面寬視場(chǎng)轉(zhuǎn)盤共聚焦層析顯微成像系統(tǒng)及其成像方法，通過(guò)引入選擇性的照明適配調(diào)制模塊和變焦針孔轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意曲面的高速、高信噪比成像。照明適配調(diào)制模塊能夠在不同時(shí)間對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)照明，而變焦針孔轉(zhuǎn)盤則通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距實(shí)現(xiàn)多層成像，并利用針孔設(shè)計(jì)顯著提升成像信噪比。這種創(chuàng)新的成像系統(tǒng)不僅保持了高分辨率和高靈敏度，還能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高幀率成像，適用于活體深層組織的時(shí)間序列成像等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。
7、本技術(shù)第一方面實(shí)施例提供一種任意曲面寬視場(chǎng)轉(zhuǎn)盤共聚焦層析顯微成像系統(tǒng)，包括照明光源和探測(cè)模塊；
8、在所述照明模塊的光輸出側(cè)設(shè)有第一中繼透鏡模塊；
9、在所述第一中繼透鏡模塊的光輸出側(cè)設(shè)有變焦針孔轉(zhuǎn)盤；
10、在所述變焦針孔轉(zhuǎn)盤和樣本之間設(shè)有第二中繼透鏡模塊；
11、在所述變焦針孔轉(zhuǎn)盤和第一中繼透鏡模塊之間設(shè)有二向色鏡；
12、在所述二向色鏡和探測(cè)模塊之間設(shè)有第三中繼透鏡模塊；
13、所述照明適配調(diào)制模塊根據(jù)預(yù)存曲面形貌數(shù)據(jù)生成動(dòng)態(tài)照明模板；并通過(guò)第一中繼透鏡模塊和第二中繼透鏡模塊將照明區(qū)域匹配至當(dāng)前焦面成像區(qū)域；三個(gè)中繼透鏡模塊用于實(shí)現(xiàn)四重共軛和漸暈補(bǔ)償；
14、信號(hào)同步處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取變焦針孔轉(zhuǎn)盤的相位信號(hào)，根據(jù)相位信號(hào)同步控制照明模塊、探測(cè)模塊及變焦針孔轉(zhuǎn)盤的變焦補(bǔ)償工作參數(shù)。
15、優(yōu)選的，所述變焦針孔轉(zhuǎn)盤包括：
16、針孔部件，用于實(shí)現(xiàn)焦面上不同位置的層析成像；
17、變焦部件，用于改變顯微成像焦面；所述變焦部件集成階梯式變厚度變焦玻璃與共軛針孔陣列；
18、所述變焦部件與針孔部件采用同軸層疊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)掃描。
19、優(yōu)選的，所述針孔部件包括針孔轉(zhuǎn)盤和平板玻璃變焦轉(zhuǎn)盤；所述平板玻璃變焦轉(zhuǎn)盤將針孔轉(zhuǎn)盤的位置切換至對(duì)應(yīng)焦面的位置；
20、第一同步設(shè)備接收信號(hào)同步處理系統(tǒng)的時(shí)序信號(hào)，并發(fā)送聚焦轉(zhuǎn)盤的位置編碼信號(hào)至探測(cè)模塊。
21、優(yōu)選的，所述針孔部件包括針孔轉(zhuǎn)盤和可選的聚焦轉(zhuǎn)盤；所述二值陣列聚焦轉(zhuǎn)盤將入射光能量聚焦于針孔轉(zhuǎn)盤透光位置；
22、第一同步設(shè)備接收信號(hào)同步處理系統(tǒng)的時(shí)序信號(hào)，并發(fā)送針孔轉(zhuǎn)盤的位置編碼信號(hào)至探測(cè)模塊。
23、優(yōu)選的，所述照明模塊包括：
24、照明光源，作為成像系統(tǒng)的照明光源，為成像系統(tǒng)提供能量；
25、照明適配模塊，用于將照明光源的尺寸和入射角度與探測(cè)數(shù)值孔徑適配；
26、照明調(diào)整模塊，在變焦針孔轉(zhuǎn)盤的掃描周期內(nèi)，照亮聚焦位置對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域。
27、優(yōu)選的，所述照明調(diào)整模塊包括：
28、時(shí)空光場(chǎng)調(diào)制設(shè)備，用于不同時(shí)間給光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的照亮強(qiáng)度和相位調(diào)制；
29、第二同步設(shè)備，用于接收所述信號(hào)同步處理系統(tǒng)的時(shí)序信號(hào)，并輸出當(dāng)前照明狀態(tài)編碼和/或探測(cè)狀態(tài)編碼至所述信號(hào)同步處理系統(tǒng)。
30、優(yōu)選的，所述中繼透鏡模塊包括：
31、中繼透鏡，用于實(shí)現(xiàn)照明適配調(diào)制模塊、變焦針孔轉(zhuǎn)盤和成像焦平面三者之間的光學(xué)共軛；
32、漸暈透鏡，用于消除改變光線角度，消除級(jí)聯(lián)中繼透鏡產(chǎn)生的漸暈。
33、本發(fā)明的第二目的是提供一種任意曲面寬視場(chǎng)轉(zhuǎn)盤共聚焦層析顯微成像方法，采用上述任意曲面寬視場(chǎng)轉(zhuǎn)盤共聚焦層析顯微成像系統(tǒng)，完成以下步驟：
34、s1、首先對(duì)樣本進(jìn)行預(yù)掃描和數(shù)據(jù)處理得到曲面形態(tài)數(shù)據(jù)，所述曲面形態(tài)數(shù)據(jù)包括樣本的三維形貌數(shù)據(jù)和曲面拓?fù)溆成潢P(guān)系；然后結(jié)合預(yù)標(biāo)定的漸暈系數(shù)計(jì)算各焦面對(duì)應(yīng)的照明模板序列；
35、s2、動(dòng)態(tài)共軛層析掃描：?jiǎn)?dòng)變焦針孔轉(zhuǎn)盤，根據(jù)轉(zhuǎn)盤編碼器信號(hào)實(shí)時(shí)判定當(dāng)前焦面位置；同步觸發(fā)dmd加載對(duì)應(yīng)照明模板，僅激活景深范圍內(nèi)的有效成像區(qū)域；
36、s3、層析信號(hào)采集與同步控制：在單幀曝光周期內(nèi)，通過(guò)信號(hào)同步處理系統(tǒng)控制探測(cè)模塊全局曝光窗口與變焦針孔轉(zhuǎn)盤相位匹配；
37、s4、采用時(shí)間-空間復(fù)用策略，將不同焦面的層析信號(hào)按時(shí)序編碼疊加至單幀圖像；
38、s5、曲面圖像重建。
39、優(yōu)選的，利用熒光薄片標(biāo)定不同成像區(qū)域的漸暈系數(shù)。
40、優(yōu)選的，s5包括：
41、首先將層析信號(hào)分離，根據(jù)時(shí)序編碼從疊加圖像中提取各焦面信號(hào)；
42、然后進(jìn)行漸暈補(bǔ)償，應(yīng)用預(yù)標(biāo)定的光強(qiáng)分布矩陣校正邊緣衰減；
43、最后進(jìn)行曲面融合，結(jié)合預(yù)存三維形貌數(shù)據(jù)，重建連續(xù)曲面圖像，在所述照明模塊的光輸出側(cè)設(shè)有第一中繼透鏡模塊。
44、本技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
45、本發(fā)明通過(guò)引入選擇性的照明適配調(diào)制模塊和變焦針孔轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意曲面的高速、高信噪比成像。這一創(chuàng)新技術(shù)的核心在于照明適配調(diào)制模塊能夠在不同時(shí)間對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)照明，確保了成像過(guò)程中的精確性和高效性。與此同時(shí)，變焦針孔轉(zhuǎn)盤通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距，能夠?qū)崿F(xiàn)多層成像，這一過(guò)程顯著提升了成像的信噪比。這種創(chuàng)新的成像系統(tǒng)不僅保持了高分辨率和高靈敏度，還能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高幀率成像，適用于活體深層組織的時(shí)間序列成像等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，為生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的進(jìn)步。
46、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)曲面成像過(guò)程中照明適配調(diào)制面、變焦針孔轉(zhuǎn)盤面、樣本面和成像面之間的四重共軛；這種四重共軛技術(shù)確保了成像系統(tǒng)在處理復(fù)雜曲面時(shí)的精確性和穩(wěn)定性，使得成像質(zhì)量得到了極大的提升。
47、本發(fā)明利用信號(hào)同步處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取變焦針孔轉(zhuǎn)盤的相位信號(hào)，根據(jù)相位信號(hào)同步控制照明適配調(diào)制模塊、探測(cè)模塊及變焦針孔轉(zhuǎn)盤的變焦補(bǔ)償工作參數(shù)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)層析功能、變焦功能和探測(cè)功能三重同步；這種同步技術(shù)的應(yīng)用，使得成像系統(tǒng)能夠更加靈活地適應(yīng)不同的成像需求，大大提高了成像效率和質(zhì)量。
48、本發(fā)明利用中繼透鏡模塊能夠克服多級(jí)中繼成像系統(tǒng)的漸暈現(xiàn)象。漸暈現(xiàn)象是多級(jí)中繼成像系統(tǒng)中常見(jiàn)的問(wèn)題，它會(huì)導(dǎo)致成像邊緣區(qū)域的亮度和清晰度下降。通過(guò)本發(fā)明的中繼透鏡模塊，可以有效地解決這一問(wèn)題，確保整個(gè)成像區(qū)域的亮度和清晰度均勻一致，從而提高了成像的整體質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路