[发明专利]基于波长复用的频域拼贴显微系统及其方法

说明书

本发明公开了一种基于波长复用的频域拼贴显微系统及其方法，包括：三色LED阵列；显微镜，用于获取所述三色LED阵列照射样本后的图像信息进行放大；RGB相机，所述RGB相机放置在所述显微镜的相面，用于采集放大后的图像信息；控制器，所述控制器用于同步控制所述三色LED阵列和所述RGB相机，以采集多张波长复用的低LED分率彩色图像，并根据所述多张波长复用的低LED分率彩色图像获取恢复单帧高分辨率图像所需的原始图像数据。本发明具有如下优点：与现有的大多数MFPM方法相兼容，实现3倍采集速度的提升。

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于波长复用的频域拼贴显微系统及方法。

背景技术

FPM(Fourier ptychograhic microscopy，频域拼贴显微)系统使用一个可编程LED阵列来代替普通的显微镜光源，从而将多角度相干光照明引入了传统显微系统中，可以实现宽视场高分辨的成像。在数据采集过程中，依次点亮具有不同入射角的LED光源，并同时采集相应光照下的样本图像。每一张采集到的低分辨率图像都包含不同角度光照下的样本信息，也即是样本不同频谱的信息，因此可以使用一种相位恢复算法将这些图像中包含的信息在空间频域上(傅里叶域)拼贴起来，获得一张高分辨率的样本复振幅图像(即样本的强度图像和相位图像)。FPM方法不需要通过机械扫描就可以获得十亿像素的样本图像，可以极大地拓宽显微物镜的空间带宽积(spatial bandwidth product，SBP)，从而增大显微系统的光学信息通量。

FPM方法的一个主要局限性在于数据采集过程耗时长，在某种程度上可以认为是一种通过牺牲时间分辨率来获得高空间分辨率的方法。FPM的原型系统采用上述的“依次照明” (sequential illumination)策略，需要花费数分钟时间采集超过200张的原始低分辨率图片，以此恢复高分辨率的样本复振幅图像。这个局限使得FPM系统无法观测动态的样本活动，限制了其在生物成像中的应用范围。

研究者们提出了很多方法去解决这个时间消耗的问题，主要有两类，一种方式基于对现有依次照明策略的优化，通过分析样本的稀疏先验来减少冗余数据的采集，或者利用样本图像在空间频域上的自然分布来设计自适应的采集策略。另一种更加有效的方式是利用信息复用的FPM方法(multiplexed FPM，MFPM)，这种方法使用“复用的编码照明”(multiplexed coded illumination)策略，能够在单次的图片采集中实现对于样本空间频域信息的多重采样。由于在MFPM方法中，单张采集图像对应样本空间频谱上的多个区域，而不是像FPM原型系统一样的单个区域，因此需要相机采集的次数大大减少，使得采集时间变短。

MFPM方法的主要局限在于如何将混叠在单张图像中的空间频域信息进行分解，这一欠定的反解问题限制了MFPM方法的复用采集能力，也即对于采集时间缩短的能力。以往的MFPM方法大多数只能将采集时间从数分钟减少到几十秒。最近提出的一种新的MFPM 系统实现了对于管内活体样本的动态观测，但是这种方法需要升级原有FPM系统的控制单元，实现对于LED阵列和相机采集更加精确快速的同步控制，并且需要一款具有非常好的感光能力的相机来采集数据。此外，对于MFPM方法反解过程的优化求解还需要消耗大量的计算时间。

波长复用(wavelength multiplexing)技术在信息传输领域已经被使用了很长时间，特别是在光纤通信和内窥系统中。此外，这项技术近来也被用来实现超快速的光学成像。不同波长的光会各自独立地通过光纤以及其他光学器件，因此波长复用技术可以极大地增强系统的信息传输能力。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于波长复用的频域拼贴显微系统，该显微系统能够提高原始频域拼贴显微系统的数据采集速度，使其能够观测动态样本，并且简单易实现。