[发明专利]一种高对比度编码显微成像系统及方法

权利要求书

1.一种高对比度编码显微成像方法，其特征在于，该方法基于一种高对比度编码显微成像系统实现，所述的高对比度编码显微成像系统包括编码光源模块、显微成像模块及计算机(13)；其中，编码光源模块包含白光光源(1)、光纤(2)、扩束镜(3)、光栅(4)、消色差透镜(5)、数字微镜器件(6)、透镜组(7)和锥形光纤(8)，用于输出编码光源；显微成像模块包含载物台(9)、物镜(10)、透镜(11)及相机(12)，用于采集编码显微图像；编码光源模块中所述的白光光源(1)发出的白光经光纤(2)和扩束镜(3)后形成平行束，经光栅(4)分光后由消色差透镜(5)将相同波长的光汇聚在数字微镜器件(6)的同一微镜单元上，经数字微镜器件(6)反射后由透镜组(7)和锥型光纤(8)耦合成单束光；通过计算机(13)控制数字微镜器件(6)上各微镜单元的角度，用于输出指定波长的光形成编码光，并照射至样本上；显微成像模块中所述载物台(9)上放置样本并由物镜(10)成像，经透镜(11)调整放大倍数后，由相机(12)采集编码显微图像，并在计算机(13)上显示；

所述的成像方法利用带有标签信息的高光谱数据和光谱数据后处理方法，通过一系列线性操作将光谱数据后处理方法变换为一个一维向量，进而获得可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵，基于编码矩阵控制编码光源模块输出可实现高对比度编码显微成像的编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像。

2.根据权利要求1所述的一种高对比度编码显微成像方法，其特征在于，编码光源模块中，利用锥形光纤(8)将由透镜组(7)汇聚的光进一步缩束并准直，用于提高照射到样本上的光照强度和均匀度；其中，锥形光纤的一端由多根光纤组成直径较粗的光纤束，用于尽可能的收集编码光；另一端为直径相对较细的单根光纤，用于实现高强度、均匀的照明；光纤束与单根光纤之间通过光锥连接，用于将光束缩束。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集编码光源照明下的高对比度编码显微图像的步骤如下：

步骤一、利用主成分分析获得变换向量U₁；计算样品高光谱数据H的协方差矩阵D，按特征值由大到小排列后，取其中特定数量的前几个特征向量作为变换向量U₁，并计算对应的特征值s；

步骤二、利用线性判别方法获得变换向量U₂；基于步骤一中所获得的特征值s和标签矩阵Y，计算类内散度矩阵M_in和类间散度矩阵M_out，则变换向量U₂为M_in的逆矩阵与M_out的乘积；

步骤三、计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵T＝U₁U₂；

步骤四、若编码矩阵T为非负，则利用编码光源模块直接生成成像编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像；若编码矩阵T中存在负值，则将编码矩阵T分解为非负的成像编码矩阵T₁和非负的补偿编码矩阵T₂；其中，补偿编码矩阵T₂中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T₁及补偿编码矩阵T₂满足T＝T₁-T₂，继续执行步骤五；

步骤五、根据步骤四中的成像编码矩阵T₁及补偿编码矩阵T₂，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源；

步骤六、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的显微图像I₁和补偿编码光源照明下的显微图像I₂；

步骤七、将成像编码光源照明下所采集的样品显微图像I₁与补偿编码光源照明下所采集的样品显微图像I₂相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度样品编码显微图像。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集编码光源照明下的高对比度编码显微图像的包括步骤如下：

步骤一、利用伪逆法，基于样品高光谱数据H和标签矩阵Y，计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵T，则编码矩阵T＝YH^T(HH^T)^-1；

步骤二、若编码矩阵T为非负，则利用编码光源模块直接生成成像编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像；若编码矩阵T中存在负值，则将编码矩阵T分解为非负的成像编码矩阵T₁和非负的补偿编码矩阵T₂；其中，补偿编码矩阵T₂中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T₁及补偿编码矩阵T₂满足T＝T₁-T₂，继续执行步骤三；

步骤三、根据步骤四中的成像编码矩阵T₁及补偿编码矩阵T₂，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源；

步骤四、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的显微图像I₁和补偿编码光源照明下的显微图像I₂；

步骤五、将成像编码光源照明下所采集的样品显微图像I₁与补偿编码光源照明下所采集的样品显微图像I₂相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度样品编码显微图像。