基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统及方法与流程

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统及方法。

背景技术：

双光子显微镜，可以实现在散射生物组织中的高质量成像，获得亚细胞的空间分辨率，因此，作为“黄金标准”，被广泛用于细胞水平生物过程的研究中。作为研究细胞行为的内窥探针，梯度折射率透镜(grinlens)广泛用于微型双光子内窥显微成像中；grinlens具有优异的光学性能、小巧的结构和易于组装的特性，非常适合活体样本的体内深层组织成像，且具有微创性的优点。

然而，grinlens固有的低空间分辨率和较低的光收集效率，限制了其它在多种生物医学场景下应用的性能。主要原因是，当光照通过单模的grinlens时，只有小角度光线可以聚焦。相反地，部分大角度光线不能被grinlens的内部边界反射，而会从girnlens的边界折射出去。即使剩余的部分大角度光线能够由内壁反射，也不一定能够汇聚到理想的聚焦点，反而会产生像差。

所有发射和散射的光子都携带着有意义的信号，因而上述不能被聚焦的大角度入射光学，具备使grinlens成像系统拥有更好的成像性能(更高的光收集效率和更高空间分辨率)的潜力。为了收集尽可能多的发射光子以获得高对比度的成像质量，先前已有研究通过对grinlens外侧添加银制镀膜，实现所有入射方向光线的全内反射，得到了约2倍光效率。然而，系统的空间分辨率仍然受限。

另外，通过自适应光学(adaptiveoptics，ao)方法调制光学系统的光照或者采集psf(point-spreadfunction，点扩散函数)，获得更好的成像质量并消除像差，已经被广泛应用于显微成像的各个领域。通过遗传算法(geneticalgorithm，ga)实现光照端的相位图样优化，具有不需要已知系统的先验，而实现psf调制和成像性能优化的特点，已被用于实现穿散射截止的光照聚焦和多模光纤的光照调制等应用当中。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统，该系统提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

本发明的另一个目的在于提出一种基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统，包括：光照模块、lcos器件、4f系统、激发镜组、样本、检测镜组、相机和控制器。

其中，所述光照模块，用于提供准直的、光束大小和预定偏振特性的激光光照；

所述lcos器件设置在所述激光光照的傅里叶面，用于调制所述激光光照的相位；

所述4f系统，用于调整所述激光光照的光束尺寸，匹配后级物镜的前焦面大小；

所述激发镜组，用于产生在样本面聚焦的点状光照；

所述检测镜组，用于采集所述点状光照的点扩散函数图像；

所述控制器，用于同时控制所述lcos器件的相位图样变化和相机的点扩散函数图像采集，以实现实时反馈和遗传算法优化。

本发明实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统，通过实时反馈系统和遗传算法，搜索最优的相位图样，通过lcos投影该优化相位图样，以此调制光照的psf，实现在样本面上光束的尽可能聚焦，得到尺寸更小的光照激发点，从而提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

另外，根据本发明上述实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光照模块包括：激光光源、扩束器和偏振片；其中，

所述扩束器是一个由两个透镜组成的4f系统，用于扩大所述激光光照的光束直径，使所述光束直径的尺寸与所述lcos器件投影面大小匹配；

所述偏振片，用于调整所述激光光照的偏振方向，使所述偏振方向符合所述lcos器件投影面的偏振特性，以实现相位调制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在两个透镜之间的傅里叶面上放置一个预设直径的微型小孔，作为空间滤波器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述lcos器件，用于投影随机相位图样以调制光照的波前分布，并在反馈与迭代过程中不断优化所投影的相位图样，以实现光照聚焦和消除像差。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述4f系统，包括：两个透镜，用于调整所述激光光照的光束尺寸，以使将相位图样投影在后级光照物镜的前焦面上，且尺寸大于前焦面的范围，并由扫描振镜组成的扫描系统，放置在两个透镜之间的傅里叶面上，实现光束在样本平面上的二维点扫描。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述激发镜组包括：光照物镜和梯度折射率透镜；所述光照物镜和所述梯度折射率透镜收集各个角度的入射光线，并在样本平面上将其汇聚成一个点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测镜组，包括物镜和匹配的套管透镜，用于放大光照点扩散函数，并将所述点扩散函数中继到后级的相机传感器上，对所述点扩散函数图像进行采集。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像方法，包括以下步骤：通过实时反馈系统和遗传算法，搜索相位图样，通过lcos器件投影所述相位图样，以此调制光照的点扩散函数图像，实现在样本面上光束的聚焦，得到尺寸更小的光照激发点，所述方法包括以下步骤：

初始化步骤，随机生成初始化的相位图样种群，并设置相关参数；

显示步骤，依次显示当前种群中的相位图样，同时通相机过采集被调制的相应光照psf，根据采集的图像计算每一个相位图样对应的损失值，直到当前种群中的相位图样都显示过一次；

排序步骤，根据计算出的所述损失值对当前种群中对应的相位图样进行排序，所述损失值越大排序越高；

选择步骤，根据上述排序，按照概率在当前种群中分别选取一个ma图样和pa图样，基本原则是排序越高的相位图样被选中的概率越高；

繁殖步骤，每次随机产生一个二值矩阵m作为掩膜，利用公式ot＝ma·m+pa·(1-m)产生一个临时的子代ot；

变异步骤，将上述临时子代ot中按照设置的变异概率选取数个元素，在0～2π之间等概率地随机改变其相位值，产生真正的子代of；

重复繁殖步骤和变异步骤，直到产生与预设数量一致的子代；

替换步骤，利用新产生的子代替换当前种群中损失值排序靠后的部分相位图样，获得新的种群；

按照以上步骤经过数千次迭代，得到最终的优化相位图样；通过该优化相位图样的调制，经过梯度折射率透镜之后的光束聚焦到样本面上。

本发明实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像方法，通过实时反馈系统和遗传算法，搜索最优的相位图样，通过lcos投影该优化相位图样，以此调制光照的psf，实现在样本面上光束的尽可能聚焦，得到尺寸更小的光照激发点，从而提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

另外，根据本发明上述实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初始化步骤，包括：

设定相关参数包括总迭代次数、相位图样的种群数量、子代数量和突变概率；

使用随机分布产生初始化的相位图样种群，图样中的每个元素随机取值为0～2π中的一个，步长为π/4；

利用4f系统调整相位图样的尺寸，使其大于光照物镜前焦面的大小；

在lcos器件上投影相位图样时，将预设大小的像素块设置具有相同的相位值，以获得稳定的波前调制性能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述显示步骤中每个相位图样对应的所述损失值，等价于相机采集到图像中，中间部分数十个像素值的总和。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统的系统框图；

图3为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜(grinlens)显微成像系统的结构图；

图4为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜(grinlens)显微成像方法的流程图。

具体实施方式

下面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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统及方法。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统。

图1为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统结构示意图。

如图1所示，该梯度折射率透镜显微成像系统包括：光照模块100、lcos器件200、4f系统300、激发镜组400、样本500、检测镜组600、相机700和控制器800。

其中，光照模块100用于提供准直的、光束大小和预定偏振特性的激光光照。

lcos器件200设置在激光光照的傅里叶面，用于调制激光光照的相位。

4f系统300用于调整激光光照的光束尺寸，匹配后级物镜的前焦面大小。

激发镜组400用于产生在样本500面聚焦的点状光照。

检测镜组600用于采集点状光照的点扩散函数图像。

控制器800用于同时控制lcos器件的相位图样变化和相机700的点扩散函数图像采集，以实现实时反馈和遗传算法优化。

该系统提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光照模块100包括：激光光源、扩束器和偏振片，提供准直的、光束大小和偏振特性恰当的激光光照。

其中，扩束器是一个由两个透镜组成的4f系统，用于扩大激光光照的光束直径，使光束直径的尺寸与lcos器件投影面大小匹配；

偏振片，用于调整激光光照的偏振方向，使偏振方向符合lcos器件投影面的偏振特性，以实现相位调制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在两个透镜之间的傅里叶面上放置一个预设直径的微型小孔，作为空间滤波器。其中，预设直径可以为20um。

进一步地，在本发明的一个实施例中，lcos器件，用于投影随机相位图样以调制光照的波前分布，并在反馈与迭代过程中不断优化所投影的相位图样，以实现光照聚焦和消除像差。

进一步地，在本发明的一个实施例中，4f系统，包括：两个透镜，用于调整激光光照的光束尺寸，以使将相位图样投影在后级光照物镜的前焦面上，且尺寸大于前焦面的范围，并由扫描振镜组成的扫描系统，放置在两个透镜之间的傅里叶面上，实现光束在样本平面上的二维点扫描。

进一步地，在本发明的一个实施例中，激发镜组包括：光照物镜和梯度折射率透镜；光照物镜和梯度折射率透镜收集各个角度的入射光线，并在样本平面上将其汇聚成一个点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，检测镜组，包括物镜和匹配的套管透镜，用于放大光照点扩散函数，并将点扩散函数中继到后级的相机传感器上，对点扩散函数图像进行采集。

其中，本发明实施例提出的是一个概念验证的系统，与实际的双光子荧光成像系统略有不同，为了简单起见，省略了一些常用的其他光学元件，如滤光片和二向色镜等。

本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜(grinlens)显微成像系统，搭建一个原型系统，来实现对于grinlens光照psf的优化调制，利用遗传算法搜索优化的相位图样，调制系统光照，以实现波前聚焦，从而提升基于梯度折射率透镜的双光子内窥显微成像系统的成像质量，包括提升光效率、空间分辨率和矫正系统像差等方面。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，该显微成像系统包括：光照模块100、lcos器件200、4f系统300、激发镜组400、样本500、检测镜组600、相机700(相机中有相机传感器)以及控制器800可以为计算机。

具体地，光照模块100，包括激光光源101、扩束器102和偏振片103，提供准直的、光束大小和偏振特性恰当的激光光照；lcos器件200，放置在光照的傅里叶面，用以实现对于光照波前的相位调制；4f系统300，调整光束尺寸，匹配后级物镜401的前焦面大小；激发镜组400，包括物镜1(401)和grinlens(402)，产生在样本500面聚焦的点状光照；检测镜组600，或者称成像透镜组，包括物镜2(601)和匹配的套管透镜602，以及后级的相机700，一起用以采集光照的psf图像；计算机800，用作控制器，同步控制lcos器件200的相位图样变化和相机700的图像采集，以实现实时反馈和遗传算法优化。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，光照模块100，其中，扩束器101是一个由两个透镜组成的4f系统，用以扩大原始激光光束的直径，使其尺寸与后级的lcos器件200投影面大小匹配。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光照模块100，在两个透镜之间的傅里叶面上放置一个直径为20um的微型小孔，用作空间滤波器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光照模块100，使用一个偏振片来调整光照的偏振方向，使其符合lcos器件200投影面的偏振特性，实现相位调制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，lcos器件200，投影随机相位图样以调制光照的波前分布，并在反馈与迭代过程中不断优化所投影的相位图样，最终实现光照聚焦和消除像差等目的。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，4f系统300，包含两个透镜，用以调整光束尺寸，使得将相位图样投影在后级光照物镜401的前焦面上，且尺寸略大于其前焦面的范围；由扫描振镜组成的扫描系统，放置在两个透镜之间的傅里叶面上，实现光束在样本平面上的二维点扫描。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，激发镜组400，光照物镜401和grinlens(402)收集各个角度的入射光线，并在样本500平面上将其汇聚成一个点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，检测镜组600，用来放大光照psf，并将其中继到后级的相机传感器700上，对光照psf的图像进行采集。

根据本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统，通过实时反馈系统和遗传算法，搜索最优的相位图样，通过lcos投影该优化相位图样，以此调制光照的psf，实现在样本面上光束的尽可能聚焦，得到尺寸更小的光照激发点，从而提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像方法。

图4为根据本发明一个实施例的基于波前聚焦的梯度折射率透镜(grinlens)显微成像方法的流程图。

如图4所示，该基于波前聚焦的梯度折射率透镜(grinlens)显微成像方法包括以下步骤：通过实时反馈系统和遗传算法，搜索相位图样，通过lcos器件投影所述相位图样，以此调制光照的点扩散函数图像，实现在样本面上光束的聚焦，得到尺寸更小的光照激发点。

其中，具体步骤为：

s1，初始化步骤，计算机800随机生成初始化的相位图样种群，并设置其他相关参数。

s2，显示步骤，lcos器件200依次显示当前种群中的相位图样。

s3，图像采集，通过相机700采集被调制的相应光照psf。

s4，损失值计算，计算机800根据采集的图像计算每一个相位图样对应的损失值(costvalue)，直到当前种群中的相位图样都显示过一次。

s5，排序步骤，计算机800根据计算出的损失值对当前种群中对应的相位图样进行排序，损失值越大排序越高。

s6，选择步骤，计算机800根据上述排序，按照概率在当前种群中分别选取一个ma图样和pa图样，基本原则是排序越高的相位图样被选中的概率越高，其中，ma表示母本图样，pa表示父本图样，用以进一步生成遗传变异的掩膜图样。

s7，繁殖步骤，计算机800每次随机产生一个二值矩阵m作为掩膜，利用公式ot＝ma·m+pa·(1-m)产生一个临时的子代ot。

s8，变异步骤，计算机800将上述临时子代ot中按照设置的变异概率选取数个元素，在0～2π之间等概率地随机改变其相位值，产生真正的子代of。重复繁殖步骤和变异步骤，直到产生与预设数量一致的子代。

s9，替换步骤，计算机800利用新产生的子代替换当前种群中损失值排序靠后的部分相位图样，获得新的种群。

s10，获得最优图样，按照以上步骤经过数千次迭代，得到最终的优化相位图样；通过该优化相位图样的调制，经过girnlens(402)之后的光束能够很好地聚焦到样本500面上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，初始化步骤主要包括：

设定参数包括总迭代次数(5000～10000次)、相位图样的种群数量(30～60)、子代数量(为种群图样数量的1/2或1/3)、突变概率(固定或递减)；

使用随机分布产生初始化的相位图样种群(一个矩阵集合)，图样中的每个元素随机取值为0～2π中的一个，步长为π/4；

利用上述4f系统300调整相位图样的尺寸，使其略大于光照物镜401前焦面的大小；

在lcos器件200上投影相位图样时，将适当大小的像素块(例如10×10像素)设置具有相同的相位值，类似于一种下采样，以获得稳定的波前调制性能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，显示步骤中每个相位图样对应的的损失值，可以简单等价于相机700采集到图像中，中间部分数十个像素值的总和

需要说明的是，前述对基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于波前聚焦的梯度折射率透镜显微成像系统，通过实时反馈系统和遗传算法，搜索最优的相位图样，通过lcos投影该优化相位图样，以此调制光照的psf，实现在样本面上光束的尽可能聚焦，得到尺寸更小的光照激发点，从而提升基于grinlens成像系统的光效率和空间分辨率，并消除系统中的误差和光学像差。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。