基于lcd液晶面板的可编程孔径显微镜系统的光场成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微 镜系统及其光场成像方法。
【背景技术】
[0002] 传统光学显微镜每次只能观察三维样品的一个二维切面图像。通过移动载物台， 可以观察样品不同深度的信息。然而，这种机械对焦系统往往需要人为操作，耗时复杂。对 于许多动态物体或快速变化的场景，获得其所有深度上的图像信息往往难以实现（姜志 国，薛斌党，周孝宽.基于光学显微镜的三维成像技术[J].红外与激光工程，2006, 35)。
[0003] 光场成像是近年来新兴的一种计算成像方式。光场是表示光辐射分布的函数，反 映了光波动强度与光波分布位置和传播方向之间的映射关系。光场成像通过记录光辐射在 传播过程中的四维位置和方向的信息，相比只记录二维的传统成像方式多出2个自由度， 因而在图像重建过程中，能够获得更加丰富的图像信息。采用光场成像的显微镜被称为光 场显微镜，其需要在显微镜成像系统的一次像面处插入一个微透镜阵列，每个微透镜记录 的光线对应相同位置不同视角的场景图像，从而得到一个四维光场。额外微透镜阵列的引 入增加了系统的成本。此外，传统的光场显微镜多出的二维角度信息是以牺牲一定的空间 分辨率为代价的，二者之间存在一个折衷。现有光场显微镜普遍存在图像空间分辨率不能 满足需求的问题，如果加大图像空间分辨率的同时，兼顾轴向分辨率，则会对光电探测器件 提出更高要求。这是当前制约光场成像技术的一个瓶颈，如何解决二者之间的矛盾，是光场 成像中的一个关键问题（聂云峰，相里斌，周志良.光场成像技术进展[J].中国科学院 大学学报，2011，28(5) :563-572.)。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统的光场 成像方法，实现全分辨率光场图像的采集和"数字聚焦"，避免了传统显微镜中需要频繁收 到切换载物台距离以实现对焦的复杂操作。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜 系统的光场成像方法，通过显微成像系统和LCD液晶面板的4f系统采集图像，然后进行数 据处理，步骤如下：
[0006] 步骤一：光场子图像采集，顺次点亮LED阵列中每个像素点或顺次使LCD液晶面板 中的每个像素点透光，相机采集相对应的图像，设LCD液晶面板中共包含M个像素，那么共 计拍摄M幅图像，将这些图像记作I ni (X，y)，m = 1，2,. . . .，M，称之为光场子图像，其中（X，y) 代表图像平面的二维坐标；对于每幅光场子图像，其都对应了一个光场视角（ΘΜ，0 yn)，m 代表光场视角对应像素的个数；
[0007] 步骤二：确定所需要计算的焦距，即成像深度z，将步骤一中采集得到的M幅光场 子图像按规则循环平移；
[0008] 步骤三：将步骤二所得到的平移后的光场子图像/,:,(Λ·,.ν) , m = 1，2, . . . .，M按像素 对应相加，即得到了焦距（成像深度）在z处的重构图像 Q-
[0009] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)可实现全分辨率光场成像，不存在传统 光场成像中空间分辨率与角分辨率的矛盾问题。（2)可灵活实现先拍照，后聚焦，可以不移 动样品的载物台，直接通过计算的方式获得不同深度样品图像，即利用LCD液晶面板实现 空间光调制器的功能，从而实现显微镜系统孔径平面光强分布的灵活可控。通过使LCD液 晶面板中的每个像素点透光，相机采集相对应的图像，采集光场子图像。然后确定所需要计 算的焦距（成像深度），将光场子图像循环平移后叠加，即得到了所对应成像深度处的重构 图像。（3)运算简单，易于实时执行。由于这三大优点，该显微成像方法可望在植物学、动物 学、细胞生物学、半导体、材料科学、纳米技术、生命科学、医学诊断等众多领域得到广泛应 用。
[0010] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明基于IXD液晶面板的可编程孔径显微镜系统原理图。
[0012] 图2是IXD液晶面板中每个像素点的坐标系不意图。
[0013] 图3是基于IXD液晶面板可编程孔径显微镜采集到的100幅光场子图像。
[0014] 图4是采用本发明方法的对苍蝇口器标本进行光场重聚焦的重构图像，聚焦深度 z = -32 μ m〇
[0015] 图5是直接移动载物台对苍蝇口器标本进行拍摄的图像，聚焦深度z = -32 μπι。
[0016] 图6是采用本发明方法的对苍蝇口器标本进行光场重聚焦的重构图像，聚焦深度 ζ = 63 μ m〇
[0017] 图7是直接移动载物台对苍蝇口器标本进行拍摄的图像，聚焦深度ζ = 63 μπι。
【具体实施方式】
[0018] 结合图1，本发明基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统其基于两部分构成， 一部分为显微成像系统1，另一部分是一个包含IXD液晶面板的4f系统2,这两部分在图1 中分别由虚线框标出。所述的显微成像系统1可直接采用现有的显微镜系统，也可以自行 构建，其主要包括集光镜3、聚光镜孔径光阑4、聚光镜5、待测样品6、显微物镜7、反射镜8、 与镜筒透镜9。其中集光镜3将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑4,聚光镜孔径光阑大小可调， 控制照明的通光孔径，通光聚光镜孔径光阑4发散后又被聚光镜5收集后照射样品，透射过 样品的光被显微物镜7收集，并经过镜筒透镜9放大后成像在显微镜相机端口的图像平面 10。
[0019] 所述的包含IXD液晶面板的4f系统2是系统的核心部分，包括第一透镜L1IU 第二透镜L213、LCD液晶面板12以及单色CCD相机14(采用The Imaging Source DMK 41AU02, 1280X960,4. 65 μπι pixel size, 15fps)。第一透镜 L1IU第二透镜1^13 的焦距 f =A= f2。第一透镜L1Il和第二透镜L213构成一个标准的4f成像系统，即：第一透镜L 1Il 到显微镜图像平面10的端口的距离为Π ，第二透镜L211到C⑶相机14成像平面的端口的 距离为f2,两透镜之间的距离是fl+f2。IXD液晶面板12放置于4f系统的傅里叶平面，即 第一透镜L 111和第二透镜L213之间，距离第一透镜L111的距离为f 1，距离第二透镜L213的 距离为f2。
[0020] 以具体例子予以说明，第一透镜L1IU第二透镜1^13的焦距f = f\= f2= 150mm。 则第一透镜L1Il和第二透镜L213构成一个标准的4f成像系统，即：第一透镜L 1Il到显微 镜图像平面10的端口的距离为Π = 150mm，第二透镜L211到C⑶相机14成像平面的端口 的距离为f2 = 150mm，两透镜之间的距离是fl+f2 = 300mm。IXD液晶面板12放置于4f系 统的傅里叶平面，即第一透镜L1Il和第二透镜L213之间，距离第一透镜L 1Il的距离为Π =150mm，距离第二透镜L213的距离为f2 = 150mm。1^和L2的焦距可以是相同的，但是实 际上它们可以选用不同的焦距，这里为了方便起见以f = A= f2= 150mm说明。
[0021] LCD液晶面板12是作为一种透射型空间光调制器来使用的，其可以是基于TN型的 灰度液晶面板。面板尺寸，像素分辨率与