基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的制作方法

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统。

背景技术：

FPM(Fourier Ptychography Microscopy，频域拼贴显微)是一种能够同时满足宽视场和高分辨的显微成像方法。该方法通过采集对应不同空间频率的低分辨样本图像，并将这些低分辨显微图像在傅里叶域进行拼贴，来恢复宽视场高分辨图像的显微成像方法，该方法同时能够恢复样本的相位信息和一定厚度的三维重建。该方法能够获得很大的空间带宽积(Spatial Bandwidth Product，SPB)，从某种程度上突破光学系统的衍射极限，因而在光学生物成像方面有着重要的应用。

目前，FPM系统有两种实现方式，原型系统是基于LED阵列的光照端FPM系统，另一种是基于机械扫描(Aperture Scanning)的采集端FPM系统。基于LED阵列的光照端FPM系统，是通过变光照(结构光)来实现对于样本图像不同空间频谱信息的扫描和采样，系统需要将显微镜的宽场照明替换为一块LED面板(比如15*15的正方形点阵)，控制器每次点亮一个LED的同时采集一张低分辨图像，然后使用这些采集到的图像来恢复宽视场高分辨(大SBP)的显微图像；而基于机械扫描的采集端FPM系统，需要将样本图像的光圈面引出，然后在光圈面上放置一个通过电机机械控制的大小可调的光圈。通过参数计算确定光圈的大小，然后同步控制光圈扫描不同的空间频谱位置并采集相应的图像，最后，根据拼贴算法将多张低分辨率图像重建并恢复宽视场高分辨的样本图像。

上述两种实现方式的基本原理类似。其中，基于LED阵列的光照端FPM系统中，每个LED离都样本较远，发出的光可以看作是平行光，也就是平面波入射到样本上。LED阵列(面板)上不同平面位置的LED发出的光的照射到样本上的角度不一样。根据傅里叶光学的角谱理论，不同入射角度的平面波对应不同空间频率，因此不同角度入射的LED光源照亮样本，能够获得对应不同空间频率的图像细节。详细来说，不同的入射角度对应的相位偏移，相对于垂直入射的平面波来说，相当于乘上了一个与角度相关的纯相移因子。由傅里叶变换的性质可知，函数在空间域的相移对应傅里叶面的位移，因此不同角度的光照相当于与用一个带通滤波器在光圈的进行扫描。另一方面，采集端机械扫描则是直接通过光圈器件进行扫描式地空间频率滤波，以采集对应不同空间频率的低分率图像。

也就是说，上述两种实现方式的基本原理以及重构算法是基本相同的，并且都完成了类似的功能，但是都有相应的不足。简要来说，基于LED阵列的光照端FPM系统的不足在于：该系统只适用于很薄的透明或者半透明样本，这是由于基于LED阵列的变光照是在样本的入射面进行调制，如果样本过厚，则经过样本时，波前在样本不同的深度都会被改变，出射波相当于入射波卷积了多层样本深度信息，则成像端将采集不到正确的入射端被调制图像。另一方面，基于机械扫描的采集端FPM系统的不足在于：(1)该系统的照明端是不变的平行光，因此分辨率受限于物镜的NA，该系统通过多次复用成像传感器，能够使用性能很差、分辨率较低的传感器拍到高分辨率的图像；(2)由控制器控制的机械扫描速度较慢，且扫描的方式不能灵活的控制，尤其是不能进行多光圈的复用采集。

目前有一种同样基于LED阵列的光照端FPM系统的迭代算法被提出，该算法克服传统LED阵列FPM算法对于样本厚度的限制(很薄)，能够对厚度达到100um的透明样本进行宽视场高分辨显微图像的恢复，并且该算法能够对该厚样本进行三维重建。然而该算法的收敛性和算法效率较差，对样本采集数据的敏感性较高。因此，总的来说，相关技术中的FPM(频域拼贴显微)系统和方法都各有不足，有待改进。

技术实现要素：

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空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，该系统能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，包括：显微镜，用于通过相机引出口将显微样本放大到像平面；中继模块，用于将所述显微样本所成像的光圈面缩小，以使该光圈面与后级空间光调制器屏幕的大小相适应；频谱调制模块，所述频谱调制模块包括偏振分光棱镜和空间光调制器，通过调节所述频谱调制模块的前后距离，以使空间光调制器屏幕上恰好是样本所成像的光圈面；相机成像模块，所述相机成像模块包括尺寸匹配的成像镜头和相机传感器，以接收由空间光调制器进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜斜面发射的光信号，并采集相应的样本图像；控制器，所述控制器与空间光调制器和相机传感器同时相连，用于同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。

另外，根据本发明上述实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述显微镜的光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片，并通过调节显微镜聚光镜孔径的大小，获得单色平行光照明。

在一些示例中，所述中继模块包括中继透镜和偏振片，所述中继透镜和偏振片的光学孔径与所述显微镜的光学孔径相匹配。

在一些示例中，所述中继模块通过调节偏振片的旋转方向来选取特定偏振方向的光透过，以消除系统中的部分背景杂光。

在一些示例中，所述偏振分光棱镜将入射光分成垂直和水平两路光，并将其中一路光投射到后一级空间光调制器的屏幕上；所述空间光调制器偏振原理对投射到屏幕上的光圈面信号进行强度调制，产生对应不同空间频谱的出射光。

在一些示例中，所述空间光调制器为LCOS器件。

在一些示例中，所述相机成像模块中成像镜头的光学孔径与所述频谱调制模块投射出的成像尺寸相匹配，选取的相机传感器的采集分辨率弱于光学系统的分辨率。

在一些示例中，所述相机成像模块将成像镜头和相机传感器放置在预设位置，以采集预设视场大小和放大倍数的样本图像。

根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。另外，该系统采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；还可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种如本发明上述第一方面实施例所述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法，所述显微镜相机引出口成像的光学孔径与中继模块、频谱调制模块以及成像模块的光学尺寸均相互匹配，所述方法包括以下步骤：调整显微镜的聚光镜和放置滤光片以获得单色平行光，并通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面；通过所述中继透镜将光圈面缩小到与空间光调制器屏幕匹配的大小；调节偏振分光棱镜和空间光调制器的前后位置，使得成像的光圈面恰好在空间光调制器的屏幕上；将成像镜头和相机传感器放置在预设位置，以采集预设视场大小和放大倍数的样本图像；通过控制器同步控制空间光调制器和相机传感器，进行频谱调制和图像采集，获得对应于不同空间频率的多张低分辨图像；通过迭代重构算法，将采集得到的多张低分辨图像在傅里叶域进行频谱拼贴，恢复相应的高分辨图像和相应的相位图像。

另外，根据本发明上述实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述频谱调制模块与相机成像模块之间有一个90度的弯折角，该方法还包括：将显微镜相机引出口的光轴与中继模块、频谱调制模块以及相机成像模块进行光学校准。

根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法，能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。另外，该方法采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；还可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速。

本发明的附加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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的系统框图；

图2是根据本发明一个实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的重构算法对于合成的高分辨复振幅图像恢复出准确强度和相位信息的仿真示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的重构算法对于USAF-1951分辨率板的仿真结果，以及对蜘蛛腿样本数据集恢复出高分辨图像和相位的示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的采集静态USAF-1951分辨率板和睡莲茎横切样本的低分辨图像恢复出高分辨图像和相位的示意图；

图6是根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法的流程图。

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统及其控制方法。

图1是根据本发明一个实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的系统框图。如图1所示，该系统10包括：显微镜100、中继模块200、频谱调制模块300、相机成像模块400及控制器500。

其中，显微镜100用于通过相机引出口将显微样本放大到像平面。

在本发明的一个实施例中，显微镜100的光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片，并通过调节显微镜100聚光镜孔径的大小，获得单色平行光照明。进一步地，单色平行光可以看作是相干的单色平面波，因此，整个系统是基于相干光照明的光学系统。

中继模块200用于将显微样本所成像的光圈面缩小，以使该光圈面与后级空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)302的屏幕的大小相适应。

在本发明的一个实施例中，中继模块200包括中继透镜201和偏振片202，中继透镜201和偏振片202的光学孔径与显微镜的光学孔径相匹配。进一步地，中继模块200通过调节偏振片202的旋转方向来选取特定偏振方向的光透过，以消除系统中的部分背景杂光。

频谱调制模块300包括偏振分光棱镜301和空间光调制器302，通过调节频谱调制模块300的前后距离，以使空间光调制器302屏幕上恰好是样本所成像的光圈面。

具体地，在本发明的一个实施例中，偏振分光棱镜301将入射光分成垂直和水平两路光，并将其中一路光投射到后一级空间光调制器302的屏幕上。空间光调制器302通过偏振原理对投射到屏幕上的光圈面信号进行强度调制，产生对应不同空间频谱的出射光。其中，空间光调制器302例如为LCOS(Liquid crystal on silicon，液晶附硅)器件。

相机成像模块400包括尺寸匹配的成像镜头401和相机传感器402，以接收由空间光调制器302进行频谱调制并再次经过偏振分光棱镜301斜面发射的光信号，并采集相应的样本图像。

在本发明的一个实施例中，相机成像模块400中成像镜头401的光学孔径与频谱调制模块300投射出的成像尺寸相匹配，选取的相机传感器402的采集分辨率弱于光学系统的分辨率。

进一步地，相机成像模块400将成像镜头401和相机传感器402放置在预设位置，以采集预设视场大小和放大倍数的样本图像。其中，预设位置根据实际需求而设定。换言之，即相机成像模块400中通过将成像镜头401和相机传感器402放置在合适的位置，以采集适当视场大小和放大倍数的样本图像。

在本发明的一个实施例中，例如，频谱调制模块300与相机成像模块400之间有一个90度的弯折角。基于此，需要将显微镜100相机引出口的光轴与中继模块200、频谱调制模块300以及相机成像模块400进行光学校准。

控制器500与空间光调制器302和相机传感器402同时相连，用于同步控制频谱调制和图像采集，快速采集多张不同空间频谱下的低分率图像，以获取恢复单帧高分辨率图像或多帧高分辨率视频所需的原始图像数据。

换言之，根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，通过控制器同步控制空间光调制器LCOS和相机传感器，快速获得对应于不同空间频率的多张低分辨图像；通过迭代重构算法将采集到的低分辨图像在傅里叶域进行拼贴，来恢复出超出相机传感器采集能力的高分辨率的图像或视频，并且保证原来的视野范围不变，同时恢复出样本的相位信息。最后，以恢复出的高分辨率图像和相位为基础，通过传播算法恢复样本的三维信息。

进一步地，该系统利用空间光调制器LCOS上的“模式(pattern)移动”代替机械扫描，能够重建比光照端LED阵列系统更厚的样本，且能够比机械扫面更加快速和灵活，并能够实现频谱的复用采集，来进一步提升采集速度。

综上，本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的主要结构及原理可概述为：通过相机引出口将显微样本放大到像平面的显微镜，显微镜光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片；中继模块，由偏振片和中继透镜组成，将样本所成像的光圈面缩小到与后级空间光调制器屏幕相适应的大小；频谱调制模块，由偏振分光棱镜和空间光调制器组成，通过调节该模块的前后距离，使得空间光调制器屏幕上恰好是样本所成像的光圈面；成像模块，由成像镜头和传感器构成，进行图像采集并由计算机存储；控制器，对空间光调制器和图像采集进行同步，以获取对应不同空间频率的多幅图像。本发明实例的系统，通过对获取的对应不同空间频率的低分辨图像进行频域拼贴，从而获得相同视场下的高分辨强度图像和相位信息。由于系统采集图片的速度很快(约1帧/1秒)，因此可以在一定程度上实现对于生物样本动态过程的观测，比如癌细胞凋零等。

根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。另外，该系统采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；还可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速。

为了便于更好地理解本发明，以下结合附图，以具体的实施例对本发明上述实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统做进一步详细描述。

在本实施例中，基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统可简称为LC-FPM(LCOS based Capture-side Fourier Ptychography Microscopy，基于LCOS的采集端频域拼贴显微成像)系统。结合图2所示，该LC-FPM系统10包括：显微镜100、中继模块200、频谱调制模块300、成像模块400和控制器500。其中，中继模块200包括：中继透镜201和偏振片202；频谱调制模块300包括：偏振分光棱镜301和空间光调制器(LCOS)302；成像模块400包括：成像镜头401和相机传感器402。

具体地，显微镜100首先通过窄带滤波片101获得单色光照明，然后通过显微镜的相机引出口102将显微样本放大到像平面。中继模块200将样本所成像的光圈面缩小到与后级的空间光调制器302的屏幕相适应的大小。频谱调制模块300通过调节前后距离，使得空间光调制器302的屏幕上恰好是样本成像的光圈面，并通过空间光调制器302进行频谱调制。成像模块400采集对应不同空间频谱的低分辨率图像。控制器500与空间光调制器302和相机传感器402同时相连，对空间光调制器302的频谱调制过程和相机传感器402的图像采集过程进行同步控制。

进一步地，在本实施例中，中继模块200包括中继透镜201和偏振片202两个部分，两部分的光学孔径均与显微镜的光学孔径相匹配。中继模块200中通过调节偏振片202的旋转方向来选取特定偏振方向的光透过，以此来消除系统中的部分背景杂光。

进一步地，在本实施例中，频谱调制模块300包括：偏振分光棱镜301和空间光解调器302。偏振分光棱镜301将入射光分成垂直和水平两路光，并将其中一路光投射到后一级空间光调制器302的屏幕上；空间光调制器302(例如为LCOS器件)通过偏振原理对投射到屏幕上的光圈面信号进行强度调制，产生对应不同空间频谱的出射光。

进一步地，在本实施例中，相机成像模块400中成像镜头401的光学孔径与频谱调制端300投射出的成像尺寸相匹配，选取的成像传感器402的采集分辨率弱于光学系统的分辨率。

具体地，参照图2所示，为了能够采集大视场下对应显微样本600不同空间频谱的低分率图像，控制器500同步控制空间光调制器302和相机传感器402。其中，空间光调制器302放置在光学系统的光圈面上，显示经过计算得到的不同模式(pattern)图像，模式图像按照固定的时间间隔变化，对应光圈面上不同的空间频谱。同时，对应每一个模式图像，相机传感器402同步采集一张低分辨图像。通过精确采集到的不同空间频谱的低分辨图像，本发明实例能够获得同样大视场下的显微样本600高分辨图像和计算出相位，并可以获得一定厚度的三维信息。

作为具体的实施例，参照图2所示，展示了LC-FPM系统10的光学原理示意图。其中，为方便原型系统构建，本发明实施例的显微镜100可以采用商业的宽视场显微镜(Zeiss Observer Z1)来放大显微样本600到像平面。显微镜100的光照端放置一个中心频率为550nm的窄带滤波片101，并调节显微镜聚光镜103数值孔径到最小来模拟点光源，获得单色平行光照明，也就是相干光照明。显微镜100可以采用1倍目镜，10倍物镜104(Pln Apo 10ⅹ/0.45DICII，NA＝0.45)。显微镜100的相机引出口102的像平面大小通过中继模块200缩小，并变换到光圈面，经过偏振分光棱镜301将光圈面反射到空间光调制器302上。相机引出口102包括透镜套管1021和反射镜1022；空间光调制器302采用HOLOEYE LCR1080Reflective LCOS，像素尺寸8.1um，分辨率1920ⅹ1200，最大刷新率60Hz，单色显示，灰度范围0-256(8bit)。中继透镜(普通光学透镜，焦距50mm，f/1.4)产生与空间光调制器302大小匹配的光圈面，偏振片202配合偏振分光棱镜301使用，消除系统的背景杂光。遮光板303用来遮挡系统初涉光，以及防止外界光入射到系统中影响空间光调制器302的性能。成像镜头401(Canon Lens EF,焦距50mm，f/1.4)与频谱调制模块300出射的光学孔径匹配，并将大小适合的像成在相机传感器402上，相机传感器402采用PointGray GRAS(Grassshoper)灰度相机，像素尺寸6.9um，分辨率1024ⅹ768，帧率15帧/秒。

进一步地，在本实施例中，实验所使用的聚光镜103可以调节的数值孔径范围为0.09-0.55，最小的NA＝0.09仍然不足以产生所需要的相干光照明，所以实际操作时，在聚光镜103的视场光阑上额外放置一个调节至最小孔径的光圈，来模拟点光源，来获得相干光。

另外，根据本发明实施例的显微镜100的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不再赘述。

进一步地，在本实施例中，相机成像模块400中通过将成像镜头401和传感器402放置在合适的位置，来采集适当视场大小和放大倍数的样本图像。具体来说，就是调整成像镜头401的相对位置，使得由空间光调制器302出射的像进一步缩小，并让显微成像的范围刚好与相机传感402的成像靶面大小(直径2/3英寸，约17mm)匹配，此时整个系统的放大倍数约为3倍。

进一步，系统实际的放大倍数根据采集得到的分辨率板USAF1951进行计算，具体来说，在实际实验过程中，例如，实验采集得到的分辨率板USAF1951中第4组第2个的长度约为60个像素，而相机传感器402的像素大小为6.9um，再根据分辨率板USAF1951中第4-2元素的实际长度为27.84*5um，则可计算出放大倍数为60*6.9/(27.84*5)＝2.97倍。因为显微物镜104的放大倍数为10倍，可知后级系统(起作用的主要是中继透镜201和成像透镜401)将从显微镜100相机引出口102导出的显微样本600的像缩小了约3.3倍。

进一步地，参照图2所示，在本实施例中，频谱调制模块300与相机成像模块400之间有一个90度的弯折角，需要将显微镜相机引出口102的光轴与中继模块200、频谱调制模块300以及成像模块400进行光学校准。

进一步地，空间光调制器302放置在光学系统的光圈面上，每次显示的模式图像均为黑色背景中相同大小、不同位置的白色方块，方块的大小根据系统参数计算得出，跟相机传感器402的分辨率匹配，决定了每次空间频率带通的范围。模式图像按照固定的时间间隔变化，具体来说，就是白色方块每次按照固定步长移动到不同的位置，对应光圈面上不同的空间频谱；由于算法迭代的收敛性需要，此固定步长要保证相邻两个方块之间的重叠区域超过60％。其中，每次实验采集的时候，对应中间低频图像的模式，其方块位置都需要重新确定，方法先将低频对应的位置定在LCOS器件302中心，进行一次粗略采集，然后根据观察粗略采集的结果，进行校正和确定。

进一步地，在本实施例中，通过复用多个较差的相机传感器402，来获取与光学系统(主要是显微物镜104)性能相配的宽视场高分辨显微图像。这是由于现有商用光学显微物镜已经具有很高的空间带宽积(正比于视场面积/分辨率的平方)，但是普通相机传感器的采集能力远远达不到光学系统的要求。具体来说，如实验采用的10倍物镜104(NA＝0.45)，视场直径大小为24/10＝2.4mm，光学分辨率为0.74um，因此SBP约为3千万像素。而所使用的相机传感器402采用PointGray GRAS灰度相机，像素尺寸6.9um，分辨率1024ⅹ768，对应的SBP约为100万像素，远远满足不了光学系统的需要，有很大的提升空间。

进一步地，参照图3所示，在本实施例中，采用重构算法对于人为合成的高分辨复振幅图像进行仿真，恢复出准确的高分辨率强度图像(Lenna)和相位图像。

进一步地，在本实施例中，参照图4所示，采用重构算法对于USAF1951分辨率板进行仿真，并对公布的实采蜘蛛腿样本数据集进行恢复，有效地获得了高分辨图像和相位信息。

进一步地，在本实施例中，参照图5所示，展示了采集静态USAF1951分辨率板和睡莲茎横切(water lily stack)样本的低分辨图像恢复出高分辨图像和相位的示意图。

综上，在本实施例中，该系统采用了一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微算法，偏振分光棱镜301与空间光调制器LCOS器件302相配合，实现对样本成像的空间频谱进行强度调制，完成频域的带通滤波功能，并由控制器500同步控制相机传感器402，快速获得对应于不同空间频率的多张低分辨图像；最后，通过迭代重构算法将采集到的低分辨图像在傅里叶域进行拼贴，来恢复出超出相机传感器采集能力的高分辨率的图像\或视频，并且保证原来的视野范围不变，同时恢复出样本的相位信息。

也就是说，本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统能够获得宽视场高分辨的样本图像和相位信息，并且通过采用商业的标准光学显微来验证了其有效性。作为同样是采集端的FPM系统，本发明用LCOS器件302上的模式移动代替机械扫描，能够重建比LED阵列系统厚的样本，能够比机械扫面更加快速和灵活，并能够实现频谱的复用采集。

根据本发明实施例提出的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，该系统区别于传统的基于LED阵列的光照端频域拼贴显微系统以及基于机械扫描的采集端频域拼贴显微系统，该显微成像系统能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。本发明在一定程度上继承上述相关技术的优势，并解决各自的缺点。具体来说，本发明的系统具有如下优点：(1)采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；(2)对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；(3)可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速度。

本发明的进一步实施例还提出了一种基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法。其中，该基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统例如为本发明上述任意一个实施例所描述的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统，并且，显微镜相机引出口成像的光学孔径与中继模块、频谱调制模块以及成像模块的光学尺寸均相互匹配。

基于此，图6是根据本发明一个实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法的流程图。其中，如图6所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：调整显微镜的聚光镜和放置滤光片以获得单色平行光，并通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面。具体地，通过调整显微镜聚光镜尺寸并添加窄带滤波片，获得平行单色光作为光源，并通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面。

步骤S2：通过中继透镜将光圈面缩小到与空间光调制器屏幕匹配的大小。

步骤S3：调节偏振分光棱镜和空间光调制器的前后位置，使得成像的光圈面恰好在空间光调制器的屏幕上。

步骤S4：将成像镜头和相机传感器放置在预设位置，以采集预设视场大小和放大倍数的样本图像。

步骤S5：通过控制器同步控制空间光调制器和相机传感器，进行频谱调制和图像采集，获得对应于不同空间频率的多张低分辨图像。

步骤S6：通过迭代重构算法，将采集得到的多张低分辨图像在傅里叶域进行频谱拼贴，恢复相应的高分辨图像和相应的相位图像。其中，重构算法能够由在空间频率域存在相互重叠信息的低分率图像，恢复出样本的相位信息，而不需要额外引入相干参考光。

其中，在本发明的一个实施例中，频谱调制模块与相机成像模块之间有一个90度的弯折角。基于此，该方法还包括：将显微镜相机引出口的光轴与中继模块、频谱调制模块以及相机成像模块进行光学校准。

进一步地，在本发明的一个实施例中，迭代算法重构结果，尤其是相位恢复结果的准确性对系统误差、图像噪声以及算法初始值非常敏感。常规方法的初始值选用插值后的低频低分辨率图像，可以采用4张DPC图像作为初始值先验，或者在每一次迭代的过程中，同时进行相位优化的方法等，来进一步提高相位恢复的准确性。

进一步，在本发明的一个实施例中，由于使用空间光调制器代替机械扫描，而空间光调制器的最快刷新率为60Hz(大于一般相机采集帧率，如实验所用的PointGray GRAS，15帧/秒)，因此系统采集低分辨图像的速度明显提高；同时，由于空间光调制器的模式显示可以灵活的编程和控制，因此可以通过模式复用采集和采集策略优化的方式，进一步提高采集速度和重构质量。

需要说明的是，本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法的具体实现方式与本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的具体实现方式类似，具体请参见系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

综上，根据本发明实施例的基于空间光调制器的采集端频域拼贴显微系统的控制方法，能够在保证一定宽视场的前提下，提高相机传感器采集的空间分辨率，实现对于一定厚度样本的高分辨重建，在一定程度上实现对动态样本的采集，并且简单易实现。另外，该方法采集的速度很快，可以在一定程度上采集动态样本，而且采集方式可以灵活地编程控制；对于一定有厚度的样本，可以通过光的自由空间传播算法算出样本其他深度的信息，并以此来恢复样本的三维信息；还可以进行多光圈的复用采集，进一步提高采集速。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。