一种基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置和方法

本发明涉及共聚焦显微成像技术，特别是涉及一种基于数字微镜器件(dmd，digtial micromirror devices)的压缩共聚焦成像装置和方法。

背景技术：

1、荧光显微镜是监测细胞生理学和解决各种生物学问题的关键工具。荧光显微镜的一个主要问题是离焦光会干扰焦平面成像，导致细节模糊和对比度降低。通常采用光学切片技术来解决这个问题，通过消除聚焦成像场景中的离焦光。在这些技术中，激光扫描共聚焦显微镜是荧光成像中使用最广泛的技术。其采用逐点扫描的探测方法，利用探测器前方放置小孔(pinhole)来消除离焦光。然而，由于逐点成像的限制，这种技术速度很慢，并且需要更高能量的激光来增强信噪比，导致荧光标记物漂白和样品光损伤。

2、为了提高共聚焦显微成像的速度并降低光毒性，研究人员提出了其他共聚焦成像方案，例如转盘共聚焦显微镜和光片显微镜。尽管如此，对于前者，它在针孔之间具有荧光串扰，并且缺乏与其他成像技术相结合的灵活性。光片显微镜需要特殊的样品制备和固定，并且存在不均匀的照明。此外，这两种解决方案都需要高灵敏度的探测器阵列，例如科学互补金属氧化物半导体(scmos)和电子倍增电荷耦合器件(emccd)。与单像素探测器相比，这些探测器阵列具有窄光谱响应范围、低时间分辨率和高成本。

3、总之，传统的共聚焦显微成像存在光毒性高、成像速度慢、价格昂贵等问题。

4、如何实现低光毒性高时空分辨率的共聚焦显微成像，是现有技术有待解决的问题。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置和方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置，包括共聚焦显微成像模块和单像素成像压缩探测模块，所述共聚焦显微成像模块和所述单像素成像压缩探测模块具有共用的数字微镜器件及所述数字微镜器件与样本之间的样本探测光路，其中，当对样本进行共聚焦图像采集时，所述数字微镜器件成为所述共聚焦显微成像模块的共聚焦针孔，当对样本进行单像素采样时，所述数字微镜器件成为所述单像素成像压缩探测模块的共聚焦针孔和单像素采样光编码元件。

4、进一步地，所述样本探测光路包括物镜和设置于所述物镜与所述数字微镜器件之间的管透镜。

5、进一步地，所述单像素成像压缩探测模块包括第一二向色镜、第一透镜、单光子探测器、第二透镜和第一激光器，所述第一激光器发出的激光透过所述第二透镜和所述第一二向色镜入射到所述数字微镜器件，经过所述数字微镜器件的调制后进入所述样本探测光路，从所述样本探测光路返回的信号光在所述数字微镜器件上反射后，由所述第一二向色镜再次反射后到达所述第一透镜，经所述第一透镜的光汇聚于一点由所述单光子探测器压缩收集；优选地，所述单光子探测器为光电倍增管pmt。

6、进一步地，所述共聚焦显微成像模块包括第二二向色镜、第三透镜、二维图像采集器、第四透镜和第二激光器，所述第二激光器发出的激光透过所述第四透镜和所述第二二向色镜入射到所述数字微镜器件，经过所述数字微镜器件的调制后进入所述样本探测光路，从所述样本探测光路返回的信号光在所述数字微镜器件上反射后，由所述第二二向色镜再次反射后到达所述第三透镜，透过所述第三透镜的光中继成像到所述二维图像采集器上；优选地，所述二维图像采集器为scmos相机。

7、进一步地，当对样本进行共聚焦图像采集时，所述数字微镜器件在相机一次曝光时间内完成所有调制模式的变化，实现对样本探测区域所有点的全覆盖探测，得到完整的共聚焦二维图像；或者，所述数字微镜器件的每1次调制模式变化都触发一次曝光，多次曝光采集直到覆盖样本探测区域所有点，再堆栈各次采集的图像，得到完整的共聚焦图像。

8、一种基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像方法，包括如下步骤：

9、s1、使用所述的基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置分别得到样本的单像素采样数据和共聚焦图像，作为深度学习网络训练所需的配对数据集；

10、s2、使用所述配对数据集进行深度学习网络的训练；

11、s3、采集目标样品的单像素采样数据，通过所述深度学习网络，利用一维压缩的单像素采样数据重建二维的共聚焦图像。

12、进一步地，步骤s1中，得到样本的单像素采样数据包括：生成随机二值稀疏矩阵作为调制所述数字微镜器件的测量矩阵，矩阵中元素“1”对应数字微镜器件单个微镜处于“开”状态，矩阵中元素“0”对应数字微镜器件单个微镜处于“关”状态，相邻“1”之间间隔至少4个“0”；多次变化所述数字微镜器件的调制模式，经过多次采集后得到单像素采样的一维强度信号。

13、进一步地，步骤s1中，得到样本的共聚焦图像包括：生成平行条纹二值矩阵调制所述数字微镜器件，作为共聚焦图像采集的共聚焦针孔，平行条纹矩阵同一列的元素均为“1”或“0”，矩阵中元素“1”对应数字微镜器件单个微镜处于“开”状态，矩阵中元素“0”对应数字微镜器件单个微镜处于“关”状态，每隔n列使得一个微反射单元处于“开”状态，优选n为10以上，更优选n∈[10,20]；其中，控制数字微镜器件所有处于“开”状态的单元每平移一个单位时触发相机曝光，记录所对应的二维图像数据，直到微镜阵列都被扫描一遍，将记录的二维图像数据拼接起来，得到整个视场的共聚焦二维真值图像信号。

14、进一步地，步骤s3中，重建二维的共聚焦图像包括：

15、基于压缩感知原理，对于压缩采集一维强度信号y重建二维共聚焦图像信号x，采用如下算法：

16、y＝ax+e (1)

17、其中，a是测量矩阵，e是噪声，并利用如下软阈值迭代算法优化求解：

18、

19、其中，f(·)为训练的卷积神经网络，k代表迭代次数，x(k)表示第k次迭代信号值，r为中间迭代值，θ为正则化参数。

20、进一步地，一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的方法。

21、本发明具有如下有益效果：

22、本发明提出了一种将单像素成像技术与共聚焦显微成像技术相结合的基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置和方法，有效解决了传统共聚焦成像所面临的成像速度慢，光毒性高等问题。

23、与传统的共聚焦显微成像设备采用扫描振镜点扫描的成像方式获得二维共聚焦图像不同，本发明的基于数字微镜器件的压缩共聚焦成像装置可以得到样本的单像素采样数据和共聚焦图像，作为配对数据集训练深度学习网络，在此基础上，通过采集目标样品的单像素采样数据，通过所述深度学习网络，即可利用一维压缩的单像素采样数据重建二维的共聚焦图像。

24、本发明采用单像素采样的高通量压缩采集方案，利用数字微镜器件对光进行调制后，由单点探测器汇聚收集，采集目标样品的单像素采样数据，然后，利用一维压缩的单像素采样数据通过训练好的所述深度学习网络重建二维的共聚焦图像。通过本发明，借助压缩感知技术，只需要欠采样的数据采集便可利用一维压缩的单像素采样数据完美重建二维的共聚焦显微成像的图像，大大提高了光通量，减少了光毒性，实现了低光毒性高时空分辨率的共聚焦显微成像。而且，本发明设备简单，能够有效地节约成本。

25、由于本发明能够在高速低光毒性采样条件下实现共聚焦显微成像，可以充分保证生物样本活性，并且提供高时空分辨率的成像效果。对比传统的共聚焦成像系统，该系统大大提高了采样速度，降低了光毒性，更符合生物观测需求，可以为理解细胞的生命活动过程等应用提供有利的研究工具。本发明可以广泛应用于生物医学领域和材料领域，为观察生物显微样本和检测材料表面形貌特征提供有效的工具。