空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法及系统与流程

本发明涉及一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，可广泛应用于生物学、医学、材料科学及微电子学等领域的研究。

背景技术：

传统光学显微镜的空间分辨率受制于光的衍射极限，仅能达到半个光波长量级，极大地限制了光学显微镜的应用范围，例如在活体生物细胞内结构的成像上。实现高空间分辨率成像一直是光学显微领域的重要研究课题之一。通过借助荧光分子来标记样品，光学显微技术的成像信噪比和对比度显著提高。基于荧光分子对照明光的强度响应机制，多种超分辨荧光显微技术被提出，例如光激活定位荧光显微技术(photo-activationlocalizationmicroscopy，简称palm)、随机光学重构荧光显微技术(stochasticopticalreconstructionmicroscopy，简称storm)、受激辐射损耗荧光显微技术(stimulatedemissiondepletionmicroscopy，简称sted)、结构光照明荧光显微技术(structuredilluminationmicroscopy，简称sim)等。目前超分辨荧光显微成像技术的最高分辨率已接近电子显微镜的分辨水平，为现代生物医学提供强有力的工具，亦将相关研究推向新的深度。在超分辨荧光显微技术中，sim具有成像速度快、对荧光分子无特殊要求、光漂白和光毒性小等众多优点，尤其适合高分辨率下的活体细胞长时间动态观测。根据荧光对照明光的线性和非线性响应，可以将sim分为线性sim和非线性sim。线性sim采用强度呈余弦分布的结构光场对样品照明，激发的荧光光场分布与照明光场成线性关系，具有超越衍射极限两倍的空间分辨率。由于显微系统的空间分辨率取决于它能收集到的最大空间频率f0，而f0取决于系统的光学传递函数otf。当样品包含的高频信息f>f0时，样品的细节不能被分辨。如果使用空间频率为f1的余弦条纹结构光照明样品，则会产生空间频率为fm＝|f-f1|的低频莫尔条纹。莫尔条纹实际上是样品与结构光场的拍频信号，它包含有样品超衍射分辨的高频信息f。由于fm<f0，莫尔条纹可以被显微系统记录下来，然后通过算法解调就可以提取出样品的高频信息f，进而重构出样品的高分辨率图像。非线性sim在线性sim的理论基础上发展而来，利用荧光分子对照明光强的非线性响应特性，激发产生的荧光光场呈显具有更高阶频率的梯形波或方形波分布，所形成的莫尔条纹中含有的样品高频率成分会更多，最后重构出的样品细节也会更丰富。超分辨图像重构方法是sim的核心技术。当前的图像重构方法主要在空间频域中处理数据(简称为fdr方法)，它的缺点主要在于：首先，需要经过傅里叶变换、频谱分离、频谱移动、频谱融合和逆傅里叶变换等过程，步骤繁多；其次，多次正/逆傅里叶变换运算使得重构耗时非常严重。为了重构一幅超分辨图像，线性sim一般需要采集6幅或9幅结构光照明图像进行运算，而非线性sim则需要更多。随着图像尺寸增加，重构耗时会更加显著。最后，对图像数据的频率成分进行操作(分离、移动、融合)容易带来伪影噪声，掩盖样品的真实细节。正因为传统超分辨图像重构方法的这些缺点，导致当前sim系统难以实时超分辨动态观测样品，阻碍sim在活体亚细胞动态观测中的应用。

技术实现要素：

针对当前结构光照明超分辨图像重构方法因操作复杂、耗时严重所导致的超分辨显微实时动态观测困难的问题，本发明提出了一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法(简称sdr方法)，其操作步骤较传统方法大幅简化，步骤由传统的5步减少为2步，且为基本的乘法和加法运算，不需要傅里叶变换运算，因此重构速度大大提高。

本发明的技术解决方案是提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，在线性激发响应的情况下，包括以下步骤：

步骤1)、结构光场的产生和相移：

由激光或发光二极管led光源照明，经空间光调制器slm或数字微镜器件dmd光场调制器件调制，在样品上形成光强满足一维余弦函数分布的结构光照明光场；所述结构光照明光场的强度满足公式(1)的分布：

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示结构光场的光强平均值，m表示调制度，k0表示空间频率，表示初相位；

控制光场调制器件使得在样品平面内产生3个不同空间方向且相邻方向夹角θ＝1200的结构光场；在每个空间方向上，以相移量产生3个不同相移量的结构光场，其相位依次分别为和依此共产生9个不同位置的结构光场，用于照明并激发样品产生荧光信号；

步骤2)、面阵数字相机采集荧光图像：

对应于3个空间方向上的3个相移结构照明光场，经荧光显微系统成像后，在成像系统的像面上由面阵数字相机cmos或ccd依次记录共获得9幅结构光照明的荧光图像，按空间方向分为3组，每组含3个不同相位，分别记为：{d11(r’)，d12(r’)，d13(r’)}、{d21(r’)，d22(r’)，d23(r’)}、{d31(r’)，d32(r’)，d33(r’)}，其中r’代表像平面二维像坐标；

步骤3)、超分辨图像重构处理：

步骤3.1)、根据结构光场的光强平均值i0，调制度m，空间频率k0，3个空间方向上的初相位和相移量2π/3，生成公式(2)所示的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为3组，每组含3个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’)，c13(r’)}、{c21(r’)，c22(r’)，c23(r’)}、{c31(r’)，c32(r’)，c33(r’)}；

步骤3.2)、将步骤2)中采集的9幅结构光照明的荧光图像与步骤3.1)中生成的解调系数矩阵，按序列经公式(3)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

步骤3.3)、将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(4)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’):

p(r′)＝h(r′)[1+cos(2πk0r′)](4)

步骤3.4)、利用步骤3.2)中获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和步骤3.3)生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像rsim(r’)。

本发明还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供另一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，在线性激发响应情况下，包括以下步骤：

步骤1)、结构光场的产生和相移：

由激光或发光二极管led光源照明，经空间光调制器slm或数字微镜器件dmd光场调制器件的调制，在样品上形成光强满足一维余弦函数分布的结构光照明光场；所述结构光照明光场的强度满足公式(1)的分布：

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示结构光场的光强平均值，m表示调制度，k0表示空间频率，表示初相位；

控制光场调制器件使得在样品平面内产生2个不同空间方向且相邻方向夹角θ＝90°的结构光场；在每个空间方向上，以相移量产生3个不同相移的结构光场，其相位依次分别为和依此共产生6个不同位置的结构光场，用于照明并激发样品产生荧光信号；

步骤2)、面阵数字相机采集荧光图像：

对应于2个空间方向上的3个相移结构照明光场，经荧光显微系统成像后，在成像系统的像面上由面阵数字相机cmos或ccd依次记录共获得6幅结构光照明的荧光图像，按空间方向分为2组，每组含3个不同相位，分别记为：{d11(r’)，d12(r’)，d13(r’)}、{d21(r’)，d22(r’)，d23(r’)}；

步骤3)、超分辨图像重构处理：

步骤3.1)、根据结构光场的光强平均值i0，调制度m，空间频率k0，2个空间方向上的初相位和相移量π/2，生成公式(5)所示的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为2组，每组含3个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’)，c13(r’)}、{c21(r’)，c22(r’)，c23(r’)}；

步骤3.2)、将步骤2)中采集的6幅结构光照明的荧光图像与步骤3.1)中生成的解调系数矩阵，按序列经公式(6)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

步骤3.3)、将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(4)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’)；

p(r′)＝h(r′)[1+cos(2πk0r′)](4)

步骤3.4)、利用步骤3.2)中获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和步骤3.3)生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像rsim(r’)。

本发明还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供另一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，在非线性激发响应情况下，包括以下步骤：

步骤1)、非线性结构光场的激发和相移：

由激光或发光二极管led光源照明，经空间光调制器slm或数字微镜器件dmd光场调制器件的调制，在样品上形成光强满足一维余弦函数分布的结构光照明光场；所述结构光照明光场的强度满足公式(1)的分布；

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示结构光场的光强平均值，m表示调制度，k0表示空间频率，表示初相位；

利用荧光分子的非线性响应特性，使产生的荧光信号光强具有公式(7)描述的光场分布：

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示光强平均值，m表示结构光场的谐波阶数，bn表示第n阶谐波的调制度，k0表示基频空间频率，表示初相位；

控制光场调制器件使得在样品平面上产生(2m+1)个不同空间方向且相邻方向夹角θ＝360°/(2m+1)的结构光场；在每个空间方向上，需要以相移量产生(2m+1)个不同相移的结构光场；在谐波阶数m＝2的情况下，非线性激发响应产生的荧光信号光强分布满足公式(8)描述的结构光场：

在此情况下，需要在样品平面上产生5个不同空间方向且相邻方向夹角θ＝720的结构光场；在每个空间方向上，需要以相移量产生5个不同相移的结构光场；依此共产生25个不同位置的激发荧光结构光场；

2)面阵数字相机采集荧光图像：

对应于5个空间方向上的5个相移结构光场，经荧光显微系统成像后，在成像系统的像面上，由面阵数字相机cmos或ccd依次记录共获得25幅结构光照明的荧光图像，按空间方向分为5组，每组含5个不同相位，分别记为：{d11(r’)，d12(r’)，……，d15(r’)}、{d21(r’)，d22(r’)，……，d25(r’)}、……、{d51(r’)，d52(r’)，……，d55(r’)}，其中r’代表像平面二维像坐标；

步骤3)、超分辨图像重构处理：

步骤3.1)、根据结构光场的光强平均值i0，m＝2各谐波的调制度b0、b1、b2，空间基频k0，5个空间方向上的初相位和相移量2π/5，求得公式(9)描述的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为5组，每组含5个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’)，……，c15(r’)}、{c21(r’)，c22(r’)，……，c25(r’)}、……、{c51(r’)，c52(r’)，……，c55(r’)}：

其中i＝1,2,3,4,5.(9)

步骤3.2)、将步骤2)中采集的25幅结构光照明的荧光图像与步骤3.1)中生成的解调系数矩阵，按序列经公式(10)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

步骤3.3)、将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(11)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’)：

p(r′)＝h(r′)×{b0+b1cos[2πk0r′]+b2cos[2(2πk0r′)]}(11)

步骤3.4)、利用步骤3.2)中获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和步骤3.3)生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像rsim(r’)。

本发明还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供另一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，在非线性激发响应情况下，包括以下步骤：

步骤1)、非线性结构光场的激发和相移：

由激光或发光二极管led光源照明，经空间光调制器slm或数字微镜器件dmd光场调制器件的调制，在样品上形成光强满足一维余弦函数分布的结构光照明光场；所述结构光照明光场的强度满足公式(1)的分布；

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示结构光场的光强平均值，m表示调制度，k0表示空间频率，表示初相位；

利用荧光分子的非线性响应特性，使产生的荧光信号光强具有公式(7)描述的光场分布：

式中r表示样品平面的二维物坐标，i0表示光强平均值，m表示结构光场的谐波阶数，bn表示第n阶谐波的调制度，k0表示基频空间频率，表示初相位；

在谐波阶数m＝3的情况下，非线性激发响应产生的荧光信号光强分布满足公式(12)描述的结构光场：

控制光场调制器件使得在样品平面上产生7个不同空间方向且相邻方向夹角θ＝51.4⁰的结构光场；在每个空间方向上，需要以相移量产生7个不同相移的结构光场；依此共产生49个不同位置的激发荧光结构光场；

步骤2)、面阵数字相机采集荧光显微图像：

对应于7个空间方向上的7个相移结构光场，经荧光显微系统成像后，在成像系统的像面上，由面阵数字相机cmos或ccd依次记录共获得49幅结构光照明的荧光图像，按空间方向分为7组，每组含7个不同相位，分别记为：{d11(r’)，d12(r’),……,d17(r’)}、{d21(r’)，d22(r’),……,d27(r’)}、……、{d71(r’)，d72(r’),……,d77(r’)}，其中r’代表像平面二维像坐标；

步骤3)、超分辨图像重构处理：

步骤3.1)、根据结构光场的光强平均值i0，m＝3各谐波的调制度b0、b1、b2、b3，空间基频k0，7个空间方向上的初相位和相移量2π/7，求得公式(13)描述的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为7组，每组含7个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’),……,c17(r’)}、{c21(r’)，c22(r’),……,c27(r’)}、……、{c71(r’)，c72(r’),……,c77(r’)}：

其中i＝1,2,3,4,5,6,7.(13)

步骤3.2)、将步骤2)中采集的49幅结构光照明的荧光图像与步骤3.1)中生成的解调系数矩阵，按序列经公式(14)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

步骤3.3)、将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(15)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’)：

p(r′)＝h(r′)×{b0+b1cos[2πk0r′]+b2cos[2(2πk0r′)]+b3cos[3(2πk0r′)]}(15)

步骤3.4)、利用步骤3.2)中获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和步骤3.3)生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像rsim(r’)。

本发明还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述步骤3)所述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述步骤3)所述的方法。

本发明的优点为：

本发明在空域中直接快速重构sim超分辨图像。与传统频域sim超分辨图像重构方法相比，本发明完全在空域中运算，避免了频谱分离、频谱移动、频谱融合等过程，避免了耗时的多次正/逆傅里叶变换运算，可完全避免频谱操作所引起的伪影噪声问题；用于超分辨重构的解调矩阵可预先生成，涉及的运算只是乘法和加法运算，过程简单易行，从而大幅提高sim超分辨图像的重构速度。

附图说明

图1为本发明方法与传统方法进行超分辨图像重构的操作步骤及对比；

图2a与图2b为不同图像尺寸下，本发明方法与传统方法进行超分辨图像重构的计算耗时统计及对比；

图3为基于数字微镜dmd调制和led照明的投影式sim超分辨显微系统光路图；

图中附图标记为：1-led照明光源，2-分光棱镜，3-结构光产生器，4-准直透镜，5-照明光滤光片，6-分光镜，7-反射镜，8-显微物镜，9-载物台，10-滤光片，11-筒镜，12-面阵数字相机；

图4为基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim超分辨显微系统光路图；

图中附图标记为：1-激光照明光源、2，3，7，10，11-透镜、4-偏振光分束器，5-半波片，6-空间光调制器slm，8-空间滤波器，9-零级涡旋半波片，12-分光镜，13-显微物镜，14-载物台，15-滤光片，16-筒镜，17-面阵数字相机。

图5为使用基于数字微镜dmd调制和led照明sim超分辨显微系统得到的牛肺动脉内皮细胞(bpae)三通道超分辨显微图像。蓝色通道为405nm光激发下的细胞核图像，绿色通道为470nm光激发下的肌动蛋白图像，红色通道为565nm光激发下的线粒体图像；其中(a)是样品的普通宽场荧光图像，(b)是使用传统方法重构的结构光照明三通道超分辨显微图像，(c)是使用本发明方法重构的结构光照明三通道超分辨显微图像，(d)-(f)是(a)-(c)中虚线框区域的放大图；

图6为使用基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制sim超分辨显微系统得到的牛肺动脉内皮细胞内线粒体的超分辨显微图像。其中(a)是普通宽场荧光图像，(b)是使用传统方法重构的结构光照明超分辨显微图像，(c)是使用本发明方法重构的结构光照明超分辨显微图像，(d)-(f)是(a)-(c)中虚线框区域的放大图；

图7为图6(d)-6(f)中沿标线处的强度分布曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明方法可在主流sim超分辨显微系统上实施，包括基于数字微镜dmd调制和led照明的投影式sim超分辨显微系统、基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim超分辨显微系统等。其操作步骤较传统方法大幅简化，如图1对比所示，传统步骤包括傅里叶变换、频谱分离、频谱移动、频谱融合及逆傅里叶变换5步，而本发明将传统的5步减少为2步，且为基本的乘法和加法运算，不需要傅里叶变换运算，重构速度大大提高。

基于数字微镜dmd调制和led照明的投影式sim超分辨显微系统如图3所示：包括led照明光源1、设置在照明光路上的全内反射分光棱镜2、设置在分光棱镜2反射光路上的结构光产生器3、依次设置在分光棱镜2透射光路上的准直透镜4和照明光滤光片5、设置在照明光滤光片5后的分光镜6、设置在分光镜6透射光路上的反射镜7、设置在反射镜7后方光路上的显微物镜8和载物台9、依次设置在分光镜6荧光反射光路上的滤光片10和筒镜11、设置在筒镜11后方的面阵数字相机12。led照明光源1为非相干四色led光源，结构光产生器3为数字微镜dmd。

基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim超分辨显微系统如图4所示：包括激光照明光源1、设置在激光照明光源1后端的光束扩束准直透镜组(透镜2和透镜3)、设置在光束扩束准直透镜组后的偏振光分束器4、依次设置在偏振光分束器4透射光路上的半波片5和空间光调制器slm6、设置在偏振光分束器4反射光路上的透镜7、设置在透镜7后端的空间滤波器8、设置在空间滤波器8后的零级涡旋半波片9、设置在零级涡旋半波片9后由透镜10和透镜11组成的4f系统、设置在4f系统后的分光镜12、设置在分光镜12透射光路上的显微物镜13和载物台14、设置在分光镜12荧光反射光路上的滤光片15和筒镜16、设置在筒镜16后方的面阵数字相机17。空间光调制器slm6为反射式铁电液晶空间光调制器。

实施例一

本实施例基于数字微镜dmd调制和led照明的投影式sim的超分辨图像重构，通过以下步骤实现：

步骤1、使用图3所示的基于数字微镜dmd调制和led照明投影式sim超分辨显微系统，首先以405nm波长led光束入射分光棱镜2并照射数字微镜dmd，受数字微镜dmd调制后产生的结构光透过分光棱镜2出射，经准直透镜4准直后进入显微物镜8，显微物镜8将结构光条纹微缩并投影在其焦平面上；

步骤2、将牛肺动脉内皮细胞样品置于载物台9并调整至显微物镜焦平面上，微缩投影产生的结构光对样品进行照明，激发标记细胞器的荧光分子发光；

步骤3、控制数字微镜dmd先后加载2个空间方向夹角为900、每空间方向相位依次为0、π/2、π的6种结构光场，面阵数字相机12分别对应采集6幅图像，记为(d11，d12，d13)和(d21，d22，d23)，并存储在计算机中；首先根据结构光场的光强平均值i0，调制度m，空间频率k0，2个空间方向上的初相位和相移量π/2，生成公式(5)所示的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为2组，每组含3个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’)，c13(r’)}、{c21(r’)，c22(r’)，c23(r’)}；

其中i＝1,2.(5)

其次，将采集的6幅图像与生成的解调系数矩阵，按序列经公式(6)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

然后，将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(4)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’)；

p(r′)＝h(r′)[1+cos(2πk0r′)](4)

最后，利用获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像rsim(r’)。

步骤4、按顺序将led波长切换至470nm和565nm，每个波长下重复步骤1至步骤3，分别激发标记细胞肌动蛋白和线粒体的荧光分子发光，先后获得细胞、肌动蛋白和线粒体的超分辨显微图像；

步骤5、将获得的细胞核、肌动蛋白和线粒体的超分辨显微图像进行通道融合，得到牛肺动脉内皮细胞的三通道超分辨显微图像。

图5是使用基于数字微镜dmd调制和led照明的投影式sim超分辨显微系统获得的牛肺动脉内皮细胞的三通道超分辨显微图像。实验使用100x显微物镜，数值孔径na为1.49。(a)是牛肺动脉内皮细胞样品的普通宽场荧光显微图像，(b)是使用传统方法重构的结构光照明三通道超分辨显微图像，(c)是使用本发明方法重构的结构光照明三通道超分辨显微图像。(d)-(f)是(a)-(c)中虚线框区域的放大图。可以看出，两种方法重构的图像质量基本相同。本发明方法的超分辨图像重构时间为0.0447秒，而传统方法重构时间为3.747秒，本发明方法的超分辨图像重构速度是传统方法的84倍。

本实施例还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述超分辨图像重构处理方法。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现上述超分辨图像重构处理方法。在一些可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。

用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

实施例二

本实施例基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim的超分辨图像重构：

步骤1、使用图4所示的基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim超分辨显微系统，以532nm波长激光入射偏振光分束器4并垂直照射空间光调制器slm6，产生垂直线偏振的多级衍射光束。将汇聚的多级衍射的零级和高级光束使用空间滤波器8阻挡，只保留±1级衍射光束。随后，经零级涡旋半波片9改变偏振态的±1级衍射光进入显微物镜13，两束衍射光相互干涉并在物镜焦平面上形成结构光场，用于照明样品；

步骤2、将牛肺动脉内皮细胞样品置于载物台并调整至物镜焦平面上，利用结构光照明，激发标记细胞线粒体的荧光分子发光；

步骤3、控制slm先后加载3个空间方向夹角互为1200、每空间方向相位依次为0、2π/3、4π/3的9种结构光场，面阵数字相机分别对应采集9幅图像，记为(d11，d12，d13)、(d21，d22，d23)和(d31，d32，d33)，并存储在计算机中。

步骤4、首先根据结构光场的光强平均值i0，调制度m，空间频率k0，3个空间方向上的初相位和相移量2π/3，生成公式(2)所示的解调系数矩阵，也对应按空间方向分为3组，每组含3个不同相位，分别记为：{c11(r’)，c12(r’)，c13(r’)}、{c21(r’)，c22(r’)，c23(r’)}、{c31(r’)，c32(r’)，c33(r’)}；

其中i＝1,2,3.(2)

其次，将步骤3)中采集的9幅结构光照明的荧光图像与生成的解调系数矩阵，按序列经公式(3)计算，得到初始超分辨图像rsdr(r’)：

然后，将理论或实验获得的光学系统点扩展函数h(r’)，按照公式(4)生成新的超分辨等效点扩展函数p(r’):

p(r′)＝h(r′)[1+cos(2πk0r′)](4)

最后，利用获得的初始超分辨图像rsdr(r’)和生成的超分辨等效点扩展函数p(r’)，完成去卷积运算，得到牛肺动脉内皮细胞的线粒体超分辨图像。

图6是使用基于空间光调制器slm调制和零级涡旋半波片偏振控制的干涉式sim超分辨显微系统获得的牛肺动脉内皮细胞内线粒体的超分辨图像。实验使用100x显微物镜，数值孔径na为1.49。(a)是普通宽场荧光图像，(b)是使用传统方法重构的结构光照明超分辨图像，(c)是使用本发明方法重构的结构光照明超分辨图像，(d)-(f)是(a)-(c)中虚线框区域的放大图；图7是图6(d)-6(f)中沿标线处的强度分布曲线图。可以看出，两种方法重构的图像质量基本相同。本发明方法的超分辨图像重构时间为0.0934秒，而传统方法的重构时间为4.7842秒，本发明方法的超分辨图像重构速度是传统方法的51倍。

本实施例还提供一种在空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速系统，包括处理器及存储器，所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述超分辨图像重构处理方法。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现上述超分辨图像重构处理方法。在一些可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。

用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

为展示本发明方法在sim超分辨图像重构时间上相对传统方法的优越性，分别统计了4个常见图像尺寸512×512、1024×1024、1600×1600、2048×2048像素下，200组sim原始图像先后使用本发明方法和传统方法的超分辨图像重构时间。每组sim原始图像由9幅结构光照明图像组成。统计结果如图2a与图2b所示，在任一图像尺寸下，本发明方法重构时间的平均值均比传统方法少几十倍，且统计方差也小一个数量级，显示出本发明方法的快速性和稳定性。随着图像尺寸的增大，本发明方法与传统方法的重构时间平均值的比率也逐渐变大，在2048×2048像素下该比率达到了51.4，说明本发明方法的重构速度是传统方法的50倍以上。计算使用软件为matlabr2013a，计算机配置为inteli7-4790kcpu,32gb内存及windows7x64(sp1)操作系统。