基于光谱复用的傅里叶叠层显微的高光谱成像装置及方法

本技术涉及显微成像，尤其涉及一种基于光谱复用的傅里叶叠层显微的高光谱成像装置及方法。

背景技术：

1、在生物医学领域如数字病理学，血液病学等方面，对于使用显微镜进行病理细胞进行检查的需求日益增加；为了获得更多的生物组织信息，光学显微成像正在追求高光谱分辨率、高空间分辨率和大视场，但大视场与高分辨率一直是一对难以调和的矛盾。傅里叶叠层显微成像技术(fourier ptychographic microscopy，fpm)是一种新兴的计算成像技术，该技术可有效地解决传统显微成像领域中观察的分辨率与视场不可兼得的问题，该技术结合了相位恢复和合成孔径的概念，在显微镜平台采集不同角度光照下样品的低分辨率图像，不同角度的低分辨率图像对应着频域不同的样品频谱信息，然后利用相位恢复和合成孔径的思想将这一系列低分辨率图像在频域里迭代，扩展频域最终恢复出样品的高分辨、大视场的图像。

2、然而，如何在兼顾大视场和空间分辨率的同时实现光谱维度信息的高分辨率获取，是推动光学显微成像高维度信息高分辨率获取的关键因素，传统的傅里叶叠层成像系统中，通常以窄波段的led灯作为照明光源来采集低分辨率图像，最终重建出的图像只反映某个特定波段的样品信息，造成光谱信息的丢失。2022年zhang p等提出了一种基于fpm系统的高光谱图像重建策略[zhang p,zhao j,lin b,et al.hyperspectral microscopyimaging based on fourier ptychographic microscopy[j].journal of optics,2022,24(5):055301.]，可以得到包含光谱信息的图像，但需要多次以单个波段照射样品进行采集，分别进行重建，所以此策略的效率低，时间成本较高。

技术实现思路

1、基于此，本技术为解决傅里叶叠层显微成像技术中光谱信息丢失的问题，以及针对实际应用中对成像结果专业性知识的高要求性，提供了一种基于光谱复用的傅里叶叠层显微的高光谱成像装置及方法。

2、本技术提供了基于光谱复用的傅里叶叠层显微的高光谱成像装置，包括：

3、水平组件，包括卤素灯、分光镜、滤光片、棱镜、合束镜以及反射镜，所述卤素灯设置在所述分光镜一侧，所述分光镜另一侧设置有所述滤光片，所述合束镜设置在所述棱镜和所述反射镜之间，所述滤光片设置在所述棱镜另一侧；

4、垂直组件，包括x-y平面板、待测样品、显微物镜、瞳孔光圈、套筒透镜以及cmos相机，所述待测样品顶部设置有显微物镜，所述待测样品底部设置有x-y平面板，所述显微物镜的顶部设置有瞳孔光圈，所述瞳孔光圈顶部设置有套筒透镜，所述cmos相机设置在所述套筒透镜顶部；经所述反射镜反射的出射光束穿过设置在x-y平面板上的小孔。

5、所述卤素灯为宽光谱白光，分光镜的出射光束中心与滤光片的中心、合束镜的中心重合，经反射镜反射的出射光束中心与显微物镜、瞳孔光圈、套筒透镜的中心重合。

6、本技术还提供基于光谱复用的傅里叶叠层显微的高光谱成像方法，包括：

7、将光谱复用照明装置耦合不同波段的光作为光源照射样品，cmos相机通过傅里叶叠层显微成像系统获取一系列非相干混合态低分辨率强度图像；

8、基于光谱复用的相位恢复傅里叶叠层算法对所述一系列非相干混合态低分辨率强度图像进行解耦再恢复，得到包括原始精确波长光谱信息的高空间分辨率和大视场的图像；

9、更换不同波长的滤光片，循环迭代，直至获取一系列离散光谱图像；

10、利用插值算法对所述一系列离散光谱图像进行插值，重建出具有大视场、高空间和高光谱分辨率的图像。

11、光谱复用照明装置可扩展光路，所述滤光片的个数可为若干个，使得一次耦合更多波长的光。

12、所述一系列非相干混合态低分辨率强度图像的成像的步骤包括，

13、光谱复用照明系统的出射光传播到傅里叶叠层显微成像系统的待测样品平面，出射光通过中部带小孔的x-y平面板，使含有混合态光谱信息的入射光束照射待测样品，其中，照射待测样品的光波使用空间函数o(x,y)表示，x、y共同构成待测样品平面；

14、待测样品的出射光依次进入显微物镜、瞳孔光圈、套筒透镜，当待测样品的出射光传播到cmos相机上可以获取到一系列非相干混合态低分辨率强度图像，所述一系列非相干混合态低分辨率强度图像的计算包括，

15、im＝|om,fil(x,y)|2

16、其中，im表示实际捕获的低分辨率强度图像，om,fil(x,y)表示实际捕获的低分辨率强度图像。

17、所述原始精确波长光谱信息的高空间分辨率和大视场的图像的获取包括，

18、基于目标样品函数的图像强度ih和波长为的入射平面波初始化估计一个目标样品函数o(x,y)，并利用所述目标样品函数o(x,y)生成对应不同相干状态下的低空间分辨率的样品函数。

19、所述目标样品函数o(x,y)的计算包括，

20、

21、其中，o(x,y)表示目标样品函数，ih表示目标样品函数的图像强度，表示波长为的入射平面波。

22、还包括，

23、基于目标样品的强度分量获取非相干混合it，非相干混合it的计算包括，

24、it＝ic1+ic2

25、其中，ic1表示非相干混合态中第一个波长的强度分量，ic2表示非相干混合态中第二个波长的强度分量；

26、利用实际捕获得到的强度图像im、非相干混合it以及非相干混合态中第一个波长的强度分量ic1，更新目标样品的强度图像，并利用更新后的目标样品的强度图像修改估计目标样品的相应光谱区域；

27、更新后的目标样品的强度图像的计算包括，

28、

29、其中，im表示实际捕获的低分辨率强度图像，it表示非相干混合，ic1表示非相干混合态中第一个波长的强度分量，ic′1表示更新后的目标样品的强度图像；

30、对所有捕获到的低空间分辨率的强度图像重复整个过程，当所有捕获的强度图像都被更新一次之后，即为一个迭代周期，循环迭代，直至最后恢复算法收敛，即完成非相干混合态图像的解耦合恢复重建，得出原本精确光谱波长的光谱图。

31、所述插值算法为已知三次样条插值，具体包括，

32、设定光谱数据生成的光谱曲线有n段，每段曲线为s(x)，一系列光谱数据点为x0,x1,x2,......,xn，对应每个点的值为y0,y1,y2,......,yn；

33、设三次多项式si(x)＝ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)2+di(x-xi)3，其中，数据点xi和xi+1间隔的曲线为si(x)，ai、bi、ci、di均表示系数；

34、将关系式带入三次多项式中可解得系数满足的关系式；

35、令si″(x)＝0，得到每段的插值。

36、有益效果：传统的傅里叶叠层显微成像技术是使用单一窄波段的led灯作为照明光源，重建出来的图像只反映某个特定波段的样品信息，而本发明设计了一种新的硬件设施，利用一系列滤光片、棱镜、合束镜等，可以将不同波长的光耦合成一束光源，对样本进行照射，捕获的低分辨率图像能够包含多个精确波长的光谱信息。利用本发明的装置捕获图像后，通过光谱复用相位恢复算法，将包含非相干混合态的光谱图像信息进行解耦，分离出原始的不同波段的大视场、高空间分辨率图像，最终，一次重建的结果可以获得两个准确波段的光谱信息的图像，相比于每次对单个波长进行采集重建效率高。

37、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本技术的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本技术的范围。本技术的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。