一种对称LED照明的无透镜显微成像系统及自动对焦方法

本发明属于无透镜显微成像，具体涉及一种对称led照明的无透镜显微成像系统及自动对焦方法。

背景技术：

1、传统透镜式显微光学系统采用复杂的复合光学系统来提高显微镜的分辨能力与成像质量，然而这些硬件上的优化通常使得光学系统越来越复杂，不利于集成化小型显微镜的开发。此外，传统光学显微镜存在空间分辨率与成像视场相互制约的矛盾，无法实现高通量成像，难以满足对大尺度、大规模的细胞集群特征进行大批量观察的科研需求。为了降低传统透镜式显微镜系统的体积和硬件成本，并且同时实现大视场、高分辨率成像，无透镜显微成像技术应运而生。与传统光学显微镜最大的区别就是它不需要光学透镜，主要构成部件仅为光源、图像传感器，省去了光学镜头、调焦设备等结构，这种成像系统的硬件结构简单、紧凑。

2、在无透镜显微成像系统中，由于在样品与图像传感器之间没有使用光学透镜，图像传感器所采集到的图像是样品的衍射光斑，因此需要借助数字图像处理技术来重建图像。无透镜显微成像技术中获取清晰重建图像的关键之一是获得样品准确的离焦距离。由于样品的表面并不平整，各个区域处在不同的焦平面，样品与图像传感器之间的距离是未知的，所以需要自动对焦技术来获取样品与图像传感器之间的精确距离。目前的自动对焦方法主要通过图像清晰度评价函数确定样品的准焦位置，不需要额外的硬件对焦装置。重建图像在每一个子视场以特定步长在多个轴向平面进行传播，清晰度最高的图像所在的平面即是样品的准焦平面。这种方法需要在每一个子视场重复上述步骤来确定准焦平面，如果为了提高离焦距离的计算精度，就必须通过减小扫描步长来实现，会导致时间成本增加，无法实现全视场快速自动对焦。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种对称led照明的无透镜显微成像系统及自动对焦方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种对称led照明的无透镜显微成像系统的自动对焦方法，适用于无透镜显微成像系统，所述系统包括关于视场中轴线对称设置的第一led光源和第二led光源；

3、所述自动对焦方法包括：

4、步骤1：对采集到的所述第一led光源单独照射样品时的第一图像和所述第二led光源单独照射样品时的第二图像，分别划分为多个大小相同的子视场图像；

5、步骤2：计算得到所述第一图像的子视场图像与对应所述第二图像的子视场图像之间的像素偏移；

6、步骤3：根据所述像素偏移以及预先得到的图像像素偏移与轴向离焦位移的线性关系，确定每个子视场对应的轴向相对离焦距离；

7、步骤4：根据每个子视场对应的轴向相对离焦距离，得到全视场的焦点图；

8、步骤5：任意选取所述第一图像或所述第二图像中的一个子视场图像，利用图像清晰度评价函数确定所选子视场图像对应子视场的准确离焦距离；

9、步骤6：根据所述子视场的准确离焦距离以及所述全视场的焦点图，确定所有子视场的准确离焦距离，实现全视场自动对焦。

10、在本发明的一个实施例中，在所述步骤2中，采用互相关图像配准算法计算得到所述第一图像的子视场图像与对应所述第二图像的子视场图像之间的像素偏移。

11、在本发明的一个实施例中，采用互相关图像配准算法计算得到所述第一图像的子视场图像与对应所述第二图像的子视场图像之间的像素偏移，包括：

12、步骤a：将所述第一图像的子视场图像和所述第二图像的子视场图像分别进行傅里叶变换，得到第一傅里叶变换图像和第二傅里叶变换图像；

13、步骤b：对所述第二傅里叶变换图像进行共轭处理，得到共轭图像；

14、步骤c：将所述第一傅里叶变换图像和所述共轭图像进行相乘，对相乘结果进行逆傅里叶变换，得到所述第一图像的子视场图像和所述第二图像的子视场图像的互相关谱；

15、步骤d：根据所述互相关谱，得到所述第一图像的子视场图像与对应所述第二图像的子视场图像之间的像素偏移。

16、在本发明的一个实施例中，在所述步骤3中，所述图像像素偏移与轴向离焦位移的线性关系的获取过程，包括：

17、步骤i：基于所述对称led照明的无透镜显微成像系统，以样品台在图像传感器上方的任意位置为起点位置，采集所述起点位置的所述第一led光源单独照射样品时的第一图像以及所述第二led光源单独照射样品时的第二图像；

18、步骤ii：将样品台从所述起点位置按照预设步进间隔分别向上和向下移动预设距离，在每次移动后采集对应位置的所述第一led光源单独照射样品时的第一图像以及所述第二led光源单独照射样品时的第二图像；

19、步骤iii：对通过所述步骤i和所述步骤ii采集得到的第一图像序列和第二图像序列，采用互相关图像配准算法计算得第一图像和第二图像之间的像素偏移；

20、步骤iv：根据所述样品台的位置以及所述像素偏移，得到图像像素偏移与轴向离焦位移的散点图，对所述散点图进行曲线拟合，得到所述图像像素偏移与轴向离焦位移的线性关系。

21、在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：

22、步骤4.1：根据每个子视场对应的轴向相对离焦距离，确定每个子视场的轴向相对位置；

23、步骤4.2：根据每个子视场的轴向相对位置，绘制得到所述全视场的焦点图。

24、在本发明的一个实施例中，所述步骤5包括：

25、步骤5.1：任意选取所述第一图像或所述第二图像中的一个子视场图像

26、步骤5.2：利用衍射传播算法将所选子视场图像的重建图像分别传播至预设传播距离范围内的不同轴向平面；

27、步骤5.3：计算每个轴向平面对应重建图像的清晰度；

28、步骤5.4：确定清晰度值最大的轴向平面为样品准焦平面，根据所述样品准焦平面确定所选子视场图像对应子视场的准确离焦距离。

29、本发明提供了一种对称led照明的无透镜显微成像系统，包括：

30、样品台，用于放置样品；

31、led光源模块，位于所述样品台的上方，所述led光源模块包括第一led光源和第二led光源，所述第一led光源和所述第二led光源关于视场的中轴线对称设置；

32、准直透镜模块，设置在所述led光源模块和所述样品台之间，所述准直透镜模块包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一准直透镜位于所述第一led光源的光路上，所述第二准直透镜位于所述第二led光源的光路上；

33、图像传感器，位于所述样品台的下方，用于采集所述第一led光源单独照射样品时的第一图像以及所述第二led光源单独照射样品时的第二图像；

34、自动对焦模块，与所述图像传感器连接，用于实现权利要求1-6任一项所述的对称led照明的无透镜显微成像系统的自动对焦方法。

35、在本发明的一个实施例中，所述第一led光源和所述第二led光源均为单色led光源。

36、在本发明的一个实施例中，所述第一led光源和所述第二led光源的照射角度为20°～50°。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

38、本发明的对称led照明的无透镜显微成像系统的自动对焦方法，通过对称led光源照射，依次采集单个led光源照射下的两幅图像，将样品的轴向离焦距离转化为对称led光源照射下得到的两幅图像之间的横向像素偏移，计算出两幅图像之间的横向像素偏移后再结合预先得到的图像像素偏移与轴向离焦位移的线性关系，得到样品不同视场的轴向相对离焦距离，从而获得全视场的焦点图。只需在任意一子视场使用一次图像清晰度评价函数计算出该子视场的准确离焦距离，结合全视场的焦点图就可以得到全视场的准确离焦距离，实现全视场自动对焦，解决了传统无透镜显微成像系统自动对焦方法速度慢的问题。

39、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。