一种基于LED阵列照明的显微成像系统位置标校方法

一种基于led阵列照明的显微成像系统位置标校方法
技术领域
1.本发明属于计算光学显微成像领域，具体为一种基于led阵列照明的显微成像系统位置标校方法。


背景技术：

2.2013年zheng等人提出傅里叶叠层成像技术，该技术创新性地将传统光学显微镜的单一明场光源替换为可提供多入射角的led阵列光源，结合叠层成像、孔径合成、相位恢复等技术，采用迭代式算法将不同入射角度下的图像频谱在频域中交替投影融合，最终重建出大视场、高分辨率的复振幅频谱，在工业质检、生物医学等领域具有广阔的应用前景和发展潜力。
3.在傅里叶叠层成像过程中，需要精确计算各led单元对应的照明波矢，用于迭代更新过程中确定对应图像的频谱方位，从而进行振幅替换实现孔径融合及相位恢复。然而照明波矢的计算受到led阵列的xy位置偏移误差、相机偏转角度误差以及led阵列平面到样本的距离误差影响，在系统装调及测量过程中往往难以避免产生上述位置误差，导致计算的照明波矢和实际照明波矢不匹配，从而严重影响重建图像的质量。因此，为了提升傅里叶叠层成像的重建效果，对于基于led阵列照明的傅里叶叠层显微成像系统位置标校显得至关重要。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于led阵列照明的显微成像系统位置标校方法，解决傅里叶叠层成像技术的系统位置误差严重影响成像质量的问题。
5.本发明是这样实现的，
6.一种基于led阵列照明的显微成像系统位置标校方法，该方法包括：
7.步骤1，在不放置样本的情况下，拍摄一组带有渐晕图样的图像；
8.步骤2，对各图像进行预处理及二值化，提取对应的渐晕圆弧轮廓；
9.步骤3，对提取的渐晕圆弧轮廓进行圆拟合，获取有效拟合得到的渐晕圆半径，以及对应的有效渐晕圆弧轮廓；
10.步骤4，对得到的渐晕圆半径去除部分奇异值，获得有效的渐晕圆半径；
11.步骤5，对有效的晕圆半径进行加权求和，得到最终的渐晕圆半径估计值；
12.步骤6，利用最终的渐晕圆半径估计值作为待拟合圆半径，重新对各有效的渐晕圆弧轮廓进行圆拟合，获得各图像对应的渐晕圆圆心坐标；
13.步骤7，取图像坐标系coor
img
，将坐标系原点设为渐晕圆圆心，通过各图像对应的渐晕圆圆心坐标计算在图像坐标系coor
img
下，各图像中心的坐标；
14.步骤8，基于照明波矢的中心对称性质，对关于中心led照明中心对称的图像中心坐标求平均值，得到中心led照明对应图像中心在图像坐标系coor
img
的坐标，即光轴所在坐标，而渐晕圆圆心为中心led照明对应的光束中心，计算led阵列中心照明相对于光轴的距
离；
15.步骤9，取led阵列照明坐标系coor
ill
，坐标系原点为中心led照明中心，利用各led照明对应的图像中心在图像坐标系coor
img
的坐标，拟合出坐标系coor
ill
的xy轴方向，计算得到led阵列照明坐标系coor
ill
与图像坐标系coor
img
的夹角θ；
16.步骤10，由于渐晕圆圆周区域可视为入射角为孔径角，渐晕圆圆心为该led照明情况下光束中心与像面的交点，由入射角计算公式得到led阵列平面到样本平面的像素高度；
17.步骤11，利用入射角计算公式，将各led照明对应图像中心的坐标带入，计算得到各led照明对应的入射角，根据已知的led照明的实际间距，根据入射角列等式计算各led阵列平面到样本平面的高度，对计算的高度求平均值，得到led阵列平面到样本平面的实际高度估计；
18.步骤12，由led阵列中心照明相对于光轴的像素距离，将计算得到的实际高度估计带入，得到中心led照明到光轴的实际距离；
19.步骤13，根据计算得到的led阵列平面到样本平面的高度h，中心led照明到光轴的距离以及led阵列照明坐标系coor
ill
相对于图像坐标系coor
img
的偏转角θ，标定当前系统光路位置信息；
20.步骤14，根据标定校正后的各led照明对应图像坐标系coor
img
下的实际坐标，计算校正后的各led照明对应的照明波矢，消除系统位置误差的影响，带入傅里叶叠层迭代更新重建中，获得傅里叶叠层成像效果。
21.进一步地，步骤1中采集图像时使用低na的物镜，且采用大靶面的相机，图像roi居中于完整图像画幅，步骤2中，对各图像进行高斯模糊预处理，基于otsu算法进行图像的二值化，对二值化后的图像进行开操作和闭操作以消除杂光影响，随后对预处理后的二值图提取其渐晕圆弧轮廓cj(j＝1，2，3，...，n)。
22.进一步地，步骤4中，去除奇异值时计算的渐晕圆半径ri的均值μ和方差σ，取范围在[μ-0.5*σ，μ 0.5*σ]的ri为有效值，范围之外的作为奇异值去除，步骤5中，加权求和计算渐晕圆半径估计值其中权重wi为归一化的图像渐晕圆弧轮廓长度
[0023]
进一步地，步骤7中的图像坐标系coor
img
，坐标原点设为渐晕圆圆心，xy轴方向为图像的xy方向；各led照明对应的图像中心坐标，则是关于坐标原点中心对称的各led照明对应照明波矢；步骤8中，基于照明波矢的中心对称性质，拟合出的中心led照明对应图像中心，在此设为光轴与像面的交点，其与原点的距离即为中心led照明对应照明波矢相对于光轴的距离。
[0024]
进一步地，步骤9中的led阵列照明坐标系coor
ill
，坐标原点设为中心led照明单元，xy轴方向为led阵列平板的xy方向，利用步骤7中各led照明对应图像中心可拟合出led阵列照明坐标系coor
il
的xy轴方向。
[0025]
进一步地，步骤10中，各led照明的入射角计算公式为：其中l为该led照明单元相对于光轴的距离，h为led阵列平面到样本平面的高度；根据渐晕圆半径估计
值r
vig
及其对应入射角为孔径角θ
na
，计算led阵列平面到样本平面的像素高度的公式为：
[0026]
进一步地，步骤11中，计算各led照明对应照明波矢进一步地，步骤11中，计算各led照明对应照明波矢其中li已知，求得led阵列平面到样本平面的实际高度对hi求均值，得led阵列平面到样本平面的实际高度估计h。同理，在步骤12中，求得中心led照明单元到光轴的实际距离difx，dify。
[0027]
进一步地，步骤13中，根据计算得到的led阵列平面到样本平面的实际高度估计h，中心led照明单元到光轴的实际距离difx，dify，led阵列照明坐标系coor
ill
相对于图像坐标系coor
img
的偏转角θ，校正图像坐标系coor
img
下各led照明的方位信息：
[0028]
h＝h
[0029][0030][0031][0032][0033]
其中h为led阵列平面到样本平面的高度，和分别是第i个led照明相对于中心led照明在led阵列照明坐标系coor
ill
的x，y轴方向上的实际距离；和是第i个led照明中心在led阵列照明坐标系coor
ill
上的实际坐标；和是第i个led照明中心在图像坐标系coor
img
下的坐标。
[0034]
进一步地，步骤14中，计算各led照明对应入射角的公式为：
[0035][0036][0037]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0038]
本发明在不放置样本的情况下，点亮led单元并采集带有渐晕图样的图像，对采集到的图像提取渐晕圆圆弧，并通过圆拟合获得其圆心和半径，随后对各图像拟合得到的圆心和半径进行统计分析，获得最终拟合的渐晕圆半径和圆心坐标。
[0039]
由于渐晕圆的圆心可视为中心led照明对应的照明波矢，相机像面中心可视为成像系统光轴与像面交点，由此可计算得到中心led照明单元相对于光轴的xy位置偏移difx、dify，相机偏转角θ以及led阵列平板到样本的距离h，在波矢计算中带入上述参数，从而得到系统误差矫正后的照明波矢，消除系统位置误差影响，以此提升傅里叶叠层成像效果。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例的显微成像系统结构示意图
[0041]
图2是本发明实施例的流程示意图；
[0042]
图3是以usaf分辨率板作为待测样本的傅里叶叠层显微成像结果，其中图3(a)是未经过系统位置标校的重建结果；图3(b)是经过本发明进行系统位置标校后的重建结果。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
本发明实施例提供的基于led阵列照明的显微成像系统如图1所示，包括led平板阵列光源1、显微物镜2、筒镜3和相机4。其中led平板阵列光源采用adafruit 32
×
32 led阵列，其相邻led单元间距均为4mm；显微物镜为olympus 4
×
/0.1na物镜，相机为andor zyla 5.5，相机靶面大小为16.6
×
14.0mm，分辨率2560*2160。其中led阵列的中心led单元，显微物镜、筒镜和相机中心进行了同轴初步对齐，且认为相机成像中心在光轴上，各led照明对应图像的渐晕圆圆心为该led照明的光束中心所在区域(即照明波矢)，渐晕圆圆周区域可近似为该led照明下入射角为孔径角的区域。
[0045]
参见图2所示，一种基于led阵列照明的显微成像系统位置标校方法，包括：
[0046]
步骤1，以中心led照明单元为中心取5
×
5的led照明，从左上到右下的顺序逐行单个点亮led单元，取像素大小为2048
×
2048且居中于相机成像的roi，拍摄对应的一组带有渐晕图样的图像imgj(j＝1，2，3，...，n)(n＝25)，其中imgj代表第j个led单元照明对应采集的图像。
[0047]
步骤2，对各图像进行高斯模糊预处理，基于otsu算法进行图像的二值化，对二值化后的图像进行开操作和闭操作以消除杂光影响，随后对预处理后的二值图提取其渐晕圆弧轮廓cj(j＝1，2，3，...，n)；
[0048]
步骤3，对渐晕圆弧轮廓cj(j＝1，2，3，...，n)进行圆拟合，获取有效拟合得到的渐晕圆半径ri(i＝1，2，3，...，m)，以及对应的有效渐晕圆弧轮廓其中m≤n；
[0049]
步骤4，对得到的渐晕圆半径ri(i＝1，2，3，...，m)计算均值μ和方差σ，取范围在[μ-0.5*σ，μ 0.5*σ]的半径值ri为有效值，范围外的半径视为奇异值去除，以获得有效的渐晕圆半径其中k≤m；
[0050]
步骤5，对有效的渐晕圆半程进行加权求和，其权重wi为归一化
后的对应图像渐晕圆弧轮廓长度从而得到最终的渐晕圆半径估计值
[0051]
步骤6，利用最终的渐晕圆半径估计值r
vig
作为待拟合圆半径，再次对各有效的渐晕圆弧轮廓进行圆拟合，从而获得对应的渐晕圆圆心坐标
[0052]
步骤7，取图像坐标系coor
img
，将坐标系原点设为渐晕圆圆心，通过各图像对应的渐晕圆圆心坐标可计算得到在图像坐标系coor
img
下，各图像中心的坐标
[0053]
步骤8，基于照明波矢的中心对称性质，在能进行有效圆拟合的图像中，匹配出每对led照明关于中心led照明中心对称的图像，对所有进行匹配图像的中心坐标求平均值，得到中心led照明对应的图像中心坐标x
axisyaxis
，计算出中心led照明在图像坐标系coor
img
的xy方向相对于光轴的像素距离，dx＝x
axis
，dy＝x
axis
；
[0054]
步骤9，取led阵列照明坐标系coor
ill
，并对照明坐标系下x
ill
方向上每一列、y
ill
方向上每一行的有效图像中心点进行线性拟合其中指dir轴方向，第i列/行的中心点进行线性拟合得到的直线斜率，由该参数计算led阵列照明坐标系coor
ill
的x
ill
，y
ill
方向与图像坐标系coor
img
的x
img
，y
img
方向的偏转角对偏转角取平均值，得到led阵列照明坐标系coor
ill
相对于图像坐标系coor
img
的偏转角
[0055]
步骤10，利用渐晕圆圆周为明暗场边界即对应入射角为孔径角θ
na
，sinθ
na
＝na，以及渐晕圆圆心为光轴与像面交点的近似关系，由入射角计算公式其中θ为入射角，l为该物点到光轴的距离，h为led阵列平面到样本平面的距离，计算得到led阵列平面到样本平面的像素高度
[0056]
步骤11：计算各led照明对应照明波矢令则计算得到各led照明光束中心对应的入射角(照明波矢)，根据已知的各led照明到中心led照明单元的实际间距li，求得led阵列平面到样本平面的实际高度对hi求均值，得到led阵列平面到样本平面的实际高度估计
[0057]
步骤12，由其中dx，dy为中心led照明波矢在图像坐标系coor
img
的xy方向上到光轴的像素距离，difx，dify为中心led照明单元到光轴的实际距离，h
p
为led
阵列平面到样本平面的像素高度，h为led阵列平面到样本平面的实际高度)，计算
[0058]
步骤13，根据计算得到的led阵列平面到样本平面的实际高度估计h，中心led照明单元到光轴的实际距离difx，dify以及led阵列照明坐标系coor
ill
相对于图像坐标系coor
img
的偏转角θ，标定当前系统光路位置信息，用于校正在图像坐标系coor
img
下各led照明的方位信息。
[0059]
h＝h
[0060][0061][0062][0063][0064]
其中h为led阵列平面到样本平面的高度，和分别是第i个led照明相对于中心led照明在led阵列照明坐标系coor
ill
的x，y轴方向上的实际距离；和是第i个led照明中心在led阵列照明坐标系coor
ill
上的实际坐标；和是第i个led照明中心在图像坐标系coor
img
下的坐标。
[0065]
步骤14，根据第i个led照明中心在图像坐标系coor
img
下的坐标，可以计算得到校正后的照明波矢入射角，以此消除系统位置误差的影响，获得更好的傅里叶叠层重建效果，其中及为第i个led照明情况下入射光在图像坐标系coor
img
的x、y方向上与光轴的夹角。
[0066][0067][0068]
图3是以usaf分辨率板作为待测样本的傅里叶叠层显微成像结果，其中图3(a)是未经过系统位置标校的重建结果；图3(b)是经过本发明进行系统位置标校后的重建结果。可见本发明方法实现了照明波矢的校正，消除系统位置误差影响，以此提升傅里叶叠层成像效果。
[0069]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。