CN110196232B - 一种共焦成像装置及共焦成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共焦成像装置及共焦成像方法，本发明实施例采用孔径成像方法解决扫描照明过程的繁琐问题，且设置可调控的平面反射镜阵列，利用对平面反射镜阵列的调节克服共焦照明无法推移的问题，实现诸如水下等应用场景下的共焦成像，扩大了应用场景范围。

Description

一种共焦成像装置及共焦成像方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，特别涉及一种共焦成像装置及共焦成像方法。

背景技术

共焦是指包括激发和发射的光路在两个位置上聚焦。在共焦成像过程中，激发光聚焦在样品表面，而发射光聚焦在照明针孔上。这一针孔限制光路在样品表面的聚焦深度，有效防止杂质信号产生的背景噪音干扰，从而降低背景信号的强度，提升了样品的成像质量。共焦成像方法最早应用于共聚焦显微镜上，主要采用聚焦模式照明和同步成像来创建三维生物标本的横断面。它是一种光聚焦照明和照明针孔调制来去除样品非焦点平面的散射光的光学成像手段，相比于其他成像方法可以提高光学分辨率和视觉对比度。共聚焦显微镜在生物医学方面做出极大的贡献，拥有很多成果，对研究细胞或大脑等微小的物质有极大的意义。

但是，共焦成像一直被限制于显微镜的设计中，应用范围也仅仅限于生物医学。为了使共焦成像技术适用于大规模场景，提出了使用投影仪和相机阵列来替代显微镜使用的光学孔径。在具体实现时，共焦成像技术分为两类：共焦扫描方式和共焦编码方式。其中，共焦扫描方式是利用设置在光源单元后的照明针孔及设置在检测器前的探测针孔实现点照明和点探测，来自光源单元的光通过照明针孔，得到发射光聚焦在样品的焦平面的某个点上，该点成像在探测针孔内，检测器通过探测针孔获取到样品的图像。共焦编码方式下，在设置的投影仪前设置随机掩膜，在随机掩膜前设置分光镜，利用分光镜使得投影仪与相机共轴，投影仪发出的出射投影光源经过所设置的随机掩膜和分光镜后，通过所设置的平面镜阵列的反射到样品所在的场景中；样品的出射光通过所设置的平面镜阵列反射后，再经过分光镜进入到相机中，实现相机对样品图像的获取。

但是，采用上述两种方法进行共焦成像，都存在缺点：共焦扫描方式由于其照明针孔和探测针孔的孔径小，所以成像范围小，且采用扫描方式完成共焦照明及成像，扫描过程繁琐且速度慢，一旦应用于稍大的场景就会耗费大量的时间和精力。共焦编码方式克服了共焦扫描方式的缺点，但是其中的平面镜阵列是固定设置好的，无法调整，不够简便灵活，限制了共焦成像的应用场景范围。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种共焦成像装置，该系统能够简便及灵活地对共焦成像的照明深度进行调整，扩大共焦成像的应用场景范围。

本发明实施例还提供一种共焦成像方法，该方法能够简便及灵活地对共焦成像的照明深度进行调整，扩大共焦成像的应用场景范围。

本发明实施例是这样实现的：

一种共焦成像装置，包括：光源单元、分光镜、偏振片、平面反射镜阵列及成像单元，其中，平面反射镜阵列由多个可旋转的平面反射镜拼接得到，所述平面反射镜两两之间无缝隙且在拼接后的平面反射镜阵列具有设定弧度；

光源单元投射的白光被分光镜透射到偏振片上；偏振片对该投射光进行偏振信息的调节，该调节后的白光经过平面反射镜阵列的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上；

样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列的反射、偏振片的透传及分光镜的反射后，由成像单元获取样品聚焦面图像。

一种共焦成像方法，设置如权利要求1所述的共焦成像装置，该方法包括：

共焦成像装置中的光源单元投射的白光被共焦成像装置中的分光镜透射到共焦成像装置中的偏振片上；

共焦成像装置中的偏振片对该投射光进行偏振信息的调节后，该调节后的白光经过共焦成像装置中的平面反射镜阵列的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上；

样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列的反射、偏振片的透传及分光镜的反射后，由成像单元获取样品聚焦面图像。

如上可见，本发明实施例采用孔径成像方法解决扫描照明过程的繁琐问题，且设置可调控的平面反射镜阵列，利用对平面反射镜阵列的调节克服共焦照明无法推移的问题，实现诸如水下等应用场景下的共焦成像，扩大了应用场景范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的共焦成像装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的共焦成像方法流程图；

图3为本发明实施例提供的共焦成像装置具体例子结构示意图；

图4为本发明实施例提供的照明与成像光路示意图；

图5为本发明实施例提供的共焦推移概念示意图。

标号说明

11-光源单元

12-分光镜

13-偏振片

14-平面反射镜阵列

15-成像单元

31-投影仪

32-相机

33-样品

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

背景技术中的共焦编码方式虽然可以扩大成像范围，且由于不需要采用扫描完成共焦照明，从而使得共焦成像过程简单且速度快。但是，由于共焦编码方式中的平面镜阵列是固定设置好的，无法调整，不够简便灵活，限制了共焦成像的应用场景。因此，本发明实施例为了解决这个问题，采用孔径成像方法解决扫描照明过程的繁琐问题，且设置可调控的平面反射镜阵列，利用对平面反射镜阵列的调节克服共焦照明无法推移的问题，实现诸如水下等应用场景下的共焦成像，扩大了应用场景范围。

图1为本发明实施例提供的共焦成像装置结构示意图，包括：光源单元11、分光镜12、偏振片13、平面反射镜阵列14及成像单元15，其中，平面反射镜阵列14由多个可旋转的平面反射镜拼接得到，所述平面反射镜两两之间无缝隙且在拼接后的平面反射镜阵列14具有设定弧度。

光源单元11投射的白光被分光镜12透射到偏振片13上；偏振片13对该投射光进行偏振信息的调节后，该调节后的白光经过平面反射镜阵列14的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上；

样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列14的反射、偏振片13的透传及分光镜14的反射后，由成像单元15获取样品聚焦面图像。

在本发明实施例中，所述光源单元11所投射的白光经过了设置的投影图像的编码后，再被分光镜12接收。

在本发明实施例中，所述偏振片13对该投射光进行偏振信息的调节为水平偏振和垂直偏振的调节；所述设定的投影图像包括：根据所述偏振片13的水平偏振和垂直偏振的调节信息计算得到所述样品应用场景的深度分布信息，根据所述样品应用场景的深度分布信息设定投影图像。

在本发明实施例中，所述设定的投影图像根据所述样品的应用场景改变，进行调节或更新。

这样，在采用所述设备进行第一次共焦成像时，可以根据偏振片13的偏振信息获取得到所述样品应用场景的深度分布信息，进而得到投影图像，从而在第二次共焦成像时，应用该投影图像进行白光的投影。由于是根据所述样品应用场景的深度分布信息判断确定无效前景与所述样品的感兴趣部分，而设置的投影图像，能够降低对所述样品的前景的照明，从而提高所述样品的感兴趣部分与无效前景的照明对比度。

在本发明实施例中，若更换应用场景，则利用该装置调节投影图像的亮度分布来实现自适应共焦成像。具体地说，根据应用场景调节或更换投影图像，实现自适应共焦推移成像。

在本发明实施例中，所述光源单元11可以为投影仪。

在本发明实施例中，所述平面反射镜阵列14设定的弧度实现将该调节后的白光反射至样品的聚焦面上。所述平面反射镜阵列14的角度及设定的弧度能够被自动调节。

在本发明实施例中，所述分光镜12是透光比为50:50的分光平片，设置与所述装置的投影光轴成45度放置；所述偏振片13为彩色透反射偏振片，对该投射光具有遮蔽及透过的功能。

在本发明实施例中，成像单元15为相机设置的电荷耦合元件(CCD)平面。

在本发明实施例中，还包括计算机，所述成像单元15获取样品聚焦面图像输出给计算机进行处理，进行样品的识别及分割等。

在本发明实施例中，所述装置的应用场景为水下。

在本发明实施例中，光源单元11的位置与成像单元15的位置垂直，实现共轴成像。

图2为本发明实施例提供的共焦成像方法流程图，设置共焦成像装置，其具体步骤为：

步骤201、共焦成像装置中的光源单元投射的白光被共焦成像装置中的分光镜透射到共焦成像装置中的偏振片上；

步骤202、共焦成像装置中的偏振片对该投射光进行偏振信息的调节后，该调节后的白光经过共焦成像装置中的平面反射镜阵列的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上；

步骤203、样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列的反射、偏振片的透传及分光镜的反射后，由成像单元获取样品聚焦面图像。

在本发明实施例中，所述平面反射镜阵列由多个可旋转的平面反射镜拼接得到，所述平面反射镜两两之间无缝隙且在拼接后的平面反射镜阵列具有设定弧度。所述平面反射镜阵列的角度及设定弧度被控制调节。

在该方法中，在所述白光被共焦成像装置中的分光镜透射到共焦成像装置中的偏振片上之前，还包括：所述投射的白光按照设定的投影图像进行编码后，再被所述分光镜接收；

所述对该投射光进行偏振信息的调节为水平偏振和垂直偏振的调节；

所述设定的投影图像包括：根据所述对该投射光进行的水平偏振和垂直偏振的调节信息计算得到所述样品应用场景的深度分布信息，根据所述样品应用场景的深度分布信息设定投影图像；

所述设定的投影图像根据所述样品的应用场景改变，进行调节或更新。

在本发明实施例中，若更换应用场景，则利用该装置调节投影图像的亮度分布来实现自适应共焦成像。

可以看出，本发明实施例采用了可控的平面反射镜阵列，可通过外部控制调节平面反射镜阵列的角度及设定的弧度，使得照明光束聚焦于样品的聚焦面，克服了背景技术中的共焦扫描照明繁琐问题，实现了多深度的共焦照明推移。本发明实施例结合孔径成像方式与共焦照明推移方式，从而实现了多视角的共焦成像，解决恶劣应用场景下，尤其是水下的弱散光和遮挡问题。本发明实施例采用了设置投影图像编码的方法，由光源单元投射的白光经过了投影图像的编码，使得编码后的白光对样品的聚焦面的照射更加准确，有效降低不同深度前景目标(相对于感兴趣目标来说)对照明光线的反射，从而实现样品与无效前景的高对比照明分布，更好地获取样品聚焦面图像。

图3为本发明实施例提供的共焦成像装置具体例子结构示意图。该装置由投影仪31、分光镜12、偏振片13、平面反射镜阵列14、相机32及样品33组成。其中分光镜12选用透反比为50:50，且设置与水平面成45度放置。通过分光镜12的半透半反的作用，投影仪31的放置位置与相机32的放置位置垂直，实现共轴成像、平面反射镜阵列14由4*4或5*5，甚至更多的可调节的大小为50毫米*50毫米的平面反射镜组成。通过调节每个平面反射镜的旋转角度，可以使其反射形成照明光束聚焦在样品33的同一焦平面上。

在进行共焦成像过程中，投影机31的光源由A点发射出去，经过光源前的投影图案进行编码；被编码后的光源通过分光镜12投射，偏振片13改变投射后的光源的偏振信息至平面反射镜阵列14上；再被平面反射镜阵列14反射到样品33所在应用场景处；

样品33所在应用场景处的反射光回到平面反射镜阵列14上，平面反射镜阵列14将该反射光反射，经过偏振片13和分光镜12，再次反射回到相机32上，被相机32获取到；相机将获取到的图像传输到计算机中，进行后续的图像处理，完成样品33的识别及分割等。

图4为本发明实施例提供的照明与成像光路示意图。其中，在照明光路中，光源从投影仪射出，该面光源经过投影图像的编码后，完全透射到分光镜上，经由分光镜照射在平面反射镜阵列上。在平面反射镜阵列中，每一个平面反射镜都会接收到一部分的光源且将该部分光源反射至样品所在应用场景，平面反射镜阵列总共照亮样品所在应用场景。在成像光路中，样品反射光线回到平面反射镜阵列中的每一个平面反射镜上，每一个平面反射镜都能接收到样品图像，且因为每一个平面反射镜的位置角度不同，使得每一个平面反射镜所成的图像都具有一定视差；平面反射镜阵列将多个视角的样品图像经由偏振片透传后，反射至分光镜上，由分光镜再次反射，样品图形就被相机设置的CCD平面所获取到。

图5为本发明实施例提供的共焦推移概念示意图。本发明实施例是通过改变平面反射镜阵列中的每一个平面反射镜的角度，从而改变照明光束聚焦在样品所在应用场景的位置。如图中照明光束照射在样品焦平面1上，及照射在样品的焦平面2上，形成照明光束的平面反射镜阵列的弧度及角度不同。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种共焦成像装置，其特征在于，包括：光源单元(11)、分光镜(12)、偏振片(13)、平面反射镜阵列(14)及成像单元(15)，其中，平面反射镜阵列(14)由多个可旋转的平面反射镜拼接得到，所述平面反射镜两两之间无缝隙且在拼接后的平面反射镜阵列(14)具有设定弧度，通过对平面反射镜阵列(14)的调节实现所述装置的共焦平面的推移；

光源单元(11)投射的白光被分光镜(12)透射到偏振片(13)上；偏振片(13)对该投射光进行偏振信息的调节，该调节后的白光经过平面反射镜阵列(14)的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上；

样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列(14)的反射、偏振片(13)的透传及分光镜(12)的反射后，由成像单元(15)获取样品聚焦面图像；

所述光源单元(11)所投射的白光经过了设置的投影图像的编码后，再被分光镜(12)接收；

所述偏振片(13)对该投射光进行偏振信息的调节为水平偏振和垂直偏振的调节；

所述所设置的投影图像包括：根据所述偏振片(13)的水平偏振和垂直偏振的调节信息计算得到所述样品应用场景的深度分布信息，根据所述样品应用场景的深度分布信息设置投影图像；

所述设置投影图像根据所述样品的应用场景改变，进行调节或更新。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源单元(11)为投影仪；

所述成像单元(15)为相机设置的电荷耦合元件(CCD)平面。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面反射镜阵列(14)的角度及设定的弧度被自动调节。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光镜(12)是透光比为50:50的分光平片，设置与所述装置的投影光轴成45度放置。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源单元(11)的位置与所述成像单元(15)的位置垂直，实现共轴成像。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括计算机，所述成像单元(15)获取样品聚焦面图像输出给所述计算机进行处理。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的应用场景为水下。

8.一种共焦成像方法，其特征在于，设置如权利要求1所述的共焦成像装置，该方法包括：

共焦成像装置中的光源单元投射的白光被共焦成像装置中的分光镜透射到共焦成像装置中的偏振片上；

共焦成像装置中的偏振片对该投射光进行偏振信息的调节后，该调节后的白光经过共焦成像装置中的平面反射镜阵列的反射后，形成照明光束聚焦于样品的聚焦面上，所述平面反射镜阵列通过调节实现所述共焦成像装置的共焦平面的推移；

样品的聚焦面将照明光束反射，反射的照明光束依次经过平面反射镜阵列的反射、偏振片的透传及分光镜的反射后，由成像单元获取样品聚焦面图像；

在所述白光被共焦成像装置中的分光镜透射到共焦成像装置中的偏振片上之前，还包括：所述投射的白光按照设定的投影图像进行编码后，再被所述分光镜接收；

所述对该投射光进行偏振信息的调节为水平偏振和垂直偏振的调节；

所述设定的投影图像包括：根据所述对该投射光进行的水平偏振和垂直偏振的调节信息计算得到所述样品应用场景的深度分布信息，根据所述样品应用场景的深度分布信息设定投影图像；

所述设定的投影图像根据所述样品的应用场景改变，进行调节或更新。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述平面反射镜阵列由多个可旋转的平面反射镜拼接得到，所述平面反射镜两两之间无缝隙且在拼接后的平面反射镜阵列具有设定弧度， 所述平面反射镜阵列的角度及设定弧度被控制调节。

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