[发明专利]一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法

说明书

本发明属于光学成像领域，更具体地，属于光学切片成像领域，提供了一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法，其过程包括对原始图像进行边缘检测，再结合应用广泛的HiLo算法，以实现虚拟HiLo算法过程。本发明具有与常规光学切片成像技术相媲美的光学切片性能。本发明方法特点在于仅需一张宽场照明的图像即可重构光学切片图像，相较于常规光学切片方法，本发明方法能够有效提高成像速度，抑制运动伪像，简化成像的复杂度和降低成像装置成本。并且，本发明方法能够轻易地应用到具有离焦模糊噪声抑制相关的需求的成像领域。

技术领域

本发明属于光学成像领域，更具体地，是光学切片成像领域。涉及到边缘检测，并结合HiLo算法，提出了一种低成本，一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法。

技术背景

宽视场成像是光学成像方法中的一种基本成像方式，因其速度快、成本低而广受欢迎。但一些常见的缺点也很明显，在观察有深度的物体时，离焦信号被模糊成背景或噪声，额外的照明光激发可能会降低所采集图像的信噪比。这阻碍了高对比度图像的获取。为了抑制这种离焦噪声，已经开发了多种光学切片成像技术，例如共聚焦荧光显微镜、双光子荧光显微镜、光片荧光显微镜、OS-SIM显微镜、HiLo显微镜等。但由于它们特殊的光学设计，每种技术都有其优点和缺点。其中，基于激光扫描光学设计的共聚焦或双光子荧光显微镜以低成像速度为代价实现了光学切片能力。光片荧光显微镜需要昂贵且不方便的复杂光学元件。传统的OS-SIM显微镜可以简化光学系统，但需要三幅具有特定相移的正弦照明图案的图像来重建光学切片图像，这限制了成像速度和捕捉快速动态事件的应用。

近年来，基于两张图像(均匀照明图像和结构化照明图像)的具有优异光学切片能力的HiLo技术已广泛应用于传统的宽视场显微镜、宽视场内窥镜、宽视场多光子显微镜、光片显微镜、光场显微镜、多焦点显微镜和非相干全息术等等。

尽管只有两张拍摄图像的宽视场成像模式已经大大提高了成像速度，但所需要的两张拍摄图像，均匀照明图像和结构化照明图像，仍然会影响成像速度和成像质量的提高。首先，它不能充分利用科学相机的成像速度潜力，因为在HiLo中存在结构照明和均匀照明之间的切换。因此，它的成像速度总是达不到相机成像速度的一半。其次，两次采集图像的要求意味着成像速度和成像稳定性之间的折衷，否则会引入伪影。对于快速运动的物体，两幅拍摄图像之间的运动诱发伪影是不可避免的，这会影响最终的成像质量。最后，HiLo很少出现在无标记成像中，尽管其出色的切片能力，不便的步骤和冗余设备是限制其应该范围的一部分原因。因此，目前还没有一种方法可以同时满足快速、低成本、无伪像、方便和易扩展的条件。

为了克服现有光学切片成像技术的上述限制，本发明提出了一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法，能够同时达到简化光学系统并提高成像速度的目的。这种新方法只需要一张宽视野均匀照明图像，突破了传统HiLo或OS-SIM方法的成像速度限制。对于单个图像，不会引入由运动引起的伪影。此外，光学切片性能可与当前的光学切片方法相媲美。

发明内容

本发明的目的在于结合边缘检测、HiLo算法等技术，提供了一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法，即V-HiLo-ED(Virtual HiLo based on edgedetection)，克服了现有光学切片方法成像速度慢、成本高、实验装置复杂、存在伪像等问题。

本发明通过基于一张宽场均匀照明的图像，在无需任何事先训练或其他条件的情况下，即可实现重构出光学切片图像结果。显著提高了成像速度，减少了试验成本，简化了实验复杂度、避免了运动伪像。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术，应当理解，此处所描述的边缘检测中的拉普拉斯算子(LOG)仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明：

一种基于虚拟HiLo算法的宽场光学切片快速成像方法，包括以下步骤：