基于集成成像系统的光学三维相关识别装置及识别方法

摘要

本发明公开了一种基于集成成像系统的光学三维相关识别装置及识别方法，所述的装置包括三维信息获取装置和相关识别系统，三维信息获取装置包括样本旋转装置、光学显微镜、漫透射元件、微透镜阵列、成像透镜、计算机；相关识别系统包括激光器、第一反光镜、第二反光镜、倒装望远镜系统、空间光调制器、第一傅里叶透光镜、第三反光镜、光阑、光折变晶体、第二傅里叶透镜、第二CCD传感器和空间光调制器。本发明放大能力好，成像质量高，获取的三维信息全面，识别效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学三维识别装置，特别涉及一种基于集成成像的微小物体(长宽高小于2mm×2mm×0.1mm)三维显微及光学三维相关识别的装置、相关识别实现方法。

背景技术

光学相关识别方法具有速度快、准确性高、非接触、并行处理和平移不变性等优点使得其广泛应用于物体识别领域。其中，集成成像方法不需要相干光源，使得其结构简单，抗干扰能力更强，可解决了光学系统难于实现三维物体的识别的问题，将更具有现实意义和实用价值。例如，在医学领域，利用集成成像系统对组织切片自动识别可准确诊断疾病；在微生物学领域，集成成像系统可获取生物微小组织不同深度面的图像，进一步的三维重构和相关识别可对微生物进行分类和形态研究；在食品安全领域，通过对指标微生物识别监控可评估食品安全状况；在生态监测领域，可通过识别监控生态环境中相关微生物菌群的变化。因此基于集成成像系统的微小物体光学三维相关识别装置在诸多领域都有着广泛应用，市场应用前景十分可观，已成为国内外的热门研究课题。

目前，国内外都有关于集成成像显微装置及识别方法的相关报道。如南开大学2012年报道过基于相机阵列的三维集成成像记录系统(焦小雪,赵星，“基于相机阵列的三维集成成像记录系统”，光学精密工程，2012(20):1653-1660)通过相机阵列实现三维集成成像，此方案不仅操作复杂，而且不能对微小物体进行三维成像。对于微小物体集成成像显微装置及识别方法，国际上用了一个简单地集成成像显微装置(JavidiB,MoonI,YeomS.Three-dimensionalidentificationofbiologicalmicroorganismusingintegralimaging.Opt.Express2006,14:12096-12108.)实现。该装置利用放大透镜对生物组织进行放大，在放大透镜后面添加微透镜阵列，用以记录放大像的单元图像阵列，实现生物样本的三维检测与识别。这种方法对样本的放大倍率较小，且直接使用放大透镜导致深度方向放大率的不均匀，对样本三维信息的记录产生偏差，并且单透镜会产生严重的像差。国际上还有将集成成像与共焦激光扫描显微镜结合起来对样品应该标记后实现了生物组织的三维重构(JangJS,JavidiB.Three-dimensionalintegralimagingofmicro-objects.Opt.Lett.2004；29:1230-1232.)。该方法需要对样品进行荧光标记，只能被动的进行三维信息的获取，无法体现集成成像单次成像即可记录物体三维信息的优势，无法进行实时三维信息处理。上述各种装置存在放大能力较低、成像质量差、获取的三维信息较少、无法获取样本细微特征的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种放大倍率高、信息获取量大、结构紧凑、可实现微小物体三维信息获取及光学三维相关识别的装置以及微小物体(长宽高小于2mm×2mm×0.1mm)三维相关识别方法。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于集成成像系统的光学三维相关识别装置，包括三维信息获取装置和相关识别系统：

三维信息获取装置包括在信息获取光路方向上依次间隔设置的样本旋转装置、光学显微镜、漫透射元件、微透镜阵列和成像透镜，在样本旋转装置上可拆卸地设置有物体样本；光线沿着信息获取光路穿过样本旋转装置上的物体样本，继而依次经过光学显微镜、漫透射元件、微透镜阵列、成像透镜并经过第一CCD传感器转换后将信息传递给一个计算机；

相关识别系统包括激光器，激光器发出的光线由分光镜分为参考光路和物光路，在物光路上依次间隔设置有第一反光镜、第二反光镜、倒装望远镜系统、空间光调制器和第一傅里叶透光镜；参考光路上依次间隔设置有第三反光镜和光阑，参考光路和物光路上的光线共同汇聚至一个光折变晶体上，汇聚光线经过光折变晶体后，再经过第二傅里叶透镜照射至第二CCD传感器上，经由第二CCD传感器转换后将信息传递给所述的计算机，所述的空间光调制器与计算机连接。

进一步地，所述的物体样本为微小物体样本，物体样本为半透明状样本，物体样本的厚度为40μm～60μm；这里的半透明状是指光线可以穿过样本并在射入物体表面后经多次散射或吸收进而形成明暗对比的光学效果。

进一步地，所述的空间光调制器和光折变晶体分别位于第一傅里叶透镜的前焦面和后焦面上。

进一步地，所述的样本旋转装置包括一个用于固定物体样本的固定台，固定台可在水平面内做二维移动，用以实现物体样本无摩擦的旋转和平移；所述的固定台的旋转角度范围为-180°～180°，旋转分辨率为0.01°，平移行程为±100mm，平移分辨率1μm。

进一步地，所述的光学显微镜的照明光源为均匀光源，其物镜放大倍率为10～60倍，数值孔径为0.3～0.7，目镜放大倍率为10倍。

进一步地，所述的漫透射元件用于从光学显微镜出射光中提取携带物体样本三维信息的散射光并投射到微透镜阵列上；漫透射元件由沿靠近微透镜阵列方向上依次间隔设置的聚焦透镜、可调焦镜头和漫投射屏组成，其中可调焦镜头的焦距为12mm～23mm，漫投射屏的厚度为2mm，粒度为400～800mm，聚焦透镜的焦距为100mm。

进一步地，所述的微透镜阵列的尺寸大小为60mm×50mm，由多个焦距为1mm的自聚焦透镜组成，自聚焦透镜的直径为1mm，自聚焦透镜之间的间距为1mm。

进一步地，所述的第一CCD传感器采用EMCCD，EMCCD的像素数大于512×512，像元尺寸小于20μm×20μm，帧速大于33fps。

进一步地，所述的相关识别系统中，激光器采用532nm、100mW的固体激光器，激光器的出射光经衰减器调节至小于20mW。

进一步地，所述的相关识别系统中，经由分光镜分开的物光路、参考光路的分光比为6:4@532nm，第一反光镜、第二反光镜和第三反光镜上均镀有高反膜，高反膜的反射率大于99.8％@532nm；所述的第一傅里叶透光镜、第二傅里叶透光镜的焦距选取范围为80mm～100mm。

进一步地，所述的光折变晶体为尺寸是10mm×10mm×10mm，掺铁0.03wt％，掺锌0.6wt％的LiNbO₃:Fe晶体。

进一步地，所述的第二CCD传感器采用携带变焦镜头的高分辨率CCD相机，其变焦镜头焦距范围为12～36mm，像素数大于1024×1024，像元尺寸小于5.2μm×5.2μm。

一种利用上述装置进行光学三维相关识别的方法，包括以下步骤：

步骤一，准备好参考物体样本以及目标物体样本作为处理过程中的物体样本，并分别对参考物体样本、目标物体样本执行步骤二、步骤三的处理过程，然后执行步骤四；

步骤二，在信息获取光路上放置均匀光源，均匀光源发出的光线照射在安置于样本旋转装置上的物体样本，利用样本旋转装置对样本进行无摩擦的旋转和平移，穿过物体样本的光线经过光学显微镜被放大，以收集透射光和散射光所包含的三维信息；光学显微镜的出射光利用接口装置进行输出，到达漫透射元件，获取样本的三维信息；光线经由漫透射元件后的漫投射光由微透镜阵列接收，经成像透镜聚焦后利用第一CCD传感器进行单元阵列图像采集，并将采集信息记录到计算机中；

步骤三，激光器发出的激光束经分光镜分为两束光线，分光镜上的反射光束经第三反光镜反射后作为参考光束，分光镜上的投射光束经第一反光镜、第二反光镜反射改变方向后，经由倒装望远镜系统进行扩束和准直处理，处理后的光束均匀投射到空间光调制器上；

步骤四，计算机将第一CCD传感器采集的带有参考物体样本三维信息的单元阵列图像输入到空间光调制器上，经第一傅里叶透镜进行傅里叶变换，在第一傅里叶透镜的后焦面上得到参考物体图像的频谱，并与参考光束在光折变晶体内发生干涉，从而在光折变晶体内写入体全息图作为匹配滤波相关器；

步骤五，计算机将第一CCD传感器采集的带有目标物体样本三维信息的单元阵列图像输入到空间光调制器上，使携带目标物体三维信息的透射光作为匹配滤波相关器的读出光，通过第二傅里叶透镜进行逆傅里叶变换，在第二傅里叶透镜的后焦面上得到参考物体样本和目标物体样本的相关输出，由第二CCD传感器记录并输入到计算机中进行分析，实现对目标物体的识别。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本装置使用光学显微镜作为放大系统，相比于现有其他装置，该装置不破坏显微镜结构，因此对于微小物体的放大能力大大提高，像差减小，放大像可以更加准确的反映样本的特征信息，使得样本更加细微的特征信息可以被获取和记录；

2.本装置使用了自行设计的光漫透射元件，使得微透镜阵列可以对携带丰富样本三维特征信息的散射光进行接收，进而被单元图像阵列获取和记录，这是现有其他系统无法完成的，这样的设计不仅可以获取已有系统所能获取的全部的样本三维信息，而且可以获取更多的三维信息；

3.与现有其他装置相比，本装置通过微透镜阵列获取的每个单元图像都是对样本整体信息的记录，这样的设计使得单元图像阵列可以获取更多的样本的视角信息；

4.与现有其他识别方法相比，本识别方法将集成成像三维显微装置与光学相关识别方法相结合，实现了微小物体的光学三维相关识别。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为试验仿真中参考物体单元图像阵列；

图3为试验仿真中目标物体单元图像阵列；

图4为自相关输出的归一化强度分布曲线；

图5为互相关输出的归一化强度分布曲线。

图中标号代表：1—物体样本，2—样本旋转装置，3—光学显微镜，4—漫透射元件，5—微透镜阵列，6—成像透镜，7—第一CCD传感器，8—计算机，9—激光器，10—分光镜，11—第一反光镜，12—第二反光镜，13—第一透镜，14—第二透镜，15—空间光调制器，16—第一傅里叶透镜，17—第三反光镜，18—光阑，19—光折变晶体，20—第二傅里叶透镜，21—第二CCD传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明首先提出了一种基于集成成像系统的光学三维相关识别装置，该装置包括三维信息获取装置和相关识别系统：

三维信息获取装置包括在信息获取光路方向上依次间隔设置的样本旋转装置2、光学显微镜3、漫透射元件4、微透镜阵列5和成像透镜6，在样本旋转装置2上可拆卸地设置有物体样本1；光线沿着信息获取光路穿过样本旋转装置2上的物体样本1，继而依次经过光学显微镜3、漫透射元件4、微透镜阵列5、成像透镜6并经过第一CCD传感器7转换后将信息传递给一个计算机8；

相关识别系统包括激光器9，激光器9发出的光线由分光镜10分为参考光路和物光路，在物光路上依次间隔设置有第一反光镜11、第二反光镜12、倒装望远镜系统、空间光调制器15和第一傅里叶透镜16；参考光路上依次间隔设置有第三反光镜17和光阑18，参考光路和物光路上的光线共同汇聚至一个光折变晶体19上，汇聚光线经过光折变晶体19后，再经过第二傅里叶透镜20照射至第二CCD传感器21上，经由第二CCD传感器21转换后将信息传递给所述的计算机8，所述的空间光调制器15与计算机8连接。

本发明可实现对微小物体的三维相关识别，因而本方案中的物体样本1采用微小物体像本。物体样本1为半透明状样本，物体样本1的厚度为40μm～60μm。

样本旋转装置2包括一个用于固定物体样本1的固定台，固定台可在水平面内做二维移动，用以实现物体样本1无摩擦的旋转和平移；所述的固定台的旋转角度范围为-180°～180°，旋转分辨率为0.01°，平移行程为±100mm，平移分辨率1μm；固定台的运动由步进电机进行控制。

光学显微镜3的照明光源为均匀光源，其物镜放大倍率为10～60倍，数值孔径为0.3～0.7，目镜放大倍率为10倍。

漫透射元件4用于从光学显微镜3出射光中提取携带物体样本1三维信息的散射光并投射到微透镜阵列5上；漫透射元件4由沿靠近微透镜阵列5方向上依次间隔设置的聚焦透镜、可调焦镜头和漫投射屏组成，其中可调焦镜头的焦距为12mm～23mm，漫投射屏的厚度为2mm，粒度为400～800mm，聚焦透镜的焦距为100mm。

微透镜阵列5置于漫透射元件4之后，其尺寸大小为60mm×50mm，由多个焦距为1mm的自聚焦透镜组成，自聚焦透镜的直径为1mm，自聚焦透镜之间的间距为1mm。

倒装望远镜系统由第一透镜13和第二透镜14组成。

第一CCD传感器7采用EMCCD，EMCCD的像素数大于512×512，像元尺寸小于20μm×20μm，帧速大于33fps。激光器9采用532nm、100mW的固体激光器9，激光器9的出射光经衰减器调节至小于20mW。

在相关识别系统中，经由分光镜10分开的物光路、参考光路的分光比为6:4@532nm，第一反光镜11、第二反光镜12和第三反光镜17上均镀有高反膜，高反膜的反射率大于99.8％@532nm；所述的第一傅里叶透镜16、第二傅里叶透光镜的焦距选取范围为80mm～100mm。

光折变晶体19为尺寸是10mm×10mm×10mm，掺铁0.03wt％，掺锌0.6wt％的LiNbO₃:Fe晶体。

第二CCD传感器21采用携带变焦镜头的高分辨率CCD相机，其变焦镜头焦距范围为12～36mm，像素数大于1024×1024，像元尺寸小于5.2μm×5.2μm。

本发明还提供了一种利用上述装置进行光学三维相关识别的方法，包括以下步骤：

步骤一，准备好参考物体样本以及目标物体样本作为处理过程中的物体样本，并分别对参考物体样本、目标物体样本执行步骤二、步骤三的处理过程，然后执行步骤四；

步骤二，在信息获取光路上放置均匀光源，均匀光源发出的光线照射在安置于样本旋转装置上的物体样本，利用样本旋转装置对样本进行无摩擦的旋转和平移，穿过物体样本的光线经过光学显微镜被放大，以收集透射光和散射光所包含的三维信息；光学显微镜的出射光利用接口装置进行输出，到达漫透射元件，获取样本的三维信息；光线经由漫透射元件后的漫投射光由微透镜阵列接收，经成像透镜聚焦后利用第一CCD传感器进行单元阵列图像采集，并将采集信息记录到计算机中；

步骤三，激光器发出的激光束经分光镜分为两束光线，分光镜上的反射光束经第三反光镜反射后作为参考光束，分光镜上的投射光束经第一反光镜、第二反光镜反射改变方向后，经由倒装望远镜系统进行扩束和准直处理，处理后的光束均匀投射到空间光调制器上；

步骤四，计算机将第一CCD传感器采集的带有参考物体样本三维信息的单元阵列图像输入到空间光调制器上，空间光调制器和光折变晶体分别位于第一傅里叶透镜的前焦面和后焦面上，经第一傅里叶透镜进行傅里叶变换，在第一傅里叶透镜的后焦面上得到参考物体图像的频谱，并与参考光束在光折变晶体内发生干涉，从而在光折变晶体内写入体全息图作为匹配滤波相关器；

步骤五，计算机将第一CCD传感器采集的带有目标物体样本三维信息的单元阵列图像输入到空间光调制器上，使携带目标物体三维信息的透射光作为匹配滤波相关器的读出光，通过第二傅里叶透镜进行逆傅里叶变换，在第二傅里叶透镜的后焦面上得到参考物体样本和目标物体样本的相关输出，由第二CCD传感器记录并输入到计算机中进行分析，实现对目标物体的识别。

实施例：

以下给出基于集成成像系统的光学三维相关识别装置的相关实施例。

本实施例中，物体样本为半透明状霉菌样本，厚度约为50μm，利用样本旋转装置将物体样本固定于光学纤维镜的载物台上，样本旋转装置利用步进电机控制，角度范围-35°～35°，旋转分辨率0.01°；平移行程±35mm，平移分辨率1μm。光学显微镜的照明光源为均匀光源，物镜放大倍率60倍，数值孔径0.70；目镜放大倍率10倍，微小物体样本经光学显微镜放大后，包含三维信息的透射光和散射光利用接口装置输出。

光漫透射元件中可调焦镜头焦距15mm，漫透射屏置于可调焦镜头之前，厚度2mm，粒度为400，透镜焦距100mm。该光漫透射元件用以从显微镜出射光中提取携带样本三维信息的散射光并投射到微透镜阵列上。

微透镜阵列置于光漫透射元件后，用以接收漫透射光，大小为60mm×50mm，由焦距为1mm的自聚焦透镜组成，微透镜大小及间隔均为1mm。

第一CCD传感器为EMCCD，用以在弱光条件下接收经由微透镜阵列的散射光，像素数512×512，像元尺寸16μm×16μm。

相关识别系统中激光器为532nm，100mW固体激光器，出射光经衰减器调节至18mW，经分光镜分光，物光路、参考光路光强分别为10.8mW、7.2mW，反光镜11、12、17所镀高反膜反射率99.8％，第一傅里叶透光镜和第二傅里叶透光镜的焦距均为80mm。光折变晶体为10mm×10mm×10mm，掺铁0.03wt％，掺锌0.6wt％的LiNbO_3:Fe晶体。

以厚度约为50μm霉菌样本为参考微小物体样本，利用光学显微镜、光漫透射元件、微透镜阵列、成像透镜、第一CCD传感器、计算机组成的集成成像三维显微系统获取其三维信息，输入至空间光调制器，在光折变晶体中写入体全息图制作匹配滤波器。

以厚度约为50μm的另一类霉菌样本、骨髓切片为目标微小物体样本，利用相同集成成像三维显微系统获取其三维信息，输入至空间光调制器，利用光学匹配滤波方法进行相关识别，对于相似度较高的另一类霉菌样本，得到大于0.76的互相关输出值；对于形态有较大差异的骨髓切片样本，得到小于0.48的互相关输出值，至此实现了基于集成成像系统的微小物体三维相关识别。

试验仿真：

图2、图3为利用本发明装置获取上述实施例的参考物体样本和目标物体样本(待识别样本)的12×12单元图像阵列，其中图2为某霉菌单元图像阵列图像，在识别实验中均作为参考物体；图3为同类霉菌不同个体的单元图像阵列图像，在高相似度生物微小组织三维相关识别实验中作为目标样本。

图4、图5为本三维识别装置输出的归一化强度分布曲线，其中图4为自相关输出的归一化强度分布曲线，图5为互相关输出的归一化强度分布曲线。