基于集成成像系統(tǒng)的光學(xué)三維相關(guān)識別裝置及識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)三維識別裝置，特別涉及一種基于集成成像的微小物體(長寬高小于2mmX2mmX0.1mm)三維顯微及光學(xué)三維相關(guān)識別的裝置、相關(guān)識別實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相關(guān)識別方法具有速度快、準確性高、非接觸、并行處理和平移不變性等優(yōu)點使得其廣泛應(yīng)用于物體識別領(lǐng)域。其中，集成成像方法不需要相干光源，使得其結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力更強，可解決了光學(xué)系統(tǒng)難于實現(xiàn)三維物體的識別的問題，將更具有現(xiàn)實意義和實用價值。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用集成成像系統(tǒng)對組織切片自動識別可準確診斷疾?。辉谖⑸飳W(xué)領(lǐng)域，集成成像系統(tǒng)可獲取生物微小組織不同深度面的圖像，進一步的三維重構(gòu)和相關(guān)識別可對微生物進行分類和形態(tài)研究；在食品安全領(lǐng)域，通過對指標微生物識別監(jiān)控可評估食品安全狀況；在生態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，可通過識別監(jiān)控生態(tài)環(huán)境中相關(guān)微生物菌群的變化。因此基于集成成像系統(tǒng)的微小物體光學(xué)三維相關(guān)識別裝置在諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，市場應(yīng)用前景十分可觀，已成為國內(nèi)外的熱門研究課題。
[0003]目前，國內(nèi)外都有關(guān)于集成成像顯微裝置及識別方法的相關(guān)報道。如南開大學(xué)2012年報道過基于相機陣列的三維集成成像記錄系統(tǒng)(焦小雪，趙星，“基于相機陣列的三維集成成像記錄系統(tǒng)”，光學(xué)精密工程，2012 (20):1653-1660)通過相機陣列實現(xiàn)三維集成成像，此方案不僅操作復(fù)雜，而且不能對微小物體進行三維成像。對于微小物體集成成像顯微裝置及識別方法，國際上用了一個簡單地集成成像顯微裝置(Javidi B, Moon I, YeomS.Three-dimens1nal identificat1n of b1logical microorganism using integralimaging.0pt.Express 2006, 14:12096-12108.)實現(xiàn)。該裝置利用放大透鏡對生物組織進行放大，在放大透鏡后面添加微透鏡陣列，用以記錄放大像的單元圖像陣列，實現(xiàn)生物樣本的三維檢測與識別。這種方法對樣本的放大倍率較小，且直接使用放大透鏡導(dǎo)致深度方向放大率的不均勻，對樣本三維信息的記錄產(chǎn)生偏差，并且單透鏡會產(chǎn)生嚴重的像差。國際上還有將集成成像與共焦激光掃描顯微鏡結(jié)合起來對樣品應(yīng)該標記后實現(xiàn)了生物組織的三維重構(gòu)(Jang JS, Javidi B.Three-dimens1nal integral imaging of micro-objects.0pt.Lett.2004 ；29:1230-1232.)。該方法需要對樣品進行熒光標記，只能被動的進行三維信息的獲取，無法體現(xiàn)集成成像單次成像即可記錄物體三維信息的優(yōu)勢，無法進行實時三維信息處理。上述各種裝置存在放大能力較低、成像質(zhì)量差、獲取的三維信息較少、無法獲取樣本細微特征的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種放大倍率高、信息獲取量大、結(jié)構(gòu)緊湊、可實現(xiàn)微小物體三維信息獲取及光學(xué)三維相關(guān)識別的裝置以及微小物體(長寬高小于2mmX2mmX0.1mm)三維相關(guān)識別方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種基于集成成像系統(tǒng)的光學(xué)三維相關(guān)識別裝置，包括三維信息獲取裝置和相關(guān)識別系統(tǒng):
[0007]三維信息獲取裝置包括在信息獲取光路方向上依次間隔設(shè)置的樣本旋轉(zhuǎn)裝置、光學(xué)顯微鏡、漫透射元件、微透鏡陣列和成像透鏡，在樣本旋轉(zhuǎn)裝置上可拆卸地設(shè)置有物體樣本；光線沿著信息獲取光路穿過樣本旋轉(zhuǎn)裝置上的物體樣本，繼而依次經(jīng)過光學(xué)顯微鏡、漫透射元件、微透鏡陣列、成像透鏡并經(jīng)過第一 CCD傳感器轉(zhuǎn)換后將信息傳遞給一個計算機；
[0008]相關(guān)識別系統(tǒng)包括激光器，激光器發(fā)出的光線由分光鏡分為參考光路和物光路，在物光路上依次間隔設(shè)置有第一反光鏡、第二反光鏡、倒裝望遠鏡系統(tǒng)、空間光調(diào)制器和第一傅里葉透光鏡；參考光路上依次間隔設(shè)置有第三反光鏡和光闌，參考光路和物光路上的光線共同匯聚至一個光折變晶體上，匯聚光線經(jīng)過光折變晶體后，再經(jīng)過第二傅里葉透鏡照射至第二 c⑶傳感器上，經(jīng)由第二 (XD傳感器轉(zhuǎn)換后將信息傳遞給所述的計算機，所述的空間光調(diào)制器與計算機連接。
[0009]進一步地，所述的物體樣本為微小物體樣本，物體樣本為半透明狀樣本，物體樣本的厚度為40 μm?60 μm ;這里的半透明狀是指光線可以穿過樣本并在射入物體表面后經(jīng)多次散射或吸收進而形成明暗對比的光學(xué)效果。
[0010]進一步地，所述的空間光調(diào)制器和光折變晶體分別位于第一傅里葉透鏡的前焦面和后焦面上。
[0011]進一步地，所述的樣本旋轉(zhuǎn)裝置包括一個用于固定物體樣本的固定臺，固定臺可在水平面內(nèi)做二維移動，用以實現(xiàn)物體樣本無摩擦的旋轉(zhuǎn)和平移；所述的固定臺的旋轉(zhuǎn)角度范圍為-180°?180°，旋轉(zhuǎn)分辨率為0.01°，平移行程為± 100mm，平移分辨率1 μ m。
[0012]進一步地，所述的光學(xué)顯微鏡的照明光源為均勻光源，其物鏡放大倍率為10?60倍，數(shù)值孔徑為0.3?0.7，目鏡放大倍率為10倍。
[0013]進一步地，所述的漫透射元件用于從光學(xué)顯微鏡出射光中提取攜帶物體樣本三維信息的散射光并投射到微透鏡陣列上；漫透射元件由沿靠近微透鏡陣列方向上依次間隔設(shè)置的聚焦透鏡、可調(diào)焦鏡頭和漫投射屏組成，其中可調(diào)焦鏡頭的焦距為12mm?23mm，漫投射屏的厚度為2mm，粒度為400?800mm，聚焦透鏡的焦距為100mm。
[0014]進一步地，所述的微透鏡陣列的尺寸大小為60mmX50mm，由多個焦距為1mm的自聚焦透鏡組成，自聚焦透鏡的直徑為1_，自聚焦透鏡之間的間距為1_。
[0015]進一步地，所述的第一 (XD傳感器采用EMCXD，EMCXD的像素數(shù)大于512X512，像元尺寸小于20 μ mX 20 μ m，幀速大于33fps。
[0016]進一步地，所述的相關(guān)識別系統(tǒng)中，激光器采用532nm、100mW的固體激光器，激光器的出射光經(jīng)衰減器調(diào)節(jié)至小于20mW。
[0017]進一步地，所述的相關(guān)識別系統(tǒng)中，經(jīng)由分光鏡分開的物光路、參考光路的分光比為6:4@532nm，第一反光鏡、第二反光鏡和第三反光鏡上均鍍有高反膜，高反膜的反射率大于99.8% i532nm ;所述的第一傅里葉透光鏡、第二傅里葉透光鏡的焦距選取范圍為80mm?100mmo
[0018]進一步地，所述的光折變晶體為尺寸是lOmmX lOmmX 10mm，摻鐵0.03wt %，摻鋅0.6wt%^ LiNb03:Fe 晶體。
[0019]進一步地，所述的第二 CCD傳感器采用攜帶變焦鏡頭的高分辨率CCD相機，其變焦鏡頭焦距范圍為12?36mm，像素數(shù)大于1024 X 1024，像元尺寸小于5.2 μ mX 5.2 μ m。
[0020]一種利用上述裝置進行光學(xué)三維相關(guān)識別的方法，包括以下步驟:
[0021]步驟一，準備好參考物體樣本以及目標物體樣本作為處理過程中的物體樣本，并分別對參考物體樣本、目標物體樣本執(zhí)行步驟二、步驟三的處理過程，然后執(zhí)行步驟四；
[0022]步驟二，在信息獲取光路上放置均勻光源，均勻光源發(fā)出的光線照射在安置于樣本旋轉(zhuǎn)裝置上的物體樣本，利用樣本旋轉(zhuǎn)裝置對樣本進行無摩擦的旋轉(zhuǎn)和平移，穿過物體樣本的光線經(jīng)過光學(xué)顯微鏡被放大，以收集透射光和散射光所包含的三維信息；光學(xué)顯微鏡的出射光利用接口裝置進行輸出，到達漫透射元件，獲取樣本的三維信息；光線經(jīng)由漫透射元件后的漫投射光由微透鏡陣列接收，經(jīng)成像透鏡聚焦后利用第一 C⑶傳感器進行單元陣列圖像采集，并將采集信息記錄到計算機中；
[0023]步驟三，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡分為兩束光線，分光鏡上的反射光束經(jīng)第三反光鏡反射后作為參考光束，分光鏡上的投射光束經(jīng)第一反光鏡、第二反光鏡反射改變方向后，經(jīng)由倒裝望遠鏡系統(tǒng)進行擴束和準直處理，處理后的光束均勻投射到空間光調(diào)制器上；
[0024]步驟四，計算機將第一 CCD傳感器采集的帶有參考物體樣本三維信息的單元陣列圖像輸入到空間光調(diào)制器上，經(jīng)第一傅里葉透鏡進行傅里葉變換，在第一傅里葉透鏡的后焦面上得到參考物體圖像的頻譜，并與參考光束在光折變晶體內(nèi)發(fā)生干涉，從而在光折變晶體內(nèi)寫入體全息圖作為匹配濾波相關(guān)器；
[0025]步驟五，計算機將第一 (XD傳感器采集的帶有目標物體樣本三維信息的單元陣列圖像輸入到空間光調(diào)制器上，使攜帶目標物體三維信息的透射光作為匹配濾波相關(guān)器的讀出光，通過第二傅里葉透鏡進行逆傅里葉變換，在第二傅里葉透鏡的后焦面上得到參考物體樣本