基于可編程led陣列照明的多模式顯微成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)，特別是一種基于可編程LED陣列照明的多模式顯 微成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相襯成像、偏光成像是比較常見的兩種顯微成像方法，其對應(yīng)的顯微鏡分別稱 為相襯顯微鏡與偏光顯微鏡。相襯顯微鏡又稱為相差顯微鏡，其是荷蘭科學(xué)家Zernike 于1935年發(fā)明的（盛富根.微分干涉相襯顯微鏡的原理分析（矢量法）[J].光學(xué)儀 器，1986,（5).)，用于觀察未染色標(biāo)本的顯微鏡。相襯顯微鏡利用物體不同結(jié)構(gòu)成分之間的 折射率和厚度的差別，把通過物體不同部分的光程差轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹ü鈴?qiáng)度）的差別，經(jīng)過帶 有環(huán)狀光闌的聚光鏡和帶有相位片的相差物鏡實(shí)現(xiàn)觀測的顯微鏡。主要用于觀察活細(xì)胞或 不染色的組織切片，有時也可用于觀察缺少反差的染色樣品。
[0003] 雖然相差顯微鏡具備傳統(tǒng)明場顯微鏡所不具備的功能，但其共性都是這需要顯微 光路中附加一些光學(xué)元件，如：環(huán)狀光闌等，這就無形中增加了光路調(diào)節(jié)的復(fù)雜度。此外 相差顯微鏡中的環(huán)狀光闌尺寸需要與每個物鏡單獨(dú)匹配，如果系統(tǒng)中有4個不同倍率的物 鏡，則需要分別配備四種不同尺寸的環(huán)狀光闌與之相配。顯然，這使得聚光鏡的結(jié)構(gòu)變得日 益復(fù)雜，元件數(shù)目越來越多，成本也隨之越來越高。這種復(fù)雜的聚光鏡結(jié)構(gòu)一般需要熟練的 顯微鏡工作者進(jìn)行操作，并需要針對標(biāo)本的差異和物鏡的不同進(jìn)行實(shí)踐、校正（劉金，解玉 蘭.柯拉照明在顯微鏡調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006,（2): 117-118.)。
[0004] 光場成像是近年來新興的一種計算成像方式。光場是表示光輻射分布的函數(shù)，反 映了光波動強(qiáng)度與光波分布位置和傳播方向之間的映射關(guān)系。光場成像通過記錄光輻射在 傳播過程中的四維位置和方向的信息，相比只記錄二維的傳統(tǒng)成像方式多出2個自由度， 因而在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。采用光場成像的顯微鏡被稱為光 場顯微鏡，其需要在顯微鏡成像系統(tǒng)的一次像面處插入一個微透鏡陣列，每個微透鏡記錄 的光線對應(yīng)相同位置不同視角的場景圖像，從而得到一個四維光場。額外微透鏡陣列的引 入增加了系統(tǒng)的成本。此外，傳統(tǒng)的光場顯微鏡多出的二維角度信息是以犧牲一定的空間 分辨率為代價的，二者之間存在一個折衷?，F(xiàn)有光場顯微鏡普遍存在圖像空間分辨率不能 滿足需求的問題，如果加大圖像空間分辨率的同時，兼顧軸向分辨率，則會對光電探測器件 提出更高要求。這是當(dāng)前制約光場成像技術(shù)的一個瓶頸，如何解決二者之間的矛盾，是光場 成像中的一個關(guān)鍵問題（聶云峰，相里斌，周志良.光場成像技術(shù)進(jìn)展[J].中國科學(xué)院 大學(xué)學(xué)報，2011，28(5) :563-572.)。
[0005] 為了解決這個問題，發(fā)明專利《基于LED陣列的多模式顯微成像系統(tǒng)及其方法》 (【申請?zhí)枴?01510186306. 5)采用LED陣列作為顯微鏡照明光源，在同一個顯微系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 了包含了明場、暗場、差分相襯三種顯微成像模式，解決了傳統(tǒng)顯微鏡在明場、暗場、差分相 襯成像時光路復(fù)雜，操作難度大的問題。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)對于如何采用LED陣列實(shí)現(xiàn)相 襯成像、光場成像及光學(xué)染色顯微成像仍然有很多問題無法解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于可編程LED陣列照明的相襯成像、光場成像及光 學(xué)染色顯微成像等多模式顯微成像方法，無需往傳統(tǒng)顯微鏡的成像光路中加入任何附加光 學(xué)元件，無需頻繁切換系統(tǒng)，從而顯著提升了顯微鏡的靈活性與多功能性以及顯微系統(tǒng)所 能獲得的信息量。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于可編程LED陣列照明的多模式顯微 成像方法，LED陣列作為顯微鏡成像系統(tǒng)的照明光源，直接安置在顯微鏡成像系統(tǒng)的樣品載 物臺下方，并且LED陣列的中心處于顯微鏡成像系統(tǒng)的光軸上，從而實(shí)現(xiàn)相襯成像、光場成 像及光學(xué)染色成像模式。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)無需在顯微鏡的成像光路中加入任何 附加光學(xué)元件，例如環(huán)形光闌、微透鏡陣列、相位板等；從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大降低成本。 (2)可靈活實(shí)現(xiàn)學(xué)染色顯微成像，這是傳統(tǒng)顯微鏡所不具備的成像功能。（3)可實(shí)現(xiàn)全分辨 率光場成像，不存在傳統(tǒng)光場成像中空間分辨率與角分辨率的矛盾問題。由于這三大優(yōu)點(diǎn)， 該顯微成像方法可望在植物學(xué)、動物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、半導(dǎo)體、材料科學(xué)、納米技術(shù)、生命科 學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0009] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0010] 圖1是基于可編程LED陣列的顯微鏡裝置示意圖。
[0011] 圖2是LED陣列中每個像素點(diǎn)的坐標(biāo)系示意圖。
[0012] 圖3是基于可編程LED陣列照明的相襯顯微成像方法中LED陣列所需顯示的指定 圖案，其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0013] 圖4是基于可編程LED陣列照明的光場顯微成像方法中LED陣列所需顯示的指定 圖案與坐標(biāo)系示意圖，其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0014] 圖5是基于可編程LED陣列照明的明場光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所需顯 示的指定圖案，其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0015] 圖6(a)是基于可編程LED陣列照明的暗場光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所 需顯示的指定圖案1 (單色），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0016] 圖6(b)是基于可編程LED陣列照明的暗場光學(xué)染色顯微成像方法中IXD液晶面 板或LED陣列所需顯示的指定圖案2 ( -個包含赤橙黃綠青藍(lán)紫所有色彩的彩色圓環(huán)），其 中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0017] 圖7是基于可編程LED陣列照明的明場暗場復(fù)合光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣 列所需顯示的指定圖案，其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NA cib,。
[0018] 圖8(a)是基于可編程LED陣列照明的差分光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所 需顯示的指定圖案1 (2段編碼），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0019] 圖8(b)是基于可編程LED陣列照明的差分光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所 需顯示的指定圖案2 (4段編碼），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0020] 圖9(a)是基于可編程LED陣列照明的相襯光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所 需顯示的指定圖案I (單色），其中虛線部分代表的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0021] 圖9(b)是基于可編程LED陣列照明的相襯光學(xué)染色顯微成像方法中LED陣列所 需顯示的指定圖案2 ( -個包含赤橙黃綠青藍(lán)紫所有色彩的彩色圓環(huán)），其中虛線部分代表 的是顯微物鏡的數(shù)值孔徑區(qū)域NAcib,。
[0022] 圖10 (a)是傳統(tǒng)明場光學(xué)顯微鏡拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品的圖像。
[0023] 圖10(b)是采用本發(fā)明明場暗場復(fù)合光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué) 元件樣品的圖像。
[0024] 圖10(c)是采用本發(fā)明差分光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的圖像。
[0025] 圖10(d)是采用本發(fā)明差分光學(xué)染色顯微成像方法拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的另一組圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明基于可編程LED陣列照明的多模式顯微成像方法是在硬件平臺基于可編 程LED陣列的顯微鏡上實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合圖1，基于可編程LED陣列的顯微鏡主要包括LED陣列 1、顯微鏡成像系統(tǒng)2、電路控制系統(tǒng)3、計算機(jī)主機(jī)4、顯示器5,所述顯微鏡成像系統(tǒng)2包括 樣品載物臺6、顯微物鏡7、鏡筒透鏡8以及相機(jī)9 (彩色或者灰度相機(jī)），其中透射過樣品載 物臺6的光被顯微物鏡7收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡8放大后成像在相機(jī)9的圖像平面。電路 控制系統(tǒng)3分別與LED陣列1、相機(jī)9、計算機(jī)主機(jī)4相連接。顯示