基于led光源的無(wú)透鏡顯微鏡及其圖像重構(gòu)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L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡及其圖 像重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)顯微鏡，自17世紀(jì)60年代被用于生物醫(yī)學(xué)觀察W來(lái)，一直是生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與 分析的核屯、儀器。相襯顯微鏡、微分干設(shè)相襯顯微鏡、巧光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡的問 世極大促進(jìn)了生命科學(xué)研究水平的提高，它們W更高的分辨率和成像質(zhì)量為疾病診斷，尤 其是重大惡性疾病的早期診斷提供了有力的影像學(xué)依據(jù)，成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中不可或缺的 重要工具。然而，運(yùn)些顯微鏡系統(tǒng)仍然基于"可見即所得"的成像方式，并沒有充分利用計(jì) 算機(jī)等現(xiàn)代信號(hào)處理設(shè)備的強(qiáng)大功能。此外伴隨著功能與性能不斷革新的是顯微鏡系統(tǒng)本 身也日趨昂貴、笨重、復(fù)雜且難W維護(hù)。試想若能夠在保證其成像質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)顯微 設(shè)備的體積小型化、成本低廉化、操作簡(jiǎn)便化，必然能夠大大降低醫(yī)療檢測(cè)的口檻，為資源 條件有限的地區(qū)提供快捷、廉價(jià)的即時(shí)診斷（point-of-caretest，P0CT)工具，為貧困地區(qū) 急、重癥病人的早期診斷與及時(shí)治療提供有利條件。
[0003] 實(shí)現(xiàn)顯微設(shè)備的體積小型化、成本低廉化、操作簡(jiǎn)便化的關(guān)鍵途徑在于"無(wú)透 鏡"（lens-化ee)與"無(wú)標(biāo)記"（1油e^hee)。"無(wú)透鏡"顧名思義就是不采用傳統(tǒng)光學(xué)透鏡 對(duì)樣品進(jìn)行成像。眾所周知，顯微鏡中最為昂貴的部件就是W顯微物鏡為代表的光學(xué)元件。 若能夠簡(jiǎn)化照明與成像光路，拋棄昂貴笨重的光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)無(wú)透鏡顯微成像，必然能夠大 大降低顯微鏡的成本，同時(shí)為整體系統(tǒng)的小型化、輕量化提供更多可能性。"無(wú)標(biāo)記"是指對(duì) 樣本不采用任何染色預(yù)處理，而依靠其本身內(nèi)部吸收或折射率差異（引起的相移）進(jìn)行成 像，運(yùn)可大大簡(jiǎn)化樣品的制備過(guò)程。無(wú)標(biāo)記成像又被稱為無(wú)損成像或非侵入式（invasive) 成像，因其避免了傳統(tǒng)巧光探針對(duì)細(xì)胞活性產(chǎn)生的不利影響（如巧光探針的特異性，強(qiáng)激 發(fā)光引發(fā)的光漂白與光毒性，W及基因轉(zhuǎn)質(zhì)感染）。對(duì)大部分未染色的生物細(xì)胞樣本而言， 因其在可見光波段的弱吸收性（無(wú)色透明），所W必須借助于相位信息成像。澤尼克相襯顯 微技術(shù)與微分干設(shè)相襯顯微技術(shù)是最為經(jīng)典的無(wú)標(biāo)記（定性）相位成像方法，但它們無(wú)法 提供定量的相位信息，從而不適用于標(biāo)準(zhǔn)化的分析與診斷（弗朗松.相襯顯微鏡與干設(shè)顯 微鏡[M]科學(xué)出版社，1966.)。相比之下，定量相位成像技術(shù)由于其能夠提供由樣品物理厚 度和折射率系數(shù)所決定的定量相位信息，已成為目前最為理想的無(wú)標(biāo)記顯微成像方法。近 年來(lái)信息光學(xué)、全息術(shù)W及計(jì)算成像光學(xué)的快速發(fā)展為無(wú)透鏡與無(wú)標(biāo)記成像提供了一個(gè)可 行的解決方案：一旦能夠獲得光場(chǎng)的定量相位信息，就可W在計(jì)算機(jī)中對(duì)光波場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值 反衍射，實(shí)現(xiàn)"數(shù)字重聚焦"，且無(wú)需任何成像透鏡。為了獲取定量相位信息，最為經(jīng)典的方 法就是借助于光波的干設(shè)效應(yīng)（如干設(shè)顯微與數(shù)字全息顯微）（馬利紅，王輝，金洪震， 等.數(shù)字全息顯微定量相位成像的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光，2012, 39 (3) : 209-215.)。運(yùn)種 方式雖省去了成像透鏡，卻額外引入了昂貴、笨重的激光光源，從而并沒有有效縮減系統(tǒng)的 體積與成本。此外干設(shè)法本身對(duì)測(cè)量環(huán)境的苛刻要求，W及高相干性光源引入的散斑噪聲 也表明其并非是實(shí)現(xiàn)無(wú)透鏡顯微成像的理想方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡及其圖像重構(gòu)方法，不 借助于任何光學(xué)元件，且通過(guò)后期處理的方式來(lái)重構(gòu)物體的顯微圖像。 陽(yáng)0化]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡，依次設(shè) 置LED光源、針孔、樣品臺(tái)、相機(jī)構(gòu)成成像系統(tǒng)，LED光源安放于整個(gè)成像系統(tǒng)的最下方，并 且其光敏面位于整個(gè)成像系統(tǒng)的光軸上；針孔緊靠并正對(duì)著L邸光源的發(fā)光面。
[0006] 一種基于LED光源的無(wú)透鏡顯微鏡的圖像重構(gòu)方法，LED光源（1)作為無(wú)透鏡顯微 鏡的照明光源，中屯、波長(zhǎng)為A單色L邸或紅綠藍(lán)=色LED,首先WL邸作為無(wú)透鏡顯微鏡的 照明光源，拍攝所需要的光強(qiáng)圖像，然后通過(guò)迭代法相位恢復(fù)得到待測(cè)光波場(chǎng)的相位信息， 最后通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)值反傳播獲得待測(cè)物體的聚焦圖像。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)不借助于任何成像光學(xué)元件，例如顯微 物鏡、鏡筒透鏡等；從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮小顯微鏡體積，大大降低成本。（2)可靈活實(shí)現(xiàn)樣 品的數(shù)字聚焦，即"先拍照后聚焦"，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械條件功能。（3)可W獲得樣品的定量相 位圖像，從而實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞樣品的無(wú)標(biāo)記=維成像。由于運(yùn)=大優(yōu)點(diǎn)，該顯微成像方法可望 在植物學(xué)、動(dòng)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。
[0008] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本發(fā)明基于L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡裝置原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明單色LED顯微方案圖像重構(gòu)方法流程圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明紅綠藍(lán)=色L邸顯微方案圖像重構(gòu)方法流程圖。
[0012] 圖4是本發(fā)明基于L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡所拍攝到的百合花藥切片樣品的原始 圖像平面R、G、B分量光強(qiáng)分布。
[0013] 圖5是本發(fā)明對(duì)百合花藥切片樣品的重構(gòu)圖像（光強(qiáng)分布）。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 結(jié)合圖1，基于LED光源的無(wú)透鏡顯微鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，依次設(shè)置LED光源1、 針孔2、樣品臺(tái)3、相機(jī)4構(gòu)成成像系統(tǒng)，L邸光源1安放于整個(gè)成像系統(tǒng)的最下方，并且其光 敏面位于整個(gè)成像系統(tǒng)的光軸上。針孔2緊靠L邸光源1的發(fā)光面（距離100微米W內(nèi)）， 且盡可能使L邸光源1透過(guò)針孔2的光強(qiáng)最大化（即針孔正對(duì)著L邸光源1的發(fā)光面）。 樣品臺(tái)3的與針孔2的距離L一般在20mm-100mm之間。相機(jī)4與樣品臺(tái)3的距離Z-般 應(yīng)遠(yuǎn)小于L在5ym-2mm之間。
[0015] L邸光源1作為顯微鏡的照明光源，其可W為中屯、波長(zhǎng)為A普通單色LED,也可為 紅綠藍(lán)S色LED,其典型波長(zhǎng)為紅光入K=635皿、綠光As=525皿和藍(lán)光AB=475皿。其 余參數(shù)，包括L邸的尺寸與亮度、照明的波長(zhǎng)等可W從廠家手冊(cè)獲知或者通過(guò)光譜儀測(cè)量， 且對(duì)于彩色L邸而言，其色彩必須能夠可控（即可W隨時(shí)切換照明顏色為紅/綠/藍(lán)，并且 =個(gè)照明光強(qiáng)要控制成嚴(yán)格一致）。運(yùn)需采用相配套的硬件驅(qū)動(dòng)電路，運(yùn)些硬件驅(qū)動(dòng)電路的 具體實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)有許多成熟技術(shù)，主控制器可W采用（但不限于）單片機(jī)、ARM、或者可編 程邏輯器件等，具體實(shí)現(xiàn)方法可參考（陳鵬，大功率全彩色L邸驅(qū)動(dòng)電路的研制，江西師范 大學(xué)2009)。
[0016] 針孔2的作用是對(duì)L邸所發(fā)出的光波進(jìn)行空間濾波，W保持其較好的空間相干性。 針孔2中透光孔尺寸一般在100微米左右。 陽(yáng)017] 樣品臺(tái)3的作用是承載樣品，其與針孔2的距離L一般在20mm-100mm之間。其最 好橫向方位可調(diào)，W便使顯微鏡可W觀察樣品的不同區(qū)域。相機(jī)4的作用是拍攝透過(guò)樣品 光線衍射后形成的圖像，其可W是彩色或者灰度相機(jī)。其與樣品臺(tái)3的距離Z-般應(yīng)遠(yuǎn)小 于L，在5 之間。由于難W實(shí)際測(cè)量Z的精確值，運(yùn)里Z的范圍大概估計(jì)即可。
[0018] 本發(fā)明基于L邸光源的無(wú)透鏡顯微鏡圖像重構(gòu)方法，其包含單色L邸