基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，首先设计一个环形光阑，然后基于部分相干成像方法，引入弱物体近似，利用环形光阑以及明场显微镜的参数计算出弱物体光学传递函数WOTF，最后利用相机采集三幅强度图像并通过反卷积求解光强传输方程得到定量相位图。本发明专利技术可有效解决云雾状低频噪声与高频模糊难以兼顾的矛盾，大大提高了重构相位的空间分辨率，使其达到明场显微镜两倍物镜数值孔径的分辨率，且对低频噪声具有较好的鲁棒性。而且无需对传统明场显微镜进行复杂的改造，可赋予明场显微镜高分辨率定量相位成像的能力。

【技术实现步骤摘要】
基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法
本专利技术属于光学测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法。
技术介绍
相位恢复是光学测量与成像的一个重要技术，无论在生物医学还是工业检测领域，相位成像技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量技术近半个世纪的进展，最经典的相位测量方法为非干涉测量方法。然而，干涉测量法的缺点也十分明显：(1)干涉测量一般需要高度相干性的光源(如激光)，从而需要较为复杂的干涉装置；(2)额外的参考光路的引入导致对于测量环境的要求变得十分苛刻；(3)高相干性的光源引入的相干散斑噪声限制了成像系统的空间分辨率与测量精度。不同于干涉测量方法，另一类非常重要的相位测量技术并不需要借助干涉，它们统称为相位恢复。由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅/强度十分容易。因此，可以将利用强度分布来恢复(估算)相位这一过程视为一个数学上的“逆问题”，即相位恢复问题。相位恢复的方法还可细分为迭代法与直接法。基于光强传输方程的相位恢复是一种较为典型的直接相位恢复方法。光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，阐明了沿着光轴方向上光强度的变化量与垂直于光轴的平面上光波相位的定量关系。在已知光强轴向微分和聚焦面光强分布的情况下，通过数值求解光强传输方程可直接获取相位信息。相比与干涉法与迭代相位恢复法，其主要优点包括：(1)非干涉，仅仅通过测量物面光强直接求解相位信息，不需要引入额外参考光；(2)非迭代，通过直接求解微分方程获得相位；(3)可以很好的应用于白光照明，如传统明场显微镜中的科勒照明(illumination)；(4)无需相位解包裹，直接获取相位的绝对分布，不存在一般干涉测量方法中的2π相位包裹问题；(5)无须复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，振动不敏感。求解光强传输方程最主要的问题就是得到在聚焦面处光强的轴向微分，该轴向微分可通过光强的数值有限差分获得。而如何选择适当的离焦距离来求取光强的轴向微分，这其中存在一个噪声与分辨率的权衡问题。研究表明，当离焦距离过小或过大时，最后重构的相位图像中会出现较多的云雾状低频噪声或高频信息丢失非常严重。为了解决这个问题，许多研究者提出多平面(>2)的强度测量方法对轴向微分进行估计。为了更方便地分析基于光强传输方程的相位重构方法，研究者引入了相衬传递函数(CTF)(文献[1]E.D.Barone-Nugent,A.Barty,K.A.Nugent,“Quantitativephase-amplitudemicroscopyI:opticalmicroscopy,”JournalofMicroscopy206,194-203(2002).文献[2]T.E.Gureyev,A.Pogany,D.M.Paganin,S.W.Wilkins,“LinearalgorithmsforphaseretrievalintheFresnelregion，”OpticsCommunications231,53-70(2004).)。以上研究表明，在小离焦情况下，随着空间频率的减小，相衬传递函数迅速地减小到0，这也就解释了基于光强传输方程的相位重构方法对低频噪声的高敏感性。在大离焦的情况下，较高空间频率区域的光强传输方程传递函数响应与相干情况下的CTF差值变大，这就导致了最终的重构相位高频信息丢失严重，细小特征模糊。下面对光强传输方程进行较为详细的背景介绍。考虑一个沿着z轴传播的单色相干近轴光波场，其复振幅U(x)为其中j是虚数单位，φ(x)为所要恢复的相位分布。光强传输方程可以表示为其中表示横向梯度算子，·表示点乘算子。表示光强的轴向微分，该轴向微分可通过有限差分近似获得。一般情况下通过引入辅助函数方程可以被转化成以下的泊松方程：通过求解第一个泊松方程，可以解得辅助函数ψ(x)，再通过求解第二个泊松方程即可求得待测物体的定量相位。对于观察样品为未染色的细胞和生物组织来说，其光强沿横向变化很小，光强传输方程可以被简化为一个泊松方程：至此，以上两步泊松方程的解法可总结为傅里叶空间中的逆拉普拉斯算子(1/πλ|u|2)。该算子可以看作是光强传输方程的响应或传递函数，而逆拉普拉斯算子不管是低频还是高频响应都非常差，这就影响了重构相位的信噪比以及可达到的最大成像分辨率。因此，这其中就存在低频噪声与高频模糊两个主要问题。为了解决这个问题，许多研究者提出多平面(>＝2)的强度测量来估计轴向微分(文献[3]M.Beleggia,M.A.Schofield,V.V.Volkov,Y.Zhu,“Onthetransportofintensitytechniqueforphaseretrieval，”Ultramicroscopy102，37-49(2004).文献[4]C.Zuo,Q.Chen,Y.Yu,A.Asundi,“Transport-of-intensityphaseimagingusingSavitzky-Golaydifferentiationfilter-theoryandapplications,”OpticExpress21,5346-5362(2013).文献[5]C.Zuo,Q.Chen,L.Huang,A.Asundi,“PhasediscrepancyanalysisandcompensationforfastFouriertransformbasedsolutionofthetransportofintensityequation,”OpticsExpress22(14),17172-17186(2014).)。这些方法都是通过对相位传递函数中的某些空间频率进行选择、组合或最小二乘拟合，以达到传递函数的最优化。然而随着测量平面的增加，这就延长了数据获取和处理的时间，限制了系统的成像速度，即成像系统的通量。此外，光强传输方程的局限是仅仅给出了拍摄强度图像的相位，而不是真实物体的相位，这是因为在方程中并没有包含成像系统的参数。通过使相干CTF推广到部分相干下的弱物体光学传递函数(WOTF)，光强传输方程的应用范围扩展到了部分相干领域。通过引入包含成像系统参数的弱物体光学传递函数，光强传输方程实现了在部分相干情况下物体的相位恢复。虽然部分相干照明有益于提高定量相位成像的分辨率，但是其相位重构的好坏主要还是依赖于WOTF的形式。在传统的部分相干成像中，可以通过提升圆形照明光的数值孔径来增大WOTF的截止频率，以达到提高成像分辨率的目的。如图2(a)至图2(d)，传统圆形光照明时随着相干系数s(s为照明数值孔径与物镜数值孔径的比值)的变大，WOTF的截止频率也随之变大。但当照明数值孔径接近于物镜数值孔径时，WOTF在各空间频率的响应变差，导致强度图像对比度逐渐减，也就无法实现准确的相位重构。因此，传统方法利用圆形光源照明中存在低频云雾状噪声与高频模糊难以同时兼顾的矛盾，其相位重构的准确性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，可有效解决云雾状低频噪声与高频模糊难以兼顾的矛盾，大大提高了重构相位的空间分辨率，且对噪声具有较好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，其特征在于首先设计一个环形光阑，然后基于部分相干成像方法，引入弱物体近似，利用环形光阑以及明场显微镜的参数计算出弱物体光学传递函数WOTF，最后利用相机采集三幅强度图像并通过反卷积求解光强传输方程得到定量相位图。

【技术特征摘要】
1.一种基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，其特征在于首先设计一个环形光阑，然后基于部分相干成像方法，引入弱物体近似，利用环形光阑以及明场显微镜的参数计算出弱物体光学传递函数WOTF，最后利用相机采集三幅强度图像并通过反卷积求解光强传输方程得到定量相位图。2.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，其特征在于设计的环形光阑由3D打印机打印，或者通过玻璃/金属材料黑色阳极电镀工艺制成，或者由可编程LED或LCD编码实现。3.根据权利要求2所述的基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，其特征在于环形光阑有两个参数：一个是环形光阑的外径r，另一个是圆环宽度Δs，Δs＝(5％～15％)r；该环形光阑的环形区域透光，中心为黑色不透光区域，外径r等于明场显微镜的物镜光瞳半径；将该环形光阑放置在明场显微镜的聚光镜孔径光阑处，并将伯特兰透镜放入明场显微镜的目镜观察筒的筒镜中，通过目镜观察物镜后焦面以确保该环形光阑内切于物镜光曈。4.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法，其特征在于计算弱物体光学传递函数WOTF，即弱物体光学传递函数的公式为：其中，u和u'是傅里叶空间的二维坐标，k是波数，λ是明场显微镜的照明光波长，S(u)表示环形光阑平面光源的光强分布，|P(u)|表示明场显微镜的物镜光曈函数，Δz表示明场显...

【专利技术属性】
技术研发人员：左超，张赵，陈钱，李加基，孙佳嵩，冯世杰，张佳琳，顾国华，张玉珍，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32