基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法，依次设置LED光源、针孔、样品台、相机构成成像系统，LED光源安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔紧靠并正对着LED光源的发光面，该LED光源作为无透镜显微镜的照明光源，中心波长为λ单色LED或红绿蓝三色LED，首先以LED作为无透镜显微镜的照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息，最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。本发明专利技术不借助于任何成像光学元件，从而简化系统结构，缩小显微镜体积，大大降低成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学显微成像技术，特别是一种基于L邸光源的无透镜显微镜及其图 像重构方法。
技术介绍
光学显微镜，自17世纪60年代被用于生物医学观察W来，一直是生物医学检测与 分析的核屯、仪器。相衬显微镜、微分干设相衬显微镜、巧光显微镜、激光共聚焦显微镜的问 世极大促进了生命科学研究水平的提高，它们W更高的分辨率和成像质量为疾病诊断，尤 其是重大恶性疾病的早期诊断提供了有力的影像学依据，成为现代临床医学中不可或缺的 重要工具。然而，运些显微镜系统仍然基于"可见即所得"的成像方式，并没有充分利用计 算机等现代信号处理设备的强大功能。此外伴随着功能与性能不断革新的是显微镜系统本 身也日趋昂贵、笨重、复杂且难W维护。试想若能够在保证其成像质量的前提下，实现显微 设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化，必然能够大大降低医疗检测的口槛，为资源 条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断（point-of-caretest，P0CT)工具，为贫困地区 急、重症病人的早期诊断与及时治疗提供有利条件。 实现显微设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化的关键途径在于"无透 镜"（lens-化ee)与"无标记"（1油e^hee)。"无透镜"顾名思义就是不采用传统光学透镜 对样品进行成像。众所周知，显微镜中最为昂贵的部件就是W显微物镜为代表的光学元件。 若能够简化照明与成像光路，抛弃昂贵笨重的光学镜头实现无透镜显微成像，必然能够大 大降低显微镜的成本，同时为整体系统的小型化、轻量化提供更多可能性。"无标记"是指对 样本不采用任何染色预处理，而依靠其本身内部吸收或折射率差异（引起的相移）进行成 像，运可大大简化样品的制备过程。无标记成像又被称为无损成像或非侵入式（invasive) 成像，因其避免了传统巧光探针对细胞活性产生的不利影响（如巧光探针的特异性，强激 发光引发的光漂白与光毒性，W及基因转质感染）。对大部分未染色的生物细胞样本而言， 因其在可见光波段的弱吸收性（无色透明），所W必须借助于相位信息成像。泽尼克相衬显 微技术与微分干设相衬显微技术是最为经典的无标记（定性）相位成像方法，但它们无法 提供定量的相位信息，从而不适用于标准化的分析与诊断（弗朗松.相衬显微镜与干设显 微镜科学出版社，1966.)。相比之下，定量相位成像技术由于其能够提供由样品物理厚 度和折射率系数所决定的定量相位信息，已成为目前最为理想的无标记显微成像方法。近 年来信息光学、全息术W及计算成像光学的快速发展为无透镜与无标记成像提供了一个可 行的解决方案：一旦能够获得光场的定量相位信息，就可W在计算机中对光波场进行数值 反衍射，实现"数字重聚焦"，且无需任何成像透镜。为了获取定量相位信息，最为经典的方 法就是借助于光波的干设效应（如干设显微与数字全息显微）（马利红，王辉，金洪震， 等.数字全息显微定量相位成像的实验研究.中国激光，2012, 39 (3) : 209-215.)。运种 方式虽省去了成像透镜，却额外引入了昂贵、笨重的激光光源，从而并没有有效缩减系统的 体积与成本。此外干设法本身对测量环境的苛刻要求，W及高相干性光源引入的散斑噪声 也表明其并非是实现无透镜显微成像的理想方式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于L邸光源的无透镜显微镜及其图像重构方法，不 借助于任何光学元件，且通过后期处理的方式来重构物体的显微图像。 阳0化]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于L邸光源的无透镜显微镜，依次设 置LED光源、针孔、样品台、相机构成成像系统，LED光源安放于整个成像系统的最下方，并 且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔紧靠并正对着L邸光源的发光面。 一种基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，LED光源（1)作为无透镜显微 镜的照明光源，中屯、波长为A单色L邸或红绿蓝=色LED,首先WL邸作为无透镜显微镜的 照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息， 最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点：（1)不借助于任何成像光学元件，例如显微 物镜、镜筒透镜等；从而简化系统结构，缩小显微镜体积，大大降低成本。（2)可灵活实现样 品的数字聚焦，即"先拍照后聚焦"，无需复杂的机械条件功能。（3)可W获得样品的定量相 位图像，从而实现生物细胞样品的无标记=维成像。由于运=大优点，该显微成像方法可望 在植物学、动物学、细胞生物学、半导体、材料科学、纳米技术、生命科学、医学诊断等众多领 域得到广泛应用。 下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。【附图说明】 图1是本专利技术基于L邸光源的无透镜显微镜装置原理图。 图2是本专利技术单色LED显微方案图像重构方法流程图。 图3是本专利技术红绿蓝=色L邸显微方案图像重构方法流程图。 图4是本专利技术基于L邸光源的无透镜显微镜所拍摄到的百合花药切片样品的原始 图像平面R、G、B分量光强分布。 图5是本专利技术对百合花药切片样品的重构图像（光强分布）。【具体实施方式】 结合图1，基于LED光源的无透镜显微镜的结构如图1所示，依次设置LED光源1、 针孔2、样品台3、相机4构成成像系统，L邸光源1安放于整个成像系统的最下方，并且其光 敏面位于整个成像系统的光轴上。针孔2紧靠L邸光源1的发光面（距离100微米W内）， 且尽可能使L邸光源1透过针孔2的光强最大化（即针孔正对着L邸光源1的发光面）。 样品台3的与针孔2的距离L一般在20mm-100mm之间。相机4与样品台3的距离Z-般 应远小于L在5ym-2mm之间。 L邸光源1作为显微镜的照明光源，其可W为中屯、波长为A普通单色LED,也可为 红绿蓝S色LED,其典型波长为红光入K=635皿、绿光As=525皿和蓝光AB=475皿。其 余参数，包括L邸的尺寸与亮度、照明的波长等可W从厂家手册获知或者通过光谱仪测量， 且对于彩色L邸而言，其色彩必须能够可控（即可W随时切换照明颜色为红/绿/蓝，并且 =个照明光强要控制成严格一致）。运需采用相配套的硬件驱动电路，运些硬件驱动电路的 具体实现方案已经有许多成熟技术，主控制器可W采用（但不限于）单片机、ARM、或者可编 程逻辑器件等，具体实现方法可参考（陈鹏，大功率全彩色L邸驱动电路的研制，江西师范 大学2009)。 针孔2的作用是对L邸所发出的光波进行空间滤波，W保持其较好的空间相干性。 针孔2中透光孔尺寸一般在100微米左右。 阳017] 样品台3的作用是承载样品，其与针孔2的距离L一般在20mm-100mm之间。其最 好横向方位可调，W便使显微镜可W观察样品的不同区域。相机4的作用是拍摄透过样品 光线衍射后形成的图像，其可W是彩色或者灰度相机。其与样品台3的距离Z-般应远小 于L，在5 之间。由于难W实际测量Z的精确值，运里Z的范围大概估计即可。 本专利技术基于L邸光源的无透镜显微镜图像重构方法，其包含单色L邸当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LED光源的无透镜显微镜，其特征在于依次设置LED光源(1)、针孔(2)、样品台(3)、相机(4)构成成像系统，LED光源(1)安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔(2)紧靠并正对着LED光源(1)的发光面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：左超，陈钱，孙佳嵩，张佳琳，顾国华，张玉珍，冯世杰，胡岩，陶天阳，李加基，张良，孔富城，张敏亮，范瑶，林飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32