基于led光源的無透鏡顯微鏡及其圖像重構方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學顯微成像技術，特別是一種基于L邸光源的無透鏡顯微鏡及其圖 像重構方法。
【背景技術】
[0002] 光學顯微鏡，自17世紀60年代被用于生物醫(yī)學觀察W來，一直是生物醫(yī)學檢測與 分析的核屯、儀器。相襯顯微鏡、微分干設相襯顯微鏡、巧光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡的問 世極大促進了生命科學研究水平的提高，它們W更高的分辨率和成像質量為疾病診斷，尤 其是重大惡性疾病的早期診斷提供了有力的影像學依據，成為現代臨床醫(yī)學中不可或缺的 重要工具。然而，運些顯微鏡系統(tǒng)仍然基于"可見即所得"的成像方式，并沒有充分利用計 算機等現代信號處理設備的強大功能。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、復雜且難W維護。試想若能夠在保證其成像質量的前提下，實現顯微 設備的體積小型化、成本低廉化、操作簡便化，必然能夠大大降低醫(yī)療檢測的口檻，為資源 條件有限的地區(qū)提供快捷、廉價的即時診斷（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治療提供有利條件。
[0003] 實現顯微設備的體積小型化、成本低廉化、操作簡便化的關鍵途徑在于"無透 鏡"（lens-化ee)與"無標記"（1油e^hee)。"無透鏡"顧名思義就是不采用傳統(tǒng)光學透鏡 對樣品進行成像。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元件。 若能夠簡化照明與成像光路，拋棄昂貴笨重的光學鏡頭實現無透鏡顯微成像，必然能夠大 大降低顯微鏡的成本，同時為整體系統(tǒng)的小型化、輕量化提供更多可能性。"無標記"是指對 樣本不采用任何染色預處理，而依靠其本身內部吸收或折射率差異（引起的相移）進行成 像，運可大大簡化樣品的制備過程。無標記成像又被稱為無損成像或非侵入式（invasive) 成像，因其避免了傳統(tǒng)巧光探針對細胞活性產生的不利影響（如巧光探針的特異性，強激 發(fā)光引發(fā)的光漂白與光毒性，W及基因轉質感染）。對大部分未染色的生物細胞樣本而言， 因其在可見光波段的弱吸收性（無色透明），所W必須借助于相位信息成像。澤尼克相襯顯 微技術與微分干設相襯顯微技術是最為經典的無標記（定性）相位成像方法，但它們無法 提供定量的相位信息，從而不適用于標準化的分析與診斷（弗朗松.相襯顯微鏡與干設顯 微鏡[M]科學出版社，1966.)。相比之下，定量相位成像技術由于其能夠提供由樣品物理厚 度和折射率系數所決定的定量相位信息，已成為目前最為理想的無標記顯微成像方法。近 年來信息光學、全息術W及計算成像光學的快速發(fā)展為無透鏡與無標記成像提供了一個可 行的解決方案：一旦能夠獲得光場的定量相位信息，就可W在計算機中對光波場進行數值 反衍射，實現"數字重聚焦"，且無需任何成像透鏡。為了獲取定量相位信息，最為經典的方 法就是借助于光波的干設效應（如干設顯微與數字全息顯微）（馬利紅，王輝，金洪震， 等.數字全息顯微定量相位成像的實驗研究[J].中國激光，2012, 39 (3) : 209-215.)。運種 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。此外干設法本身對測量環(huán)境的苛刻要求，W及高相干性光源引入的散斑噪聲 也表明其并非是實現無透鏡顯微成像的理想方式。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于L邸光源的無透鏡顯微鏡及其圖像重構方法，不 借助于任何光學元件，且通過后期處理的方式來重構物體的顯微圖像。 陽0化]實現本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于L邸光源的無透鏡顯微鏡，依次設 置LED光源、針孔、樣品臺、相機構成成像系統(tǒng)，LED光源安放于整個成像系統(tǒng)的最下方，并 且其光敏面位于整個成像系統(tǒng)的光軸上；針孔緊靠并正對著L邸光源的發(fā)光面。
[0006] 一種基于LED光源的無透鏡顯微鏡的圖像重構方法，LED光源（1)作為無透鏡顯微 鏡的照明光源，中屯、波長為A單色L邸或紅綠藍=色LED,首先WL邸作為無透鏡顯微鏡的 照明光源，拍攝所需要的光強圖像，然后通過迭代法相位恢復得到待測光波場的相位信息， 最后通過計算機實現數值反傳播獲得待測物體的聚焦圖像。
[0007] 本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點：（1)不借助于任何成像光學元件，例如顯微 物鏡、鏡筒透鏡等；從而簡化系統(tǒng)結構，縮小顯微鏡體積，大大降低成本。（2)可靈活實現樣 品的數字聚焦，即"先拍照后聚焦"，無需復雜的機械條件功能。（3)可W獲得樣品的定量相 位圖像，從而實現生物細胞樣品的無標記=維成像。由于運=大優(yōu)點，該顯微成像方法可望 在植物學、動物學、細胞生物學、半導體、材料科學、納米技術、生命科學、醫(yī)學診斷等眾多領 域得到廣泛應用。
[0008] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明基于L邸光源的無透鏡顯微鏡裝置原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明單色LED顯微方案圖像重構方法流程圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明紅綠藍=色L邸顯微方案圖像重構方法流程圖。
[0012] 圖4是本發(fā)明基于L邸光源的無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分量光強分布。
[0013] 圖5是本發(fā)明對百合花藥切片樣品的重構圖像（光強分布）。
【具體實施方式】
[0014] 結合圖1，基于LED光源的無透鏡顯微鏡的結構如圖1所示，依次設置LED光源1、 針孔2、樣品臺3、相機4構成成像系統(tǒng)，L邸光源1安放于整個成像系統(tǒng)的最下方，并且其光 敏面位于整個成像系統(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）， 且盡可能使L邸光源1透過針孔2的光強最大化（即針孔正對著L邸光源1的發(fā)光面）。 樣品臺3的與針孔2的距離L一般在20mm-100mm之間。相機4與樣品臺3的距離Z-般 應遠小于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、波長為A普通單色LED,也可為 紅綠藍S色LED,其典型波長為紅光入K=635皿、綠光As=525皿和藍光AB=475皿。其 余參數，包括L邸的尺寸與亮度、照明的波長等可W從廠家手冊獲知或者通過光譜儀測量， 且對于彩色L邸而言，其色彩必須能夠可控（即可W隨時切換照明顏色為紅/綠/藍，并且 =個照明光強要控制成嚴格一致）。運需采用相配套的硬件驅動電路，運些硬件驅動電路的 具體實現方案已經有許多成熟技術，主控制器可W采用（但不限于）單片機、ARM、或者可編 程邏輯器件等，具體實現方法可參考（陳鵬，大功率全彩色L邸驅動電路的研制，江西師范 大學2009)。
[0016] 針孔2的作用是對L邸所發(fā)出的光波進行空間濾波，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017] 樣品臺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，W便使顯微鏡可W觀察樣品的不同區(qū)域。相機4的作用是拍攝透過樣品 光線衍射后形成的圖像，其可W是彩色或者灰度相機。其與樣品臺3的距離Z-般應遠小 于L，在5 之間。由于難W實際測量Z的精確值，運里Z的范圍大概估計即可。
[0018] 本發(fā)明基于L邸光源的無透鏡顯微鏡圖像重構方法，其包含單色L邸