[发明专利]基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法

说明书

技术领域

本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法。

背景技术

光学显微镜，自17世纪60年代被用于生物医学观察以来，一直是生物医学检测与分析的核心仪器。相衬显微镜、微分干涉相衬显微镜、荧光显微镜、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，它们以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，这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、复杂且难以维护。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门槛，为资源条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断(point-of-care test，POCT)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-free)与“无标记”(label-free)。“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以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，这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，因其避免了传统荧光探针对细胞活性产生的不利影响(如荧光探针的特异性，强激发光引发的光漂白与光毒性，以及基因转质感染)。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)，所以必须借助于相位信息成像。泽尼克相衬显微技术与微分干涉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.相衬显微镜与干涉显微镜[M]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、全息术以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，就可以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涉效应(如干涉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[J].中国激光,2012,39(3):209-215.)。这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。此外干涉法本身对测量环境的苛刻要求，以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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LED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。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LED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LED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)可以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三维成像。由于这三大优点，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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明