[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光学测量、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。

背景技术

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,“Quantitative phase-amplitude microscopyI:optical microscopy,”Journal of Microscopy 206,194-203(2002).文献[2]T.E.Gureyev,A.Pogany,D.M.Paganin,S.W.Wilkins,“Linear algorithms for phaseretrieval in the Fresnel region，”Optics Communications 231,53-70(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