[发明专利]一种基于环形照明的高速傅立叶叠层成像装置及重构方法

说明书

技术领域

本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于环形照明的高速傅立叶叠层成像装置及重构方法。

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。一方面，直接法以光强传输方程法和差分相衬法为代表，二者都只需要拍摄最少2-4幅图就能根据各自的相位传递函数直接求解出物体的相位分布。但由于二者的相位传递函数值在低频区域都比较低，且在零频处都趋近于零，所以恢复的相位分布往往都存在一些低频误差，所以需要附加的正则化优化方法来去除这些低频重构误差，难以保证重构精度。

另一方面，迭代法以基于合成孔径成像原理的扫描成像方法为代表，最早由Hoppe为了研究晶体结构所提出(Hoppe W.Trace structure analysis,ptychography,phase tomography[J].Ultramicroscopy,1982,10(3):187-198.)，并通过研究晶体和非晶体的扫描透射电子衍射显微成像，验证了此方法的有效性。Rodenburg和Faulkner等结合相位恢复算法将此方法多次改进(Rodenburg J M.Ptychography and related diffractive imaging methods[J].Advances in Imaging and Electron Physics,2008,150:87-184.)。目前这种成像方法已在可见光域、X射线、电子显微镜等不同波段得到了实验证实，并发展出若干种技术以提高分辨率以及相位恢复精度，该技术显示出在大幅面成像、高分辨成像、定量相位恢复等方面的巨大潜力。2013年，郑国安将合成孔径成像术由空域引入了频域，提出了傅立叶叠层成像技术，也叫频域叠层孔径成像技术(Zheng G,Horstmeyer R,Yang C.Wide-field,high-resolution Fourier ptychographic microscopy[J].Nature photonics,2013,7(9):739-745.)。该方法虽然能够实现大视场高分辨率显微成像，空间带宽积相比于传统光学显微技术得到了极大的提升。但是，该方法的相位恢复精度一直未得到验证，往往存在大量低频相位重构误差。此外，由于其需要采集大量低分辨率图像来重构一幅高分辨率图像，成像速度慢，难以适应当前各种高速定量相位显微成像的需求(例如活细胞无标记动态定量相位成像)。所以如何在只拍摄少量低分辨率图像的前提下实现高精度的大视场高速定量相位显微成像成为了傅立叶叠层成像技术必须克服的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于环形照明的高速傅立叶叠层成像装置及重构方法，在只拍摄少量低分辨率图像的前提下实现高精度的大视场高速定量相位显微成像，极大提升傅立叶叠层成像技术的成像速度和相位重构精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于环形照明的高速傅立叶叠层成像装置，包括环形LED板、载物台、聚光镜、待测样品、显微物镜、成像筒镜、相机，其中环形LED板上第i个点亮的LED单元发出的光经过聚光镜汇聚变成平行光照射在待测样品上，该待测样品被放置在载物台上，透过待测样品的衍射光一部分被显微物镜收集，并经过成像筒镜汇聚照射相机的成像平面，形成的光强图由相机记录下来。

一种基于环形照明的高速傅立叶叠层成像重构方法，步骤如下：

步骤一，LED单元亮度标定：环形LED板作为显微镜的照明光源，顺次点亮其中每一个LED单元，照射空白待测样品后使用高倍物镜采集相对应的图像并计算每个LED单元在红绿蓝三个波段对应的归一化亮度校正系数；