[发明专利]大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置与重构方法

说明书

本发明公开了一种大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置与重构方法，该装置包括依次设置的部分相干或者相干光源、平行平板、样品台、相机构成成像系统，部分相干或者相干光源安放于整个成像系统的最上方，并且光源的发光中心位置位于整个成像系统的光轴上。本发明不借助于任何精密的亚像素位移器件，能够实现大步进小位移，从而简化系统结构，缩小显微镜体积，极大地降低成本；该方法降低了对机械结构精度的要求，对采集的图像中的噪声具有很强的抵御能力，能够非常稳定并且准确地重建出大视场超分辨率的相位图像。

技术领域

本发明属于无透镜光学显微成像技术，特别是一种面向大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置与重构方法。

背景技术

在显微成像领域，高分辨率一直是追求的目标，但是传统显微镜往往牺牲成像视场来获得更高的成像分辨率，即高分辨率提高的同时显微镜的空间带宽积并没有一起提高。由于空间分辨率与视场是一对难以调和的矛盾，简而言之，在低倍镜下可以看到被检物体的全貌，换成高倍物镜时，就只能看到被检物体的很小一部份。目前，为了突破分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾，常见的方法是采用常规显微镜系统配合高精度机械扫描和后期空域图像拼接方法将多个小视场高分辨率图像拼接融合生成一幅大视场高分辨率图像(适用于结核杆菌抗酸染色图像拼接的装置，2013205777012)。但是由于引入了机械移动装置，所以系统成像时的稳定性和成像速度又成为一对难以调和的矛盾，提高扫描速度必将影响成像稳定性。所以，想要解决分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾又不引入了机械移动装置，必须采用近年来提出的计算成像的方法，比如基于合成孔径的成像方法、无透镜显微成像技术。

无透镜显微成像技术作为一种新型的大视场高分辨显微成像技术在最近的十几年获得了快速的发展，其中Aydogan Ozcan团队提出了多种提高无透镜显微成像分辨率的方法，并首次将无透镜成像中的超分辨过程和重构过程融合在统一的数学框架里。在无透镜显微成像中，限制重构分辨率的一个关键因素是成像传感器的像素尺寸大小。受制于传感器制造工艺水平，传感器的像元尺寸不能无限小，所以无透镜显微镜的成像分辨率往往低于相机像元尺寸所决定的奈奎斯特采样分辨率。传统方法是通过对样品/光源进行横向机械亚像素位移(使用光源阵列类比于横向位移光源)，利用像素超分辨率算法对一系列低分辨率的全息图进行处理获得更高分辨率的图。近几年来，还发展出利用多角度照明、轴向扫描等方法来实现强度的像素超分辨。但是上面的这些方法都需要依赖精准的机械移动，如1弧秒精准旋转位移台、亚像素横向位移台等，或者可调多波长光源(需要依赖于高精度的波长可调谐激光器)，这些机械结构显著地提高了系统的成本、降低了鲁棒性。此外，对于无透镜显微成像，目前已有的超分辨率方法大部分都局限于强度超分辨率,难以适应当前生物医学领域非侵入式成像的需求，即在生物成像领域，生物样品进行染色等手段进行标记时将会对样品活性产生影响，但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，不能直接由相机直接采集得到，所以必须借助于相位信息成像。所以如何搭建出简单高效的大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置以及提出相应的重构方法成为了无透镜显微成像技术中必须克服的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置与重构方法，在极大地简化系统降低成本的同时实现大步进小位移，并在提升成像系统的空间带宽积的同时，实现相位成像，且对噪声的鲁棒性能够有效地提高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像装置，包括依次设置的部分相干或者相干光源、第一平行平板、第二平行平板、样品台、相机构成成像系统，所述部分相干或者相干光源安放于整个成像系统的最上方，并且光源的发光位置位于整个成像系统的光轴上。

一种大视场超分辨率动态相位无透镜显微成像的重构方法，步骤如下：

步骤一，图像采集：部分相干或者相干光作为光源，经过平行平板，照射样品后在相机上成像，平行平板每旋转一个角度，相机就采集一幅图像；