[发明专利]基于光强传输方程的相衬与微分干涉相衬的显微成像方法

说明书

本发明公开了一种基于光强传输方程的相衬与微分干涉相衬的显微成像方法，首先沿光轴采集三幅强度图像；其次利用反卷积求解光强传输方程得到定量相位图；而后根据微分干涉相衬成像原理获得该成像模态下的光强图；最后根据相衬成像原理求解对应的相位传递函数从而获得该成像模态下的光强图。本发明可在无需对传统明场显微镜进行复杂改造的前提下，赋予明场显微镜实现相衬与微分干涉相衬成像的能力，即只需使用普通的传统明场显微镜，无需添加任何复杂器件，通过相衬与微分干涉相衬算法以定量、高速、成本低、结构简单、受外界干扰少的优势实现与成本昂贵、结构复杂、环境条件要求严苛的相衬显微镜、微分干涉相衬显微镜相同的成像效果。

技术领域

本发明属于光学显微测量、成像技术，特别是基于光强传输方程的相衬与微分干涉相衬的显微成像方法。

背景技术

在生物医学显微成像领域，大部分样本都属于相位物体——振幅透射率分布均匀，而折射率或厚度分布不均。因此当光波通过相位物体时，波长和振幅变化甚微，而相位改变极大(Schmalz J A,Gureyev T E,Paganin D M,et al.Phase retrieval usingradiation and matter-wave fields:Validity of Teague's method for solution ofthe transport-of-intensity equation[J].Physical review A,2011,84(2):023808.)。但人眼与光学探测器无法观察到这种带有重要信息的相位差。针对此难题，学术界通常是采取对样本进行染色的方法。利用细胞内不同组分对不同化学或荧光染料的不同亲和性，形成足够大的光强反差或生成不同的光谱，从而达到细胞成像的目的。目前广泛采用的荧光显微技术与激光共聚焦显微技术通过选择性标记细胞内的特异性分子以显示细胞的结构与功能特性。然而无论是传统染料染色方法还是荧光标记染色方法，都由于标记手段对细胞具有损害而无法长时间观察活细胞，因此不利于生物医学领域的细胞研究(Sarder P,Nehorai A.Deconvolution methods for 3-D fluorescence microscopy images[J].IEEE Signal Processing Magazine,2006,23(3):32-45)。

在对活细胞动态显微成像的研究中，无标记成像是一种有效的成像方式。其可分为相位可视化法与相位测量法。其中最常见的相位可视化法是相衬(Phase Contrast，简称PC)显微成像与微分干涉相衬(Differential Interference Contrast，简称DIC)显微成像。1935年荷兰科学家Zernike利用相衬显微成像技术发明了相衬显微镜，把通过物体不同部分的光程差转变为振幅(光强度)的差别，可获得具有高衬度的相位图像而实现对未染色标本的观测(左超,陈钱,孙佳嵩.基于光强传输方程的非干涉相位恢复与定量相位显微成像:文献综述与最新进展[J].中国激光,2016,43(6):0609002.)。但此法可获得定性相位图像，不涉及定量分析，需要使用特殊的带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相衬物镜，装置复杂，价格昂贵。2015年美国的Laura waller课题组提出了基于阵列光源的结构光照明数字相衬技术，该方法利用LED阵列获得不同照明方向的显微图像，通过数字相衬算法合成数字相衬显微图像。此法结构简单，可以快速得到定量相衬图像。但是由于受光源数值孔径的限制，对相位物体(细胞等)成像效果不佳(Tian L,Waller L.Quantitativedifferential phase contrast imaging in an LED array microscope[J].Opticsexpress,2015,23(9):11394-11403.)。2017年广东欧谱曼迪科技有限公司提出了一种双通道结构光数字相衬显微成像系统(CN206920698U)，通过两个相机组成的图像采集模块进行图像的同步采集降低了外界扰动，具有受外界干扰少，可实时获得相衬图的特点。但是，该方法需要添加非偏振分光棱镜与额外的相机，使得结构复杂、成本增加。