[发明专利]基于大功率LED亮度自适应照明的显微成像装置及测量方法

说明书

一种基于大功率LED亮度自适应照明的显微成像装置和测量方法，该装置包括：计算机、LED控制模块、LED阵列、载物台、显微物镜、镜筒透镜、光学探测器。所述LED阵列上的LED单元依次对载物台上的待测样品进行照明，照明光穿过样品形成衍射光经过显微物镜和镜筒透镜收集后照射在光学探测器的成像平面上，并记录该低分辨率光强图像。利用迭代重建算法就可以实现样品高分辨率复振幅的快速恢复，通过提高LED功率以及对LED光源进行多模态分解可以有效提高显微成像质量和成像精度，适用于材料科学和生物医学领域多种样品的光学显微成像，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及定量相位测量及光学显微成像领域，特别是一种基于大功率LED亮度自适应照明的显微成像装置及测量方法。

背景技术

传统的光学显微成像技术主要基于透镜成像原理，通过透镜组实现待测样品的局部显微成像，由于物镜数值孔径的限制，提高物镜的成像分辨率的同时会降低成像视场大小，二者相互制约、难以平衡。为解决这一矛盾，常规显微镜系统主要采用精密电动平台进行大范围空域扫描，并采用软件将连续视野区域的图像进行图像拼接融合。然而该方法依赖于高精度的机械扫描部件，增加系统成本的同时不可避免的引入了机械误差，影响显微成像质量。此外，光学探测器仅能记录得到光束的强度信息，而由样品三维形貌和折射率系数所决定的相位信息却在传播和记录的过程中丢失，因此如何获得精准的定量相位成像也成为了显微成像领域的重要命题。随着ptychography iterative engine(PIE)相位恢复迭代算法的提出以及其在频域中的应用，光学显微镜已经能够利用LED阵列照明及相位恢复算法得到兼具高分辨和大视场的定量相位成像。但是传统的频域PIE显微成像技术仍然存在部分问题，适用于显微成像照明的LED阵列所采用的LED单元功率普遍较小，亮度较低，大角度照明时经过物镜光瞳函数约束后的高频信号太弱，导致暗场信息丢失，通过频域PIE方法恢复得到的图像分辨率下降；其次LED单元亮度不能独立调节，既不能校正不同LED单元亮度之间的随机偏差，又容易造成中心区域LED照明时采集的图像过曝；此外采用LED阵列照明的核心问题是，LED光源空间相干性较差，发出的照明光属于部分相干光，而频域PIE相位恢复算法是基于相干成像系统进行测量，因此会在相位恢复的过程中引入成像误差，降低显微成像系统的分辨率和成像质量。

综上，提高LED阵列照明功率，实现LED单元亮度自适应调节，并通过算法校正LED光源的弱相干性引入的重建误差，成为显微成像领域实现定量相位测量所面临的新挑战，需要采用新的LED照明装置和相位恢复算法来推动光学显微技术的变革。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大功率LED亮度自适应照明的显微成像装置及测量方法，通过采用大功率LED驱动照明以及LED光源亮度分布的任意调节，增强了显微成像光场传播过程中的高频信号，提高了光学探测器采集的暗场图像质量，并通过多模态分解对LED照明光进行算法校正，消除了由于LED空间相干性较差而引入的成像误差，适用于材料科学和生物医学等领域多种样品的定量显微成像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于大功率LED亮度自适应照明的显微成像装置，包括：计算机、LED控制模块、LED阵列、载物台、显微物镜、镜筒透镜、光学探测器，所述LED控制模块包括单片机开发板、开关电源电路、LED驱动芯片、译码继电器、负载电阻；所述计算机的输出端通过串行通信接口与LED控制模块输入端相连接；所述单片机开发板通过模拟信号I/O接口与LED驱动芯片的输入端相连，所述单片机开发板通过数字信号I/O接口与译码继电器的输入端相连；所述开关电源电路的电流输出端与译码继电器相连；所述LED阵列的电流输入端通过多路导线与译码继电器的输出端相连，所述LED阵列的电流输出端通过负载电阻与LED驱动芯片相连；所述光学探测器的输出端与计算机的输入端相连；所述LED阵列的中心处于显微镜的光轴上；所述显微物镜的后焦面与镜筒透镜的前焦面相重叠，所述光学探测器的成像平面与镜筒透镜的后焦面相重叠，成像时，将待测样品放置于载物台上，并调整位置使样品处于显微物镜的前焦平面处，构成光学相干成像系统。