基于彩色led阵列照明的无透镜相位显微层析装置及图像重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于彩色LED阵列照明的无透镜相位 显微层析装置及图像重构方法。
【背景技术】
[0002] 光学显微镜，自17世纪60年代被用于生物医学观察以来，一直是生物医学检测与 分析的核心仪器。相衬显微镜、微分干涉相衬显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜的问 世极大促进了生命科学研究水平的提高，它们以更高的分辨率和成像质量为疾病诊断，尤 其是重大恶性疾病的早期诊断提供了有力的影像学依据，成为现代临床医学中不可或缺的 重要工具。然而，这些显微镜系统仍然基于"可见即所得"的成像方式，并没有充分利用计 算机等现代信号处理设备的强大功能。此外伴随着功能与性能不断革新的是显微镜系统本 身也日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护。试想若能够在保证其成像质量的前提下，实现显微 设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化，必然能够大大降低医疗检测的门槛，为资源 条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断（P〇int-〇f-care test，P0CT)工具，为贫困地区 急、重症病人的早期诊断与及时治疗提供有利条件。
[0003] 实现显微设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化的关键途径在于"无透 镜"（lens-free)与"无标记"（label-free)。"无透镜"顾名思义就是不采用传统光学透镜 对样品进行成像。众所周知，显微镜中最为昂贵的部件就是以显微物镜为代表的光学元件。 若能够简化照明与成像光路，抛弃昂贵笨重的光学镜头实现无透镜显微成像，必然能够大 大降低显微镜的成本，同时为整体系统的小型化、轻量化提供更多可能性。"无标记"是指对 样本不采用任何染色预处理，而依靠其本身内部吸收或折射率差异（引起的相移）进行成 像，这可大大简化样品的制备过程。无标记成像又被称为无损成像或非侵入式（invasive) 成像，因其避免了传统荧光探针对细胞活性产生的不利影响（如荧光探针的特异性，强激 发光引发的光漂白与光毒性，以及基因转质感染）。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（无色透明），所以必须借助于相位信息成像。泽尼克相衬显 微技术与微分干涉相衬显微技术是最为经典的无标记（定性）相位成像方法，但它们无法 提供定量的相位信息，从而不适用于标准化的分析与诊断（弗朗松.相衬显微镜与干涉显 微镜[M]科学出版社，1966.)。相比之下，定量相位成像技术由于其能够提供由样品物理厚 度和折射率系数所决定的定量相位信息，已成为目前最为理想的无标记显微成像方法。近 年来信息光学、全息术以及计算成像光学的快速发展为无透镜与无标记成像提供了一个可 行的解决方案：一旦能够获得光场的定量相位信息，就可以在计算机中对光波场进行数值 反衍射，实现"数字重聚焦"，且无需任何成像透镜。为了获取定量相位信息，最为经典的方 法就是借助于光波的干涉效应（如干涉显微与数字全息显微）（马利红，王辉，金洪震， 等.数字全息显微定量相位成像的实验研究[J].中国激光，2012, 39 (3) : 209-215.)。这种 方式虽省去了成像透镜，却额外引入了昂贵、笨重的激光光源，从而并没有有效缩减系统的 体积与成本。此外干涉法本身对测量环境的苛刻要求，以及高相干性光源引入的散斑噪声 也表明其并非是实现无透镜显微成像的理想方式。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置 及其图像重构方法，不借助于任何光学元件，且通过后期处理的方式来重构物体的三维层 析显微图像。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显 微层析装置，包括依次设置的LED阵列、样品台、相机构成成像系统，该LED阵列安放于整个 成像系统的最下方，并且LED阵列的最中央LED像素的光敏面位于整个成像系统的光轴上。
[0006] -种基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置实现的图像重构方法，步 骤如下：
[0007] 步骤一：图像采集，LED阵列作为无透镜显微镜的光源，顺次点亮其中每一个LED 像素，且每个LED像素的照明颜色分别为红/绿/蓝依次点亮，照射样品后相机采集相对应 的图像；
[0008] 步骤二：针对每个LED像素或每个照明角度，采用求解光强传输方程实现相位恢 复；
[0009] 步骤三：将步骤二中得到的每个LED像素或每个照明角度下得到的图像平面复振 幅分布U zm(X，y)，m = 1，2,…，M映射到物函数的三维频谱中；
[0010] 步骤四：采用正约束迭代的方法恢复缺失的频谱，迭代完成后，最终得到的三维物 函数f n(x，y，Z)即为为待测物体的折射率层析图像。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)不借助于任何成像光学元件，例如显微 物镜、镜筒透镜等；从而简化系统结构，缩小显微镜体积，大大降低成本。（2)可灵活实现样 品的数字聚焦，即"先拍照后聚焦"，无需复杂的机械条件功能。（3)可以获得样品的折射率 层析图像，从而实现生物细胞样品的无标记"真三维成像"，从而显著提升了显微镜的灵活 性与多功能性。由于这三大优点，该显微成像方法可望在植物学、动物学、细胞生物学、半导 体、材料科学、纳米技术、生命科学、医学诊断等众多领域得到广泛应用。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置原理图。
[0014] 图2是本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析图像重构方法流程 图。
[0015] 图3是本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置对马蛔虫受精卵 切片重构得到的折射率层析图像（X，y平面）。
[0016] 图4是是本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置对马蛔虫受精 卵切片重构得到的折射率层析图像（X，z平面）
[0017] 图5是是本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置对马蛔虫受精 卵切片重构得到的折射率层析三维可视化结果。
【具体实施方式】
[0018] 结合图1，本发明基于彩色LED阵列照明的无透镜相位显微层析装置包括依次设 置的LED阵列1、样品台2、相机3构成成像系统，该LED阵列1安放于整个成像系统的最下 方，并且LED阵列1的最中央LED像素的光敏面位于整个成像系统的光轴上。样品台2与 LED阵列1的轴向距离L 一般在20mm-100mm之间。相机3与样品台2的距离z -般应远小 于L，在5 μ m_2mm之间。
[0019] LED阵列1作为显微镜的照明光源，其为红绿蓝三色LED阵列，其典型波长为红 光Ar= 635nm、绿光λ s= 525nm和蓝光λ B= 475nm。并且LED阵列1的中心处于整个 成像系统的光轴上。一般来说，LED阵列1中包含的LED个数应该在8X8以上，每个LED 像素之间中心间距典型值为3-10mm，每个LED像素的光敏面典型尺寸50-200 μ m。这些 参数，包括LED像素的尺寸与亮度、照明的波长以及LED像素之间的中心间距可以从厂家 手册获知或者通过测量得到。LED阵列1中每个LED像素均可通过实现单独点亮，且其色 彩必须能够可控（即可以随时切换照明颜色为红/绿/蓝，并且三个照明光强要控制成 严格一致）。这需采用相配套的硬件驱动电路，硬件驱动电路的具体实现方案已经有许多 成熟技术，主控制器可以采用（但不限于）单片机、ARM、或者可编程逻辑器件等，具体实 现方法可参考：（郭宝增，邓淳苗.基于FPGA的LED显示屏控制系统设计[J].液晶与显 示，2010, 25(