[发明专利]用于无标记高对比度细胞成像的定量相位显微镜

说明书

技术领域

一般来说，实施例涉及相衬（phase contrast）显微镜。更具体来说，一些实施例涉及用于高对比度细胞成像的定量相位（quantitative phase）显微镜。

背景技术

样本的显微镜图像中的细胞体和/或细胞核的边界的识别称作图像中的细胞体和/或细胞核的分割。为了对样本中的细胞结构进行成像(例如用于分割)，染色或加标记技术常常用来增强不同类型的细胞结构之间的对比度。例如，标本可采用与DNA或RNA起反应的染料(例如溴乙锭)或者以不同方式与细胞核和细胞质相互作用的染料(例如苏木精-伊红)来染色。作为另一个示例，可以是一个或多个着色剂(发色团)和/或一个或多个荧光剂(荧光团)的标记在基于特定标签的存在来识别细胞结构中的预期物质方面是有用的。这类染色和加标记技术帮助识别细胞结构；但是，使用外部造影剂的染色或加标记可影响被成像样本的感兴趣结构或其它性质。此外，一般来说，这种染色或加标记无法对活细胞执行。

与采用明场成像相比，常规相衬成像技术(例如，泽尔尼克，微分干涉差(DIC))实现以改进对比度来对细胞单层的成像。不要求染色或加标记的这些相衬技术一般能够提供充分的图像对比度，但是以附加光学组件、光源和对齐过程为代价。

常规相位成像能够近似为处理一系列传统透射光图像(例如通过聚焦和离焦图像的减法)。虽然为图像提供增强边缘特征，但是对比度常常不足以确保细胞和/或细胞核的可靠自动分割。

此外，具有标记和染色的常规光学成像和常规相衬成像均没有提供与细胞单层有关的定量厚度信息。

发明内容

示范实施例涉及用于产生样本的定量相位图像的方法和系统。一些实施例可用于产生生物样本的高对比度定量相位图像。生物样本的所产生的高对比度定量相位图像可具有用于图像中的细胞体和/或细胞核的无标记自动分割的充分对比度。定量相位图像还可提供与各个位置的样本厚度有关的信息。空间解析厚度信息可提供与细胞条件有关的充分信息，以便使图像分割是不必要的。

一个示范实施例是一种用于可调谐相衬成像的系统。该系统包括用于采用光的主束来照射样本的光源。在一些实施例中，光源产生具有低相干性的光的束。光可具有小于10微米的相干长度。

该系统还包括样本之后的主束通路中的至少一个主束光学元件，其配置成收集由样本所衍射的光，并且收集没有由样本所衍射的光。在一些实施例中，至少一个主束光学元件包括显微镜物镜和/或镜筒透镜。

该系统还包括分束器，其配置成将至少一个主束光学元件所收集的光分成第一束和第二束。第一束包括第一衍射束和第一未衍射束，以及第二束包括第二衍射束和第二未衍射束。

沿第一束的通路，该系统包括第一光学元件(例如透镜)，其配置成将第一未衍射束聚焦在焦平面。该系统还包括在焦平面处或附近的遮光罩，其配置阻挡第一衍射束的至少一部分，而透射聚焦的第一未衍射束的至少一部分。在一些实施例中，遮光罩限定孔径，其配置成透射聚焦的第一未衍射束的至少一部分。遮光罩可配置成阻挡第一衍射束的大部分，而透射聚焦的第一未衍射束的大部分。一般来说，遮光罩从未衍射束中过滤调制分量，这提供清洁的相位参考。

第二光学元件(例如透镜)也在遮光罩之后的第一束的通路中。在一些实施例中，第二光学元件配置成准直第一未衍射束。第二光学元件可具有与第一光学元件的焦距相同的焦距。该系统可包括空间滤波器，其中包括第一透镜、遮光罩和第二透镜。

该系统包括第二光学元件之后的第一束通路中的可动反射镜。在一些实施例中，该系统还包括定位可动反射镜的压电元件。可动反射镜配置为定位成产生第一束中相对于第二束的多个所选相移的每个。在一些实施例中，多个所选相对相移包括零、π/2和π。多个所选相对相移还可包括3π/2。

该系统还包括第一束通路和第二束通路中的第二分束器。第二分束器配置成把来自可动反射镜的第一束与第二束相结合，供二维(2-D)成像系统进行成像。在一些实施例中，第二分束器配置成组合来自可动反射镜的第一未衍射束的透射部分和第二衍射束。

在一些实施例中，从第一分束器到2-D成像系统的第一未衍射束的光程长度与从第一分束器到2-D成像系统的第二衍射束的光程长度大致相等。

在一些实施例中，该系统包括第二束通路中的第三光学元件(例如透镜)和第四光学元件(例如透镜)。第三光学元件可具有与第四光学元件的焦距大致相等的焦距。第四光学元件可配置成将第二衍射束聚焦在2-D成像系统。