[发明专利]一种基于大照明数值孔径的大视场高分辨率显微成像装置及迭代重构方法

说明书

本发明公开了一种基于大照明数值孔径的大视场高分辨率显微成像装置与迭代重构方法，包括LED阵列、载物台、聚光镜、显微物镜、成像筒镜、相机，所述的LED阵列设置在聚光镜的前焦面上；所述LED阵列上第i个点亮的LED单元发出的光经过聚光镜汇聚变成平行光照射在待测样品上，该待测样品被放置在载物台上，透过待测样品的一部分衍射光被显微物镜收集，并经过成像筒镜汇聚照射相机的成像平面，形成的光强图由相机记录下来。本发明既保证了照明方向的编程可控，同时也保证了照明数值孔径最高可达到1.20，从而获得高达0.15μm的重构分辨率。

技术领域

本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于大照明数值孔径的大视场高分辨率显微成像装置及迭代重构方法。

背景技术

在显微成像领域，更高的分辨率一直是追求的目标，但是在提高分辨率的同时存在一个关键性问题，那就是并没有随分辨率一起提高的显微镜的空间带宽积。从成像系统角度看，为了实现高分辨率，必须增加显微物镜的数值孔径，但空间分辨率的提高与视场的扩大往往是一对难以调和的矛盾。简言之，就是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(孙西钊,王震,李攀,李建勋,王文合.适用于结核杆菌抗酸染色图像拼接的装置:中国,2013205777012[P].2013-09-17.)。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，想要突破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。

基于合成孔径成像原理的扫描成像方法最早是由Hoppe为了研究晶体结构所提出的一种技术(Hoppe W.Trace structure analysis,ptychography,phase tomography[J].Ultramicroscopy,1982,10(3):187-198.)，并通过研究晶体和非晶体的扫描透射电子衍射显微成像，验证了此方法的有效性。Rodenburg和Faulkner等结合相位恢复算法将此方法进行了多次改进(Rodenburg J M.Ptychography and related diffractive imagingmethods[J].Advances in Imaging and Electron Physics,2008,150:87-184.)。目前这种成像方法已在可见光域、X射线、电子显微镜等不同波段得到了实验证实，并发展出若干种技术以提高成像质量以及分辨率，该技术显示了在大幅面成像和高分辨成像方面的巨大潜力。上述传统的合成孔径成像技术是通过移动一个全透的小孔(或待测样品本身)使入射平面波照射到待测样品的不同部位，即由小孔控制照明光束尺寸、几何形状及位置，并利用由此得到的一系列衍射强度图样重构出待测样品的振幅与位相信息(王雅丽,史祎诗,李拓，等.可见光域叠层成像中照明光束的关键参量研究[J].物理学报,2013,Vol.62,No.6.064206-1-9)。合成孔径成像术的关键在于：每次照射待测样品的一个“子孔径”也就是待测样品的某一部分时，都要和至少一个其他的“子孔径”发生交叠。这样就可建立一种重构算法，在分别重构每“子孔径”的复振幅时也要同时满足其他“子孔径”衍射分布的约束，使得最后的待测样品的整体复振幅信息是所有“子孔径”的共同解，从而由各个“子孔径”拼接合成一幅大视场高分辨率的待测样品的图像。合成孔径成像术可以说是一种稳健而简约的显微成像技术，但其一直缺乏一种稳健的图像重构算法。特别是当所采集的图像信噪比较低时，往往难以得到理想的重构图像，因此如何提高重构质量与信噪比成为了合成孔径成像技术必须克服的一个技术难题。2013年，郑国安将合成孔径成像术由空域引入了频域，提出了傅立叶叠层成像技术，也叫频域叠层孔径成像技术(Zheng G,HorstmeyerR,Yang C.Wide-field,high-resolution Fourier ptychographic microscopy[J].Nature photonics,2013,7(9):739-745.)。该方法虽然能够实现大视场高分辨率显微成像，空间带宽积相比于传统光学显微技术得到了极大的提升。但是因为其成像系统中抛弃了聚光镜所以照明的数值孔径很难超过0.7，这就导致其重构分辨率一般无法达到300nm。另外，由于其图像重构质量会受到系统中各项系统误差的影响，所以如何在不损失成像视场大小的前提下实现合成数值孔径达到1.6，重构图像分辨率达到150nm的高精度大视场高分辨率显微成像成为了傅立叶叠层成像技术必须克服的一个技术难题。