[发明专利]一种基于最优照明模式设计下的差分相衬定量相位显微成像方法

说明书

本发明公开了一种基于最优照明模式设计下的差分相衬定量相位显微成像方法，首先推导出差分相衬定量相位成像中各向同性相位传递函数所对应的最优照明图案，确定其为照明数值孔径NA_ill与系统用物镜数值孔径NA_obj相等的半环形照明图案；其照明强度分布以方向轴为起点，随照明角度余弦变化；在极坐标下强度分布可以表示为S(θ)＝cos(θ)；本发明有效弥补相位传递的频率损失，不仅最高频率的传递表现得到增强，同时低频相位信息的传递性也得到明显提升，保证了相位结果的正确性和高分辨率；同时该最优照明方案将照明轴数量减到最少的2个，大大减少了差分相衬定量相位成像所需采集图像的数量，提高了成像速度，使其获得实时动态、高正确率、高分辨率的相位成像结果。

技术领域

本发明属于光学显微成像、测量技术，特别是一种基于最优照明模式设计下的差分相衬定量相位显微成像方法。

背景技术

由于生物细胞的透明特性，对生物细胞进行无标记研究一直是显微成像方法的热点。定量相位显成像技术作为目前种类最多、应用最广的无标记成像方法逐渐成为细胞研究的主要手段。在定量相位成像技术中，按成像原理可以主要分为两类，即基于相干成像和基于非相干成像的定量相位成像方法。得益于不同的成像原理，这两种方法往往在成像分辨率、成像通量、成像速度等方面具有不同的成像表现。在这些成像方法中，以差分相衬(Differential Phase Contrast)定量相位成像为代表的非相干定量相位成像方法仅需几幅原始图像即可完成相位的定量恢复，同时可带来两倍于物镜衍射极限的横向分辨率，使得成像结果具有很高的正确性和稳定性。这些优势使得差分相衬定量相位成像在细胞成像方面有着极为重要的应用价值。

传统差分相衬定量相位成像通过在成像系统中引入相移量，将不可见的样品相位转换为可以测量的强度信息。近年来，可编程LED阵列、LCD显示屏等新型光源被引入显微成像系统，使得照明方式的灵活可调，新的采用不对称照明的差分相衬成像方式被提出，例如，田磊等在2015年提出了差分相衬成像定量相位成像技术，成功利用差分相衬成像技术实现了样品定量相位的求解(Tian L,Waller L.Quantitative differential phasecontrast imaging in an LED array microscope.Optics express,2015,23(9):11394-11403.)。在基于LED的差分相衬成像方法中，通常采用两轴的不对称半圆型照明图案采集4幅图像，由此计算得到两个轴方向上的差分相衬图像进行相位的求解。由于LED控制的便利性，这样的成像方式使得差分相衬成像在活细胞成像上的优势凸显。但是，半圆型的成像模型得到的相位传递函数存在一定限制，它在最高频率2NA_obj/λ处表现出很弱的传递特性，这导致差分相衬成像的理想最高分辨率难以实现，同时在低频部分，相位传递函数的传递性非常差，往往只能得到对比度非常低的相位结果。为改善差分相衬成像低频相位的传递特性，新的半环型照明下的成像模型被提出(专利申请号：201710660630.5)，但这类照明强度分布均匀的半环型照明对应的系统相位传递函数分布不均匀，在两轴照明的情况下由于部分频率的缺失给相位结果引入了许多的伪影和误差。