[发明专利]一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统

权利要求书

1.一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统，其特征在于，所述系统包括成像单元，该单元为倒置显微光路结构，包括从上至下依次设置的可编程LED阵列光源、筒镜、微型物镜、样品载物台、彩色相机以及三维位移台；

还包括控制单元，用于控制可编程LED阵列光源的照明图案，调节彩色相机的参数，控制相机采集图像，切换成像功能，切换二维/三维成像结果显示，以及执行检测结果分析；

所述可编程LED阵列光源通过改变照明图案可产生六种成像模式照明，包括：明场成像、暗场成像、彩虹暗场成像、莱茵伯格光学染色成像、差分相衬成像以及定量相位成像；

所述六种成像模式的照明图案与微型物镜数值孔径相匹配，每个LED对应的照明数值孔径NA_ill为：

式中，R_LED表示每个LED到光轴中心对应的LED的距离，h表示可编程LED阵列光源到样品载物台上表面的距离；

明场成像：照明图案为圆形，所有照明的LED的照明数值孔径小于等于微型物镜的数值孔径；

暗场成像：照明图案为圆形中空，所有照明的LED的照明数值孔径大于微型物镜的数值孔径；

彩虹暗场成像：照明图案与暗场成像的照明图案相同，所有照明的LED的照明数值孔径大于微型物镜的数值孔径，照明光颜色为彩虹分布；

莱茵伯格光学染色成像：照明图案为圆形，照明数值孔径小于等于微型物镜数值孔径的LED采用任意颜色，照明数值孔径大于微型物镜数值孔径的LED被不同颜色等分；

差分相衬成像：照明图案为半圆形，所有照明的LED的数值孔径小于等于微型物镜的数值孔径；

定量相位成像：照明图案为半圆形，所有照明的LED的数值孔径小于等于微型物镜的数值孔径；

所述差分相衬成像通过差分相衬成像算法实现，以获得样品在360°任意方向上的相位梯度图像；差分相衬成像算法的计算公式为：

式中，I_lr表示任意一个轴方向的差分相衬成像的相位梯度，I_l和I_r表示所述轴方向上不对称照明采集的两幅图像；

所述定量相位成像通过差分相衬定量相位恢复算法实现，具体过程包括：

步骤1，在任意两个轴方向上，沿轴向分别采用两个照明图案照射样品，采集对应的样品图像；假设某一轴向上采集的样品图像分别为I_l和I_r，另一轴向上采集的样品图像分别为I_u和I_d，假设采集图像的顺序为I_l、I_r、I_u、I_d；

步骤2，分别计算两个轴方向上的样品相位梯度图像I_lr、I_ud：

步骤3，根据成像模型，计算差分相衬成像的相位传递函数为：

式中，PTF_lr(u)表示I_l和I_r所在轴方向上的相位传递函数，u表示频谱的频率坐标，可被表示为u＝(u_x,u_y)，u_x和u_y为频率横坐标和纵坐标；S_lr(u_j)表示I_l和I_r所在轴方向上的照明光源强度，u_j为第j个LED对应的空间频率，P(u)表示光瞳函数，由物镜的数值孔径NA_obj和照明波长λ决定，其表现为截止频率为的圆形滤波函数，P^*表示P的共轭；d²(·)表示二次微分符号；

步骤4，求解样品相位：利用Tikhonov准则对差分相衬图像的频谱和相位传递函数进行反卷积计算，获得样品的定量相位结果，计算公式为：

式中，φ(r)为样品定量相位，F、F^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，i表示一个轴向的照明，PTF_i(u)和PTF_i^*(u)表示i轴向对应的相位传递函数及其共轭，I_i(u)表示i轴向对应的相位梯度图像，β为正则化参数；

步骤5，重复上述过程直至停止定量相位成像；

所述差分相衬定量相位恢复算法，还包括位于步骤4之后的：

按照I_l、I_r、I_u、I_d的顺序循环采集I_l或I_r或I_u或I_d，每采集一幅图像返回执行步骤2；

所述差分相衬定量相位恢复算法还包括位于步骤5之后的：

增强样品定量相位的显示对比度，具体过程包括：

直方图滤波：统计相位结果中像素值的灰度分布直方图，通过直方图选择显示的相位值范围将背景相位去除；

或者，多颜色伪彩色显示：基于多种伪彩色分布，任意选择相位显示的颜色谱，显示样品的不同结构信息；

所述相位传递函数生成之后保存至本地，系统在每次启动时，会自动调用相位传递函数。