[发明专利]一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统

说明书

本发明公开了一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统，该成像系统基于倒置显微结构，采用固定焦距的微型透镜设计了高度集成的光学系统，代替了传统显微镜系统复杂的光学系统，使得整个显微镜高度集成。系统采用可编程LED阵列作为照明光源，通过电脑控制LED阵列显示不同照明模式，实现明场、暗场、彩虹暗场、莱茵伯格光学染色、差分相衬、定量相位成像等六种成像功能，为生物应用提供多样化的无标记成像方法。本发明提供了配套的控制系统，可实现系统硬件控制和算法执行与显示，包括照明控制、相机参数调节、定量相位重构恢复、二维/三维结果显示、定量剖线分析等功能，可实现无标记样品的多样化信息获取和分析。

技术领域

本发明属于光学显微成像、定量相位成像技术领域，特别涉及一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统。

背景技术

相衬成像技术是生物研究、药物开发、材料检测等显微成像中进行无标记成像的重要光学工具。它可以在不使用任何外源性造影剂的情况下，将肉眼看不见的样品厚度转化为可检测到的强度变化，增强成像的对比度。相衬方法，如暗场成像、莱茵伯格光学染色成像、微分干涉成像，被广泛应用于透明样品的可视化成像中，获得了观测样品多样的结构信息，为诊断提供了丰富而有力的数据。为了实现样本的多样化研究，需要提供同一样品在不同的显微成像方法下的多个可视化结果和定量数据，进行更加直观的显示和比较。但是，由于光学系统和操作结构的复杂性，现有显微镜很难同时实现多衬度成像。例如，基于科勒照明的明场显微镜采用透射光成像，提供了部分相干成像理论带宽内的成像分辨率。然而，要实现暗场的高频细节成像，需要改变显微镜的硬件配置，如添加环形的孔径光阑来采集样品的反射或衍射信息。更复杂的成像方法往往需要更复杂的光学成像系统，这就限制了显微镜在不同样品下的应用。

近年来，可编程LED阵列和液晶显示器LCD屏被引入显微镜系统，取代了传统的孔径光阑，实现了光照的灵活可调。例如，在基于LED的系统中，暗场显微镜可以通过调节光照使最小光照数值孔径大于物镜的数值孔径来实现，从而产生样品的可视化高分辨率细节。一般来说，LED只需使用计算机发送的不同照明模式对应的串行口协议，就可以在不同的照明模式之间切换。在此基础上，利用LED阵列实现了强度传输方程、差分相位衬度和傅立叶叠层显微成像等多种显微成像方法。这些方法通过反卷积或迭代重建算法进一步获得透明样品的三维定量信息，为生物研究、细胞分析、疾病诊断等提供更有效可靠的定量数据。此外，LED阵列还可以在单一成像系统中实现多衬度成像。2015年，Joo等人利用三个不同光照模式的通道同时照射样品并采集图像，通过通道分离得到样品的明场、暗场和差分相衬的观测结果(Lee D,Ryu S,Kim U,et al.Color-coded LED microscopy for multi-contrast and quantitative phase-gradient imaging[J].Biomedical opticsexpress,2015,6(12):4912-4922.)。在此基础上，基于LED照明和智能手机成像的小型化多对比度显微系统陆续被提出(Jung D,Choi J H,Kim S,et al.Smartphone-based multi-contrast microscope using color-multiplexed illumination[J].Scientificreports,2017,7(1):1-10.)。然而，这种系统需要智能手机作为图像采集设备，因此不能保证系统的稳定性，也不能应用于活体细胞成像。目前，并没有可实现稳定成像效果的多衬度显微镜系统被研究出来。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种小型化、低成本、多衬度无标记显微成像系统，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、镜头、样品载物台、彩色相机以及三维位移台；所述镜头作为物镜；