[發(fā)明專利]基于冗余光路的微尺度透明體離焦距離測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN109373905B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金衛(wèi)鳳;李健;王亞偉
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01N21/17
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本發(fā)明公開了基于冗余光路的微尺度透明體離焦距離測量裝置及方法，涉及微尺度透明體測試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種通過冗余光路以獲取四種不同離焦程度下的相位體圖像并根據(jù)這些圖像計算SPEC參數(shù)以確定相位體相對于成像系統(tǒng)物鏡在光軸方向上的位置的方法，實現(xiàn)透明相位體三維空間位置的實時測量。本發(fā)明通過在光路中增加冗余光路，無需采用光路的機械運動來實現(xiàn)光路的調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用直接計算方式，不需要迭代優(yōu)化過程，計算過程簡單。冗余光路同時工作可實現(xiàn)實時圖像獲取與處理，可用于相位體運動分析中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微尺度透明體測試技術(shù)領(lǐng)域，特指一種通過冗余光路測量處理的四幅相位圖片以實現(xiàn)透明體離焦距離獲取的測量系統(tǒng)及方法，其適用于所測量的微尺度透明體相對于背景介質(zhì)具有不同折射率的透明體在光軸方向的位置的測量。

背景技術(shù)

物體的三維位置信息是確定物體運動變化規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機械工程及信息等領(lǐng)域扮演著重要的角色，其中的微尺度透明體(以細(xì)胞為代表)三維位置的測量是生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。

目前，為了實現(xiàn)微尺度透明體測量，學(xué)術(shù)界一般采用熒光靶定探測和相位顯微成像方法。對于通常的測試對象——細(xì)胞而言，熒光靶定探測需要熒光粉與細(xì)胞作用，這可能影響細(xì)胞的生命過程，最終導(dǎo)致測量結(jié)果與真實的細(xì)胞運動變化過程之間的誤差。相位顯微成像方法能實現(xiàn)細(xì)胞厚度分布數(shù)據(jù)的獲取且對相位體特性影響較小，近年來得到廣泛重視，但在相位體光軸位置數(shù)據(jù)獲取方面，傳統(tǒng)的相位顯微成像方法操作較復(fù)雜，需要對成像系統(tǒng)進行機械調(diào)整或通過數(shù)值計算實現(xiàn)數(shù)值聚焦(P.Langehanenberg,B.Kemper,D.Dirksen,and G.von Bally.Autofocusing in digital holographic phase contrastmicroscopy on pure phase objects for live cell imaging.Applied Optics,2008,47:D176-D182)。采用機械調(diào)整以獲取相位體位置的方式容易影響成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而通過數(shù)值計算的方式需要一個復(fù)雜的嘗試優(yōu)化過程。在相位體位置確定的過程中，一個關(guān)鍵是采用合理的衡量相位體離焦程度的參數(shù)。目前已有的衡量離焦程度的參數(shù)與成像系統(tǒng)參數(shù)、成像背景以及成像物的關(guān)系復(fù)雜，難以建立離焦程度參數(shù)與離焦距離之間的確定關(guān)系，所以難以通過這些參數(shù)的絕對量來衡量成像物的離焦程度，需要首先建立離焦程度參數(shù)與離焦距離之間的關(guān)系曲線，再將測量計算結(jié)果與關(guān)系曲線進行比較以確定成像物的離焦程度(在光軸方向上的位置)。已有的研究結(jié)果(P.Langehanenberg,B.Kemper,D.Dirksen,andG.von Bally.Autofocusing in digital holographic phase contrast microscopy onpure phase objects for live cell imaging.Applied Optics,2008,47:D176-D182)表明，權(quán)重譜分析參數(shù)(Weighted spectral analysis，SPEC)具有較理想的性能(穩(wěn)定性好、可運行范圍寬、對比度大、適應(yīng)范圍廣)，最適合作為相位體的離焦程度衡量參數(shù)。通過文獻的數(shù)據(jù)還可以看出，SPEC參數(shù)具有較好的對稱性，且其隨離焦程度的變化在小范圍內(nèi)可近似為線性。利用SPEC參數(shù)的這些特征可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)快速確定成像系統(tǒng)的物平面以及成像相位體的離焦程度。

為此，本發(fā)明擬通過冗余光路以獲取四種不同離焦程度下的相位體圖像并根據(jù)這些圖像計算SPEC參數(shù)以確定相位體相對于成像系統(tǒng)物鏡在光軸方向上的位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種通過冗余光路以獲取四種不同離焦程度下的相位體圖像并根據(jù)這些圖像計算SPEC參數(shù)以確定相位體相對于成像系統(tǒng)物鏡在光軸方向上的位置的方法，實現(xiàn)透明相位體三維空間位置的實時測量。

本發(fā)明按下述技術(shù)方案實現(xiàn)：