[發明專利]基于LED陣列編碼照明的三維衍射層析顯微成像方法

有效

• 申請號: 201811292260.5
• 申請日: 2018-11-01
• 公開（公告）號: CN109580457B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 左超;張巖;陳錢;李加基;孫佳嵩;馮世杰;張玉珍;范瑤;顧瑩
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N15/14
• 分類號: G01N15/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種基于LED陣列編碼照明的三維衍射層析顯微成像方法，其特征在于步驟如下：

步驟一：采集原始強度圖像，在被測物體為聚焦狀態，且通過改變LED陣列編碼使照明光源形狀為相干系數S1、S2和S3的圓形的情況下，通過移動載物臺或利用電控變焦透鏡采集在不同離焦位置下的三組強度圖像堆棧和

步驟二：通過改變LED陣列編碼使照明圖案為相干系數S4的圓環形狀，再通過移動載物臺或利用電控變焦透鏡采集待測物體在不同離焦位置下的強度圖像堆棧

步驟三：對任意形狀照明的顯微成像系統的三維相位傳遞函數進行推導，由傾斜相干點光源的三維傳遞函數模型推廣至部分相干照明和環狀照明三維傳遞函數模型，得到在不同相干系數下的圓形和環狀照明下顯微系統的三維相位傳遞函數，具體為：

三維物體的吸收率n_a(r)和折射率n_p(r)分別對應著復折射率n(r)的虛部和實部，將物體的復折射率n(r)與所包圍的介質的折射率n₀(r)的關系表示為三維散射勢

其中r為三維空間變量，k₀為真空中對應波長的波數，n_m為物體所處介質的折射率，而在傳統的透射明場顯微成像系統中，對三維物體所測量到的強度圖像I(r)可表示：

其中B為所拍的到的透射光線分量，而A(r)和P(r)分別為物體三維散射勢中的虛部和實部，H_A(r)和H_P(r)分別為成像系統對物體吸收部分和相位部分的點擴散函數；

對上式作三維傅里葉變換得到所拍攝強度圖的三維傅里葉頻譜；

其中Bδ(ρ)為對應的強度圖像的零頻分量，和T_P(ρ)分別為散射勢相位部分的頻譜和相位的三維傳遞函數，而和T_A(ρ)分別為散射勢吸收部分的頻率成分和吸收的三維傳遞函數，而相位分量所對應的三維傳遞函數為：

其中ρ＝(u,v,w)，λ為所對應的照明光源波長，為光源分布函數，和為一對由顯微物鏡所定義的共軛光瞳函數，其絕對值可表達為

其中ρ_P為顯微物鏡光瞳的歸一化截止頻率；

對于一個在光源面上的任一點的相干點光源來說，即將該光源函數代入上式中，即可得到該光源對應的三維相位傳遞函數為：

以上三維傳遞函數分為和即在三維空間中兩個被照明光源所移動球殼和即為埃瓦爾德球殼的定義函數；

當光源為傳統的圓形圖案時即：

將光源的表達式S(u)代入三維相位傳遞函數，得到在不同相干系數ρ_S下的部分相干照明圓形光源對應的三維相位傳遞函數；

當光源為環狀光源時被定義為：

代入三維相位傳遞函數得到在環狀照明下的傳遞函數的形式，通過由傾斜相干點光源的三維傳遞函數模型推廣至圓形部分相干照明和環狀照明模型，得到在不同相干系數下的圓形和環狀照明下顯微系統的三維相位傳遞函數；

步驟四：三維衍射層析定量折射率反卷積重構，對所采集的四組強度圖像堆棧進行三維傅里葉變換得到四種照明情況下的三維頻譜，將得到的四組三維頻譜進行相加再在頻域中除以四種三維相位傳遞函數絕對值之和，得到三維散射勢函數；

步驟五：被測物體的定量三維折射率分布，對三維散射勢函數進行逆傅里葉變換，將散射勢函數轉換為折射率分布，即可得到被測物體的定量三維折射率分布。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在步驟二中：通過LED陣列編碼照明將環形照明方案引入傳統的圓形明場顯微中，并拍攝了在圓環形狀照明圖案下沿軸向的一系列光強圖像堆棧

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于通過改變LED陣列編碼使得圓形照明圖案由小變大，第四組將照明圖案改成圓環照明圖案，然后在每種照明條件下，通過電控變焦透鏡采集待測物體在不同離焦位置下的強度圖像堆棧；第一行為LED陣列編碼照明圖案，第二行為在軸向Z1位置下采集到的圖像強度圖，第三行為在軸向Z2位置下采集到的圖像堆棧圖，依次類推，通過改變電控變焦透鏡采集待測物體在軸向不同離焦位置下的強度圖像堆棧。