一种集成照明调制和瞳孔调制的定量差分相衬显微镜

技术特征：
1.一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：集成了照明调制和瞳孔调制两种照明模式：选择照明调制时可以实现高分辨、高效率的定量相位成像；选择瞳孔调制时可以获取完全各向同性的横向分辨率。2.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：选用照明调制模式时，采用了1/2环形彩色复用照明，这种照明方法包括三种形式，分别为r/g-b、r/b-g、g/b-r，三种形式都可以解释为上半环颜色/左半环颜色-全圆环颜色，这三种照明形式都有各自的优缺点，但1/2环形彩色复用照明相比之前的三等分环形复用照明，单帧照明下拥有更弱的横向分辨率各向异性与更高的补偿前轴向相位恢复精度。3.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：选用瞳孔调制模式时，采用了频谱中心半通过型瞳孔调制方式，这种方式相比之前的频谱中心全通过型瞳孔调制方式，拥有更好的轴向相位恢复精度与完美的横向分辨率各向同性，还使用了边缘置零的方式来记录和消除背景误差，使瞳孔调制模式下的定量差分相衬成像结果背景噪声更小，更适合于精密检测。4.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：成像过程步骤为：步骤一，选择照明模式：选用照明调制模式时，采用1/2环形彩色复用照明，选择瞳孔调制模式时，采用中心灯珠同轴白光照明；步骤二，决定是否采用半圆形旋转掩膜片：当选用照明调制模式时，不使用半圆形旋转掩膜片，当选用瞳孔调制模式时，使用半圆形旋转掩膜片；步骤三，采集图像：选用照明调制模式时只需采集1幅彩色图像，选用瞳孔调制模式时需要旋转半圆形掩膜片采集2幅轴对称图像；步骤四，计算相位阶梯图像和对应的相位传递函数：选用照明调制时需要进行颜色补偿，分别提取1幅彩色图像的三个颜色通道，然后计算上、下、左、右4幅半圆形照明图像，并以此计算2幅相位阶梯图像，最后计算半环形照明调制相位传递函数；选用瞳孔调制时直接利用2幅图像计算1幅相位阶梯图像，再计算半圆形瞳孔调制相位传递函数；步骤五，通过反卷积和正则化定量恢复样品相位：选用照明调制和瞳孔调制都分别用各自的相位阶梯图像和对应的相位传递函数计算得出样品相位。5.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：进行了弱相位近似误差补偿：通过数学计算和仿真分析得出[0,π]相位范围内样品实际相位和恢复相位之间的函数关系，并用这个函数关系补偿实际的恢复结果，使轴向相位恢复误差降低到1％以下。6.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：包括照明、4f成像系统、4f中继系统、瞳孔调制、彩色图像传感器；所述照明用于产生不同形状与颜色的照明，产生自定义的照明调制效果；所述4f成像系统用于确定微小物体图像的放大倍数，确保显微镜的横向测量精度；所述4f中继系统用于将物镜后焦面从物镜内部传递至物镜外部；所述瞳孔调制用于产生不同角度的半圆形频谱调制，实现自定义的瞳孔调制效果；所述图像传感器用于记录与传输采集的图像，交由计算机开展进一步计算；所有模块均集成于由传统光学显微镜的镜座、镜架、镜臂等组成的主体结构中，形成一个功能性整体装置；相较于数字全息定量相位显微镜或者荧光标记显微镜，照明调制和瞳
孔调制可选的定量差分相衬显微镜仅在传统光学显微镜的基础上增添了可编程的led照明和半圆形旋转掩膜片，就能实现实时、横向分辨率高、轴向恢复精度高、鲁棒性强的定量相位成像，保证了装置的高效、精确和稳定；并且在数据处理时采用了弱相位近似误差补偿算法，能使相位范围在[0,π]内的样品轴向尺寸测量误差<1％，极大地提升了定量差分相衬显微镜的轴向测量精度。7.根据权利要求6所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：照明为一可编程的led光源，led灯珠呈环形分布，可以实现r/g/b/w颜色可选的明暗，满足不同照明形状与颜色需求；照明调制模式采用特有的1/2环形彩色复用照明，可以实现更高的轴向相位恢复精度与更弱的横向分辨率各向异性；瞳孔调制模式采用中心灯珠同轴白光照明。8.根据权利要求6所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：4f成像系统为传统光学显微镜基本框架，包括物镜和管状透镜，在固定距离的情况下可以获取一个固定的放大倍率，确保成像的横向分辨率。9.根据权利要求6所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：4f中继系统为新增模块，包括两个傅里叶透镜，在合理的固定方式下可以将物镜后焦面从物镜内部传递到物镜外部，便于进行频谱面的半圆形调制。10.根据权利要求1所述的一种照明调制和瞳孔调制可选的定量差分相衬显微镜，其特征在于：瞳孔调制为一个可旋转的半圆形掩膜片，固定在4f中继系统的后焦面上，可以实现任意角度的半圆形瞳孔调制；采用特有的频谱中心半通过型调制方法，搭配边缘置零方法记录和消除背景误差，轴向相位恢复精度更高；彩色图像传感器记录1幅彩色图像或2幅轴对称图像，并将其传输至计算机作为相位梯度图像和相位恢复算法的输入；在推导出的相位传递函数作为相位恢复算法的基础上，增添了弱相位近似误差补偿算法，能使轴向相位恢复误差降至1％以下，由于照明调制与瞳孔调制采用了完全相同的弱相位近似方法，通过补偿瞳孔调制中由弱相位近似带来的误差，来近似补偿照明调制中由弱相位近似带来的误差，使瞳孔调制的轴向相位恢复误差<0.1％，照明调制的轴向相位恢复误差<1％。

技术总结
本发明公开了一种集成照明调制和瞳孔调制的定量差分相衬显微镜，可选择照明调制和瞳孔调制两种成像模式。选择照明调制时，采用1/2环形彩色复用照明，采集1幅彩色图像，通过颜色补偿后计算上、下、左、右4幅半环形照明图像，并计算2幅相位梯度图像和对应的相位传递函数，再通过反卷积和正则化定量恢复样品相位；选择瞳孔调制模式时，采用旋转半圆形掩膜片的方法，采集2幅轴对称图像，并计算1幅相位梯度图像和对应的相位传递函数，再通过反卷积和正则化定量恢复样品相位。本发明可以实现1/2相干衍射极限的各向同性横向分辨率、实时成像效率、<1％的轴向相位恢复误差、高稳定性的定量相位成像。相位成像。相位成像。


技术研发人员：蒋吉鑫 李凡星 严伟 余斯洋 杨帆 杨聚圃 杜佳林 王思沫 孙思 刘吉潇 李京宸 邓蔓 聂娟
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2022.11.22
技术公布日：2023/3/10