基于lcd液晶面板的可编程孔径显微镜系统及其多模式成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微 镜系统及其多模式成像方法。
【背景技术】
[0002] 明场成像和暗场成像是最常用的两种显微成像方法，两者的区别在于：照明方式 不同。如果只允许透射光束通过物镜光阑成像，称其为明场像；如果只允许衍射光束通过物 镜光阑成像，则称为暗场像。所以明场是让照明孔径在物镜数值孔径以内，视场是明亮的； 而暗场是则是让照明孔径在物镜数值孔径以外，而不让照明光束通过物镜光阑成像，但是 标本中的结构能够衍射光线，这些衍射光有一部分通过物镜光阑成像，所以在黑暗的背景 上能够看到表现标本中细微结构的亮点和亮线（于捷年.暗场显微镜成像原理初探[J]. 中国刑警学院学报，1999,（1) :38-40.)。
[0003] 还有一种常见的成像方式是相差显微成像。1935年荷兰科学家Zernike利用相差 显微成像技术发明了相差显微镜，并将其用于观察未染色标本（盛富根.微分干涉相衬显 微镜的原理分析（矢量法）[J].光学仪器，1986,（5).)。活细胞和未染色的生物标本，因细 胞各部细微结构的折射率和厚度的不同，光波通过时，波长和振幅并不发生变化，仅相位发 生变化，这种相位差人眼无法观察。而相差显微镜利用物体不同结构成分之间的折射率和 厚度的差别，把通过物体不同部分的光程差转变为振幅（光强度）的差别，经过带有环状光 阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现观测。该显微镜主要用于观察活细胞或不染色的 组织切片，有时也可用于观察缺少反差的染色样品。光线透过标本后发生折射，偏离了原来 的光路，同时被延迟了 1/4λ(波长），如果再增加或减少1/4λ，则光程差变为1/2λ，两束 光合轴后干涉加强，振幅增大或减下，提高反差。在构造上，相差显微镜有不同于普通光学 显微镜3个特殊之处：1.环形光阑（annulardiaphragm)位于光源与聚光器之间，作用是使 透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上；2.相位板（phaseplate)在物镜中加了涂 有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ;3.合轴调节望远镜：用于调节 环状光阑的像与相板共辄面完全吻合。
[0004] 类似于相差显微成像的成像效果，差分相衬成像也是一种常见的显微成像方法， 使用该方法可使样品的细微结构呈现出正或负的投影形象，通常是一侧亮，而另一侧暗，类 似大理石上的浮雕，这样便人为地造成了样品的三维立体感。
[0005] 通常来说，现代显微镜系统往往伴随有多种显微成像模式，如明场成像、暗场成像 和相衬成像等等，这些成像方式需要显微镜的光源提供更加灵活多变的控制。从而，现有的 高端显微镜的聚光镜都做成了塔式结构，里面需增设很多的可调附件，如：暗场环遮光板、 相衬环遮光板等等。特别是暗场环遮光板与相衬环遮光板，这些元件都需要与每个物镜单 独匹配，如果系统中有4个不同倍率的物镜，则需要分别配备四种不同尺寸的遮光板与之 相配。显然，这使得显微镜的结构变得日益复杂，元件数目越来越多，成本也随之越来越高。 这种复杂的聚光镜结构一般需要熟练的显微镜工作者进行操作，并需要针对标本的差异和 物镜的不同进行实践、校正（刘金，解玉兰.柯拉照明在显微镜调节中的应用[J].实验室 科学，2006,（2) :117-118.)。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统及其多 模式成像方法，利用IXD液晶面板实现空间光调制器的功能，从而实现显微镜系统孔径平 面光强分布的灵活可控，并实现明场、暗场、差分相衬成像三种成像模式。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜 系统，包括显微成像系统和LCD液晶面板的4f系统，该LCD液晶面板的4f系统包括第一透 镜Q、第二透镜L2、IXD液晶面板以及单色C⑶相机，第一透镜Q、第二透镜L2的焦距f= f\=f2，第一透镜Q和第二透镜L2构成一个标准的4f成像系统，即第一透镜Ljlj显微镜 图像平面的端口的距离为Π，第二透镜LjljC⑶相机成像平面的端口的距离为f2,两透镜 之间的距离是fl+f2 ;IXD液晶面板放置于4f系统的傅里叶平面，即第一透镜1^和第二透 镜L2之间，距离第一透镜L距离为Π，距离第二透镜L2的距离为f2。
[0008] -种基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统的多模式成像方法，由显微成像 系统和LCD液晶面板的4f系统实现明场、暗场、差分相衬成像三种成像模式，在成像之前， 先对LCD液晶面板中每个像素点的位置进行标记。
[0009] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)利用IXD液晶面板实现空间光调制器的 功能，可以实现孔径图案、孔径光阑尺寸等的灵活可调。（2)可以作为附件无缝驳接到传统 明场显微镜的相机接口，无需改变显微镜的原始结构，无需任何物理上机械移动的部件，从 而显著提升了显微镜的灵活性与多功能性。通过在LCD液晶面板显示不同的图案，结合相 应的图像处理方法，方便快捷地实现明场、暗场、差分相衬成像三种成像模式显微成像，在 植物学、动物学、细胞生物学、半导体、材料科学、纳米技术、生命科学、医学诊断等众多领域 具有广阔应用前景。
[0010] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明基于IXD液晶面板的可编程孔径显微镜系统原理图。
[0012] 图2是IXD液晶面板中每个像素点的坐标系不意图。
[0013] 图3是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统的明场成像方法中LCD液晶面 板所需显示的指定图案，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域ΝΑ_，而内圈点 线部分代表的是聚光镜孔径光阑区域NAm。
[0014] 图4是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统暗场成像方法中LCD液晶面板 所需显示的指定图案，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域ΝΑ_，而内圈点线 部分代表的是聚光镜孔径光阑区域NAm。。
[0015] 图5(a)是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统差分相衬成像方法（左右） 中LCD液晶面板所需显示的指定图案1，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域 嫩。1^，而内圈点线部分代表的是聚光镜孔径光阑区域嫩; 11。
[0016] 图5(b)是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统差分相衬成像方法（左右） 中LCD液晶面板所需显示的指定图案2,其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域 嫩。1^，而内圈点线部分代表的是聚光镜孔径光阑区域嫩; 11。
[0017] 图6 (a)是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统差分相衬成像方法（上下） 中LCD液晶面板所需显示的指定图案1，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域 嫩。1^，而内圈点线部分代表的是聚光镜孔径光阑区域嫩; 11。
[0018] 图6(b)是基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统差分相衬成像方法（上下） 中LCD液晶面板所需显示的指定图案2,其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域 嫩。1^，而内圈点线部分代表的是聚光镜孔径光阑区域嫩; 11。
[0019] 图7是采用本发明所拍摄到的口腔上皮细胞样品的明场图像。
[0020] 图8是采用本发明所拍摄到的口腔上皮细胞样品的暗场图像。
[0021] 图9是采用本发明所拍摄到的口腔上皮细胞样品的差分相衬成像图像（左右）。
[0022] 图10是采用本发明所拍摄到的口腔上皮细胞样品的差分相衬成像图像（上下）。
【具体实施方式】
[0023] 结合图1，本发明基于LCD液晶面板的可编程孔径显微镜系统，由两部分构成，一 部分为显微成像系统1，另一部分是一个包含LCD液晶面板的4f系统2,这两部分在图1中 分别由虚线框标出。所述的显微成像系统1可直接采用现有的显微镜系统，也可以自行构 建，其主要包括集光镜3、聚光镜孔径光阑4、聚光镜5、样品载物台6、显微物镜7、反射镜8、 与镜筒透镜9。其中集光镜3将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑4,聚光镜孔径光阑大小可调， 控制照明的通光孔径，通光聚光镜孔径光阑4发散后又被聚光镜5收集后照射样品，透射过 样品载物台6上的样品的光被显微物镜7收集，并经过反射镜8反射后由镜筒透镜9放大 后成像在显微镜相机端口的图像平面10。
[0024] 所述的包含IXD液晶面板的4f系统2是系统的核心部分，包括第一透镜Q11、 第二透镜L213、LCD液晶面板12以及单色CCD相机14(采用TheImagingSourceDMK 41AU02, 1280X960,4. 65μπιpixelsize，15fps)。第一透镜1^11、第二透镜1^13 的焦距f =f\=f2。第一透镜Q11和第二透镜L213构成一个标准的4f成像系统，即第一透镜Qll 到显微镜图像平面10的端口的距离为Π，第二透镜L211到C⑶相机14成像平面的端口的 距离为f2,两透镜之间的距离是fl+f2。IXD液晶面板12放置于4f系统的傅里叶平面，即 第一透镜Ql1和第二透镜L213之间，距离第一透镜1的距离为f1，距离第二透镜L213的 距离为f2。
[0025] 以具体实施例子给予说明，即第一透镜Q11、第二透镜L213的焦距f=f1=f2 = 150mm。则第一透镜LJ1和第二透镜L213构成一个标准的4f成像系统，S卩：第一透镜Qll 至IJ显微镜图像平面10的端口的距离为fl= 150mm，第二透镜1^11到C⑶相机14成像平 面的端口的距离为f2 = 150mm，两透镜之间的距离是fl+f2 = 300mm。IXD液晶面板12放 置于4f系统的傅里叶平面，即第一透镜LJ1和第二透镜L213之间，距离第一透镜Q11的 距离为Π= 150mm，距离第二透镜L213的距离为f2 = 150mm。1^和L2的焦距可以是相同 的，但是实际上它们可以选用不同的焦距，这里为了方便起见以f=f\=f2= 150mm说明。
[0026]LCD液晶面板12是作为一种透射型空间光调制器来使用的，其可以是基于TN型的 灰度液晶面板。面板尺寸、像素分辨率与像素尺寸可以根据市售产品进行选择，但面板尺寸 要能尽可能覆盖第二透镜L213前焦面的所有有效区域，像素分辨率与像素尺寸越小越好。 目前典型值为面板尺寸2-4. 3寸，像素分辨率10X10至480X272,像素尺寸从20微米至 10毫米不等。
[0027] 为了实现LCD液晶面板12中每个像素点明暗控制，需采用相配套的硬