显微成像方法和显微成像系统

本发明涉及显微成像，尤其涉及一种显微成像方法和显微成像系统。

背景技术：

1、显微镜的空间分辨率取决于物镜的数值孔径。数值孔径(na，numericalaperture)是物镜与被检物体之间的介质折射率(n)和收光锥角(2α)半数的正弦之乘积，即na＝n×sinα，它决定了物镜收光能力和空间分辨率。传统显微镜为了获得更高的数值孔径，在物镜与被检物体之间的介质折射率一定的条件下，需要减小物镜焦距，增大物镜直径，以此来增大收光锥角，提升数值孔径，从而提升空间分辨本领。因此，传统的光学显微镜分辨率依赖于数值孔径，工作距离(约等于物镜焦距)通常在厘米甚至毫米量级，工作距离的增大将导致数值孔径的降低，反过来，放大倍数越高，需要物镜工作距离越小。工作距离小将导致样品与物镜之间的距离非常接近，一方面，造成观察者的观察和操作空间会受限，操作难度大，另一方面，容易造成物镜被样品污染或者干扰，影响成像质量。

2、如果采用相干衍射成像，在可见光波段，由于探测器接收孔径尺寸的限制，相干衍射成像技术的分辨本领有限，随着工作距离的增大，空间分辨率将会下降，难以同时保证大工作距离范围和大空间分辨率。

3、叠层成像技术通过沿着或者垂直于光传输方向的多次扫描测量，通过合成孔径来提升空间分辨率。一方面，该技术系统复杂度高，多次扫描测量要求系统有很高的扫描精度，并且增加了图像重建难度；另一方面，该技术的工作距离也是有限的，通常在厘米到分米的量级。

4、波前调制成像利用空间光调制器进行波前调制，来提升成像的空间分辨率。一方面，该技术需要成像系统中加入昂贵的相位型空间光调制器，这同时增加了成本、系统复杂度、操作难度以及算法复杂度；另一方面，该技术的工作距离也是有限的，通常在厘米到分米的量级。

5、通过相干衍射成像、叠层成像、波前调制成像等计算成像技术来实现显微成像可以一定程度提升工作距离。但这些现有技术通常需要多帧扫描测量(沿着或者垂直于光传播方向)，或者依赖于空间光调制器进行波前调制，这些大大增加了成像系统的复杂度及其成像难度；并且这些技术对显微成像的工作距离提升有限，通常只能达到厘米或者分米量级。

6、因此，需要提供一种显微成像方法和显微成像系统，实现米量级的超大工作距离范围，成像达到微米量级的空间分辨率，并且不需要进行扫描测量或者波前调制。

7、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明主要目的是克服显微成像的工作距离小的问题，提供一种显微成像方法和显微成像系统，实现米量级的超大工作距离范围，成像达到微米量级的空间分辨率，并且不需要进行扫描测量或者波前调制。

2、为实现上述的目的，本发明第一方面提供了一种显微成像方法，包括以下步骤：

3、s1：将激光束对样品进行照明，使样品的衍射光投影到中继屏上；

4、s2：拍摄中继屏，记录样品的功率谱图像；

5、s3：将样品的功率谱图像重建得到样品图像。

6、根据本发明一示例实施方式，步骤s1之前，还包括步骤s0：获取标定参数，所述标定参数包括激光束的波长、样品和中继屏的距离、中继屏上的采样间隔；

7、步骤s3中，所述将样品的功率谱图像重建得到样品图像包括：根据标定参数将样品的功率图谱重建得到样品图像。

8、根据本发明一示例实施方式，所述样品和中继屏的距离大于或等于0.1米且小于或等于2米。

9、根据本发明一示例实施方式，所述中继屏上的采样间隔的获取方法包括：在中继屏上标定两个点，根据两个点的实际距离和像素坐标获得中继屏上的采样间隔。

10、根据本发明一示例实施方式，所述根据两个点的实际距离和像素坐标获得中继屏上的采样间隔采用以下公式：

11、

12、其中，δx表示采样间隔，a和b分别表示两个点，lab为两个点的实际距离，a的像素坐标为(xa，ya)，b的像素坐标为(xb，yb)。

13、根据本发明一示例实施方式，所述根据标定参数将样品的功率图谱重建得到样品图像的方法包括：根据标定参数将样品的功率图谱采用球面波相位调制的相位恢复算法重建得到样品图像。

14、根据本发明一示例实施方式，步骤s1中，如果样品的尺寸大于激光束的尺寸，所述将激光束对样品进行照明之前，先对激光束进行扩束。

15、根据本发明一示例实施方式，步骤s1中，所述中继屏为一个漫反射屏面。

16、作为本发明的第二个方面，本发明提供一种显微成像系统，该系统可实现所述的显微成像方法。

17、根据本发明一示例实施方式，所述显微成像系统包括：激光器、中继屏、相机和图像重建模块；

18、激光器用于将激光束对样品进行照明，使样品的衍射光投影到中继屏上；

19、相机用于拍摄中继屏，记录样品的功率谱图像；

20、图像重建模块与相机通讯地连接，用于将样品的功率谱图像重建得到样品图像。

21、本方案通过拍摄功率谱图像再进行图像重建，在米量级超大工作距离范围的情况下，实现微米级高分辨显微成像，并且不需要扫描测量或者波前调制，从而降低了系统成本、复杂度和操作难度。本方案的显微成像空间分辨率取决于中继屏的尺寸，而不再取决于相机镜头口径，通过中继屏显著增大了采集的功率谱的截止频率和空间带宽，从而提升了显微成像的空间分辨本领。

技术特征：

1.一种显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，步骤s1之前，还包括步骤s0：获取标定参数，所述标定参数包括激光束的波长、样品和中继屏的距离、中继屏上的采样间隔；

3.根据权利要求2所述的显微成像方法，其特征在于，所述样品和中继屏的距离大于或等于0.1米且小于或等于2米。

4.根据权利要求2所述的显微成像方法，其特征在于，所述中继屏上的采样间隔的获取方法包括：在中继屏上标定两个点，根据两个点的实际距离和像素坐标获得中继屏上的采样间隔。

5.根据权利要求4所述的显微成像方法，其特征在于，所述根据两个点的实际距离和像素坐标获得中继屏上的采样间隔采用以下公式：

6.根据权利要求2所述的显微成像方法，其特征在于，所述根据标定参数将样品的功率图谱重建得到样品图像的方法包括：根据标定参数将样品的功率图谱采用球面波相位调制的相位恢复算法重建得到样品图像。

7.根据权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，步骤s1中，如果样品的尺寸大于激光束的尺寸，所述将激光束对样品进行照明之前，先对激光束进行扩束。

8.根据权利要求1所述的显微成像方法，其特征在于，步骤s1中，所述中继屏为一个漫反射平面。

9.一种显微成像系统，其特征在于，该系统可实现权利要求1-8中任一项所述的显微成像方法。

10.根据权利要求9所述的显微成像系统，其特征在于，包括：激光器、中继屏幕、相机和图像重建模块；

技术总结
本发明涉及显微成像技术领域，提供一种显微成像方法和显微成像系统，所述方法包括：S1：将激光束对样品进行照明，使样品的衍射光投影到中继屏上；S2：拍摄中继屏，记录样品的功率谱图像；S3：将样品的功率谱图像重建得到样品图像。本方案能够实现米量级的超大工作距离范围，成像达到微米量级的空间分辨率，并且不需要进行扫描测量或者波前调制。

技术研发人员：衣文军,李修建,朱书阅,付美城,祁俊力,陈欣,张洪玉,张毅,刘思雨,徐瑶
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21