基于可编程led阵列照明的多模式显微成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于可编程LED阵列照明的多模式显 微成像方法。
【背景技术】
[0002] 相衬成像、偏光成像是比较常见的两种显微成像方法，其对应的显微镜分别称 为相衬显微镜与偏光显微镜。相衬显微镜又称为相差显微镜，其是荷兰科学家Zernike 于1935年发明的（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).)，用于观察未染色标本的显微镜。相衬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的显微镜。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。
[0003] 虽然相差显微镜具备传统明场显微镜所不具备的功能，但其共性都是这需要显微 光路中附加一些光学元件，如：环状光阑等，这就无形中增加了光路调节的复杂度。此外 相差显微镜中的环状光阑尺寸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环状光阑与之相配。显然，这使得聚光镜的结构变得日 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.)。
[0004] 光场成像是近年来新兴的一种计算成像方式。光场是表示光辐射分布的函数，反 映了光波动强度与光波分布位置和传播方向之间的映射关系。光场成像通过记录光辐射在 传播过程中的四维位置和方向的信息，相比只记录二维的传统成像方式多出2个自由度， 因而在图像重建过程中，能够获得更加丰富的图像信息。采用光场成像的显微镜被称为光 场显微镜，其需要在显微镜成像系统的一次像面处插入一个微透镜阵列，每个微透镜记录 的光线对应相同位置不同视角的场景图像，从而得到一个四维光场。额外微透镜阵列的引 入增加了系统的成本。此外，传统的光场显微镜多出的二维角度信息是以牺牲一定的空间 分辨率为代价的，二者之间存在一个折衷。现有光场显微镜普遍存在图像空间分辨率不能 满足需求的问题，如果加大图像空间分辨率的同时，兼顾轴向分辨率，则会对光电探测器件 提出更高要求。这是当前制约光场成像技术的一个瓶颈，如何解决二者之间的矛盾，是光场 成像中的一个关键问题（聂云峰，相里斌，周志良.光场成像技术进展[J].中国科学院 大学学报，2011，28(5) :563-572.)。
[0005] 为了解决这个问题，发明专利《基于LED阵列的多模式显微成像系统及其方法》 (【申请号】201510186306. 5)采用LED阵列作为显微镜照明光源，在同一个显微系统中实现 了包含了明场、暗场、差分相衬三种显微成像模式，解决了传统显微镜在明场、暗场、差分相 衬成像时光路复杂，操作难度大的问题。然而，这些现有技术对于如何采用LED阵列实现相 衬成像、光场成像及光学染色显微成像仍然有很多问题无法解决。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于可编程LED阵列照明的相衬成像、光场成像及光 学染色显微成像等多模式显微成像方法，无需往传统显微镜的成像光路中加入任何附加光 学元件，无需频繁切换系统，从而显著提升了显微镜的灵活性与多功能性以及显微系统所 能获得的信息量。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于可编程LED阵列照明的多模式显微 成像方法，LED阵列作为显微镜成像系统的照明光源，直接安置在显微镜成像系统的样品载 物台下方，并且LED阵列的中心处于显微镜成像系统的光轴上，从而实现相衬成像、光场成 像及光学染色成像模式。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)无需在显微镜的成像光路中加入任何 附加光学元件，例如环形光阑、微透镜阵列、相位板等；从而简化系统结构，大大降低成本。 (2)可灵活实现学染色显微成像，这是传统显微镜所不具备的成像功能。（3)可实现全分辨 率光场成像，不存在传统光场成像中空间分辨率与角分辨率的矛盾问题。由于这三大优点， 该显微成像方法可望在植物学、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得到广泛应用。
[0009] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0010] 图1是基于可编程LED阵列的显微镜装置示意图。
[0011] 图2是LED阵列中每个像素点的坐标系示意图。
[0012] 图3是基于可编程LED阵列照明的相衬显微成像方法中LED阵列所需显示的指定 图案，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NA cib,。
[0013] 图4是基于可编程LED阵列照明的光场显微成像方法中LED阵列所需显示的指定 图案与坐标系示意图，其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NA cib,。
[0014] 图5是基于可编程LED阵列照明的明场光学染色显微成像方法中LED阵列所需显 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NA cib,。
[0015] 图6(a)是基于可编程LED阵列照明的暗场光学染色显微成像方法中LED阵列所 需显示的指定图案1 (单色），其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0016] 图6(b)是基于可编程LED阵列照明的暗场光学染色显微成像方法中IXD液晶面 板或LED阵列所需显示的指定图案2 ( -个包含赤橙黄绿青蓝紫所有色彩的彩色圆环），其 中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0017] 图7是基于可编程LED阵列照明的明场暗场复合光学染色显微成像方法中LED阵 列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NA cib,。
[0018] 图8(a)是基于可编程LED阵列照明的差分光学染色显微成像方法中LED阵列所 需显示的指定图案1 (2段编码），其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0019] 图8(b)是基于可编程LED阵列照明的差分光学染色显微成像方法中LED阵列所 需显示的指定图案2 (4段编码），其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0020] 图9(a)是基于可编程LED阵列照明的相衬光学染色显微成像方法中LED阵列所 需显示的指定图案I (单色），其中虚线部分代表的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0021] 图9(b)是基于可编程LED阵列照明的相衬光学染色显微成像方法中LED阵列所 需显示的指定图案2 ( -个包含赤橙黄绿青蓝紫所有色彩的彩色圆环），其中虚线部分代表 的是显微物镜的数值孔径区域NAcib,。
[0022] 图10 (a)是传统明场光学显微镜拍摄到的衍射光学元件样品的图像。
[0023] 图10(b)是采用本发明明场暗场复合光学染色显微成像方法拍摄到的衍射光学 元件样品的图像。
[0024] 图10(c)是采用本发明差分光学染色显微成像方法拍摄到的衍射光学元件样品 的图像。
[0025] 图10(d)是采用本发明差分光学染色显微成像方法拍摄到的衍射光学元件样品 的另一组图像。
【具体实施方式】
[0026] 本发明基于可编程LED阵列照明的多模式显微成像方法是在硬件平台基于可编 程LED阵列的显微镜上实现的。结合图1，基于可编程LED阵列的显微镜主要包括LED阵列 1、显微镜成像系统2、电路控制系统3、计算机主机4、显示器5,所述显微镜成像系统2包括 样品载物台6、显微物镜7、镜筒透镜8以及相机9 (彩色或者灰度相机），其中透射过样品载 物台6的光被显微物镜7收集，并经过镜筒透镜8放大后成像在相机9的图像平面。电路 控制系统3分别与LED阵列1、相机9、计算机主机4相连接。显示