CN105182514A - 基于led光源的无透镜显微镜及其图像重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法，依次设置LED光源、针孔、样品台、相机构成成像系统，LED光源安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔紧靠并正对着LED光源的发光面，该LED光源作为无透镜显微镜的照明光源，中心波长为λ单色LED或红绿蓝三色LED，首先以LED作为无透镜显微镜的照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息，最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。本发明不借助于任何成像光学元件，从而简化系统结构，缩小显微镜体积，大大降低成本。

Description

基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法

技术领域

本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法。

背景技术

光学显微镜，自17世纪60年代被用于生物医学观察以来，一直是生物医学检测与分析的核心仪器。相衬显微镜、微分干涉相衬显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜的问世极大促进了生命科学研究水平的提高，它们以更高的分辨率和成像质量为疾病诊断，尤其是重大恶性疾病的早期诊断提供了有力的影像学依据，成为现代临床医学中不可或缺的重要工具。然而，这些显微镜系统仍然基于“可见即所得”的成像方式，并没有充分利用计算机等现代信号处理设备的强大功能。此外伴随着功能与性能不断革新的是显微镜系统本身也日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护。试想若能够在保证其成像质量的前提下，实现显微设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化，必然能够大大降低医疗检测的门槛，为资源条件有限的地区提供快捷、廉价的即时诊断(point-of-caretest，POCT)工具，为贫困地区急、重症病人的早期诊断与及时治疗提供有利条件。

实现显微设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化的关键途径在于“无透镜”(lens-free)与“无标记”(label-free)。“无透镜”顾名思义就是不采用传统光学透镜对样品进行成像。众所周知，显微镜中最为昂贵的部件就是以显微物镜为代表的光学元件。若能够简化照明与成像光路，抛弃昂贵笨重的光学镜头实现无透镜显微成像，必然能够大大降低显微镜的成本，同时为整体系统的小型化、轻量化提供更多可能性。“无标记”是指对样本不采用任何染色预处理，而依靠其本身内部吸收或折射率差异(引起的相移)进行成像，这可大大简化样品的制备过程。无标记成像又被称为无损成像或非侵入式(invasive)成像，因其避免了传统荧光探针对细胞活性产生的不利影响(如荧光探针的特异性，强激发光引发的光漂白与光毒性，以及基因转质感染)。对大部分未染色的生物细胞样本而言，因其在可见光波段的弱吸收性(无色透明)，所以必须借助于相位信息成像。泽尼克相衬显微技术与微分干涉相衬显微技术是最为经典的无标记(定性)相位成像方法，但它们无法提供定量的相位信息，从而不适用于标准化的分析与诊断(弗朗松.相衬显微镜与干涉显微镜[M]科学出版社,1966.)。相比之下，定量相位成像技术由于其能够提供由样品物理厚度和折射率系数所决定的定量相位信息，已成为目前最为理想的无标记显微成像方法。近年来信息光学、全息术以及计算成像光学的快速发展为无透镜与无标记成像提供了一个可行的解决方案：一旦能够获得光场的定量相位信息，就可以在计算机中对光波场进行数值反衍射，实现“数字重聚焦”，且无需任何成像透镜。为了获取定量相位信息，最为经典的方法就是借助于光波的干涉效应(如干涉显微与数字全息显微)(马利红,王辉,金洪震,等.数字全息显微定量相位成像的实验研究[J].中国激光,2012,39(3):209-215.)。这种方式虽省去了成像透镜，却额外引入了昂贵、笨重的激光光源，从而并没有有效缩减系统的体积与成本。此外干涉法本身对测量环境的苛刻要求，以及高相干性光源引入的散斑噪声也表明其并非是实现无透镜显微成像的理想方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LED光源的无透镜显微镜及其图像重构方法，不借助于任何光学元件，且通过后期处理的方式来重构物体的显微图像。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LED光源的无透镜显微镜，依次设置LED光源、针孔、样品台、相机构成成像系统，LED光源安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔紧靠并正对着LED光源的发光面。

一种基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，LED光源(1)作为无透镜显微镜的照明光源，中心波长为λ单色LED或红绿蓝三色LED，首先以LED作为无透镜显微镜的照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息，最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)不借助于任何成像光学元件，例如显微物镜、镜筒透镜等；从而简化系统结构，缩小显微镜体积，大大降低成本。(2)可灵活实现样品的数字聚焦，即“先拍照后聚焦”，无需复杂的机械条件功能。(3)可以获得样品的定量相位图像，从而实现生物细胞样品的无标记三维成像。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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于LED光源的无透镜显微镜装置原理图。

图2是本发明单色LED显微方案图像重构方法流程图。

图3是本发明红绿蓝三色LED显微方案图像重构方法流程图。

图4是本发明基于LED光源的无透镜显微镜所拍摄到的百合花药切片样品的原始图像平面R、G、B分量光强分布。

图5是本发明对百合花药切片样品的重构图像(光强分布)。

具体实施方式

结合图1，基于LED光源的无透镜显微镜的结构如图1所示，依次设置LED光源1、针孔2、样品台3、相机4构成成像系统，LED光源1安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上。针孔2紧靠LED光源1的发光面(距离100微米以内)，且尽可能使LED光源1透过针孔2的光强最大化(即针孔正对着LED光源1的发光面)。样品台3的与针孔2的距离L一般在20mm-100mm之间。相机4与样品台3的距离z一般应远小于L，在5μm-2mm之间。

LED光源1作为显微镜的照明光源，其可以为中心波长为λ普通单色LED，也可为红绿蓝三色LED，其典型波长为红光λ_R＝635nm、绿光λ_G＝525nm和蓝光λ_B＝475nm。其余参数，包括LED的尺寸与亮度、照明的波长等可以从厂家手册获知或者通过光谱仪测量，且对于彩色LED而言，其色彩必须能够可控(即可以随时切换照明颜色为红/绿/蓝，并且三个照明光强要控制成严格一致)。这需采用相配套的硬件驱动电路，这些硬件驱动电路的具体实现方案已经有许多成熟技术，主控制器可以采用(但不限于)单片机、ARM、或者可编程逻辑器件等，具体实现方法可参考(陈鹏，大功率全彩色LED驱动电路的研制,江西师范大学2009)。

针孔2的作用是对LED所发出的光波进行空间滤波，以保持其较好的空间相干性。针孔2中透光孔尺寸一般在100微米左右。

样品台3的作用是承载样品，其与针孔2的距离L一般在20mm-100mm之间。其最好横向方位可调，以便使显微镜可以观察样品的不同区域。相机4的作用是拍摄透过样品光线衍射后形成的图像，其可以是彩色或者灰度相机。其与样品台3的距离z一般应远小于L，在5μm-2mm之间。由于难以实际测量z的精确值，这里z的范围大概估计即可。

本发明基于LED光源的无透镜显微镜图像重构方法，其包含单色LED与红绿蓝三色LED显微方案，两种方案均可实现无透镜显微镜图像重构，两种方案的共性特点是首先以LED作为无透镜显微镜的照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息，最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。下面分别针对单色LED与红绿蓝三色LED显微方案进行说明。

结合图2，本发明基于LED光源的无透镜显微镜图像重构方法的单色LED显微方案，其步骤包括：

第一步：采用单色LED1作为无透镜显微镜的光源，照射样品后相机4采集一副光强图像I_z(x,y)，其中(x,y)代表图像平面的二维坐标，我们将I_z(x,y)称为图像平面光强分布。

第二步：初始化图像平面相位分布为0。此时图像平面的复振幅分布 $U_{zn}(x,y)=\sqrt{I_z(x,y)}\exp \[{\mathrm{j\φ}}_{zn}(x,y)\]=\sqrt{I_z(x,y)},$ 这里下标中所包含的n代表迭代次数，这里初始化过程n＝0，j为虚数单位。下标的z代表该物理量位于图像平面，即相机4的光敏面，其与样品台3的距离为z。

第三步：将第二步得到的图像平面的复振幅分布U_zn(x,y)，采用下式将其“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)

U_0n(x,y)＝F^-1{F{U_zn(x,y)}H_-z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；下标的0代表该物理量位于物体本身所在的物平面。H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \[-j\frac{2\mathrm{\π}z}{\mathrm{\λ}}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\λ}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\λ}v\right)}^2}\]$

式中λ为照明光波波长，j为虚数单位，这里下标中的-z代表反传播-z的距离到达物体本身所在的物平面。右边公式中的z代表了图像平面与物平面之间的距离,即相机4的光敏面与样品台3的距离。由物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)，我们按下式相继得到物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布

I_0n(x,y)＝|U_0n(x,y)|²

${\mathrm{\φ}}_{0n}(x,y)=angle\left\{U_{0n}(x,y)\right\}$

其中angle{}代表取复数的幅角部分。注意由于z无法通过测量精确得到，这里可采用观察调节，即通过调整不同z的值，直到获得物平面上的光强分布I_0n(x,y)足够清晰时，此时z的值就是图像平面与物平面之间的准确距离。

第四步：将第三步得到的图像平面的复振幅分布U′_zn(x,y)阈值化，即

$U_{zn}^{\&prime;}\left(x,y\right)\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}}& I_{0n}\left(x,y\right)\&GreaterEqual;a\&times;mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}\\ U_{zn}\left(x,y\right)& I_{0n}\left(x,y\right)<a\&times;mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}\end{array}\right.$

其中a为一阈值，其典型值为0.1-0.3。

第五步：将第四步得到的阈值化后的图像平面的复振幅分布U′_zn(x,y)，采用下式将其传播z的距离，从而就回到了图像平面，得到传播后的图像平面复振幅分布U′_zn(x,y)

U′_zn(x,y)＝F^-1{F{U_z0(x,y)}H_z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；H_z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_z(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;---\left(6\right)$

式中λ为照明光波波长，j为虚数单位，这里下标中的z代表传播z的距离返回图像平面。右边公式中的z代表了图像平面与物平面之间的距离，即相机4的光敏面与样品台3的距离。

第六步：将第五步得到的传播后的图像平面复振幅分布U′_zn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面复振幅分布U_zn(x,y)即

$U_{zn}(x,y)=\sqrt{I_z(x,y)}\frac{U_{zn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第七步：计算光强误差函数ΔI_zn(x,y)，

ΔI_zn(x,y)＝abs(|U′_zn(x,y)|²-I_z(x,y))

这就完成了一个回合的迭代补偿，并令n←n+1。此后，第三到第七步将一直不停的迭代执行下去，一直到满足终止条件为止。迭代的终止条件包括，光强误差函数ΔI_zn(x,y)小于一个给定的阈值(建议值为I_z(x,y)均方值的1％)与超过最大迭代次数(建议值为20次)。二者任意一者满足就可终止迭代。最终取物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布为待测物体的光强分布与相位分布进行显示。

结合图3，本发明基于LED光源的无透镜显微镜图像重构方法的红绿蓝三色LED显微方案，其步骤包括：

第一步：采用红绿蓝LED1作为无透镜显微镜的光源，控制其照明波长分别为红、绿、蓝(RGB)，分别照射样品后相机4采集对应的三幅光强图像I_zR(x,y)，I_zG(x,y)，I_zB(x,y)，其中(x,y)代表图像平面的二维坐标，我们将I_zR(x,y)，I_zG(x,y)，I_zB(x,y)分别称为图像平面R、G、B分量光强分布。这里下标的z代表该物理量位于图像平面，即相机4的光敏面，其与与样品台3的距离为z。

第二步：初始化图像平面B分量相位分布为0。此时图像平面B分量的复振幅分布 $U_{zB}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\exp \&lsqb;{\mathrm{j\&phi;}}_{zB}(x,y)\&rsqb;=\sqrt{I_{zB}(x,y)}.$

第三步：将第二步得到的图像平面B分量的复振幅分布U_zB(x,y)“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U_0B(x,y)

U_0B(x,y)＝F^-1{F{U_zB(x,y)}H_-z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；下标的0代表该物理量位于物体本身所在的物平面。H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \&lsqb;-j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位，这里下标中的-z代表反传播-z的距离到达物体本身所在的物平面。右边公式中的z代表了图像平面与物平面之间的距离,即相机4的光敏面与样品台3的距离。由物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)，我们相继得到物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布

I_0B(x,y)＝|U_0B(x,y)|²

${\mathrm{\&phi;}}_{0B}(x,y)=angle\left\{U_{0B}(x,y)\right\}$

其中angle{}代表取复数的幅角部分。注意由于z无法通过测量精确得到，这里可采用观察调节，即通过调整不同z的值，直到获得物平面上的光强分布I_0B(x,y)足够清晰时，此时z的值就是图像平面与物平面之间的准确距离。

第四步：利用第三步得到的图像平面与物平面之间的准确距离，换算出I_zR(x,y)，I_zG(x,y)所对应的图像平面与物平面之间的等效距离：

z_B＝z

$z_R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_R}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}{z}_B$

$z_G=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_G}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}{z}_B$

第五步：初始化图像平面相位分布为0。此时修正后的图像平面B分量的复振幅分布为 $U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\exp \&lsqb;{\mathrm{j\&phi;}}_{zn}(x,y)\&rsqb;=\sqrt{I_{zB}(x,y)},$ 这里下标中所包含的n代表迭代次数，这里初始化过程n＝0，j为虚数单位。至此准备工作全部完成，下面进入循环流程。

第六步：将修正后的图像平面分量的复振幅分布U′_zBn(x,y)，采用下式将其传播z₁＝z_G-z_B＝z_G-z的距离，从而就传到了图像平面G分量上，得到图像平面G分量的复振幅分布U_zGn(x,y)

U_zGn(x,y)＝F^-1{F{U′_zBn(x,y)}H_z1(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_1}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位。这里下标中的z1代表传播z1的距离到达图像平面G分量上。右边公式中的z₁代表z₁＝z_G-z_B＝z_G-z。

第七步：将第六步得到的图像平面G分量的复振幅分布U_zGn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面G分量的复振幅分布U′_zGn(x,y)即

$U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zG}(x,y)}\frac{U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第八步：将第七步得到的修正后的图像平面B分量的复振幅分布U′_zGn(x,y)，采用下式将其传播z₂＝z_R-z_G的距离，从而就传到了图像平面R分量上，得到图像平面R分量的复振幅分布U_zRn(x,y)

$U_{\mathrm{zRn}}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{\mathrm{zGn}}(x,y)\left\}{H}_{z_2}(u,v)\right\},$

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_2}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位。这里下标中的z2代表传播z2的距离到达图像平面R分量上。右边公式中的z₂代表z₂＝z_R-z_G。

第九步：将第八步得到的图像平面R分量的复振幅分布U_zRn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面R分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)即

$U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zR}(x,y)}\frac{U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第十步：将第九步得到的修正后的图像平面R分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)，采用下式将其传播z₃＝z_B-z_R＝z-z_R的距离，从而就又传回到了图像平面B分量上，得到图像平面B分量的复振幅分布U_zBn(x,y)

$U_{\mathrm{zBn}}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{\mathrm{zRn}}(x,y)\left\}{H}_{z_3}(u,v)\right\},$

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_3}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_3}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位。这里下标中的z3代表传播z3的距离到达图像平面R分量上。右边公式中的z₃代表z₃＝z_B-z_R＝z-z_R。

第十一步：将第十步得到的图像平面B分量的复振幅分布U_zBn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面B分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)即

$U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\frac{U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

并计算光强误差函数ΔI_zn(x,y)，

ΔI_zn(x,y)＝abs(|U′_zBn(x,y)|²-I_zB(x,y))

这就完成了一个回合的迭代补偿，并令n←n+1。这就完成了一个回合的迭代补偿。第六步到第十一步将一直不停的迭代执行下去，一直到满足终止条件为止。迭代的终止条件包括，光强误差函数ΔI_zn(x,y)小于一个给定的阈值(建议值为I_zB(x,y)均方值的1％)与超过最大迭代次数(建议值为20次)。二者任意一者满足就可终止迭代。最终将修正后的图像平面B分量的复振幅分布“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U₀(x,y)

U₀(x,y)＝F^-1{F{U_zB(x,y)}H_-z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \&lsqb;-j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位，z代表了图像平面与物平面之间的距离。由物平面上的复振幅分布U₀(x,y)，我们相继得到物平面上的光强分布I₀(x,y)与物平面上的相位分布φ₀(x,y)为待测物体的光强分布与相位分布进行显示。

I₀(x,y)＝|U₀(x,y)|²

φ₀(x,y)＝angle{U₀(x,y)}

其中angle{}代表取复数的幅角部分。

为了验证本发明基于LED光源的无透镜显微镜的成像能力，对百合花药切片进行了无透镜成像。图4是本发明基于LED光源的无透镜显微镜所拍摄到的百合花药切片样品的原始图像平面R、G、B分量光强分布。采用这三幅图像，通过本发明提出的红绿蓝三色LED显微方案重构方法得到的重构图像(光强分布)如图5所示。从图中可以看出，由于没有成像透镜，原始图像平面R、G、B分量光强分布实际为物体的衍射光，其中样品的细节模糊不清。而通过本发明得到的重构图像中，样品已经得到聚焦，细节清晰可辨，其空间分辨率约为3um左右。此结果表明了本发明可以不通过任何光学成像透镜实现高质量的显微成像。

Claims (7)

1.一种基于LED光源的无透镜显微镜，其特征在于依次设置LED光源(1)、针孔(2)、样品台(3)、相机(4)构成成像系统，LED光源(1)安放于整个成像系统的最下方，并且其光敏面位于整个成像系统的光轴上；针孔(2)紧靠并正对着LED光源(1)的发光面。

2.根据权利要求1所述的基于LED光源的无透镜显微镜，其特征在于针孔(2)与LED光源(1)的发光面距离在100微米以内；样品台(3)与针孔(2)的距离L在20mm-100mm，相机(4)与样品台(3)的距离z在5μm-2mm之间(这里参数z后续会用：z即相机(4)的光敏面与样品台(3)的距离)。

3.根据权利要求1所述的基于LED光源的无透镜显微镜，其特征在于LED光源(1)作为无透镜显微镜的照明光源，中心波长为λ单色LED或红绿蓝三色LED。

4.一种基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，其特征在于LED光源(1)作为无透镜显微镜的照明光源，中心波长为λ单色LED或红绿蓝三色LED，首先以LED作为无透镜显微镜的照明光源，拍摄所需要的光强图像，然后通过迭代法相位恢复得到待测光波场的相位信息，最后通过计算机实现数值反传播获得待测物体的聚焦图像。

5.根据权利要求4所述的基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，其特征在于单色LED显微的图像重构步骤如下：

第一步：采用单色LED(1)作为无透镜显微镜的光源，照射样品后相机(4)采集一幅光强图像I_z(x,y)，其中(x,y)代表图像平面的二维坐标，将I_z(x,y)称为图像平面光强分布，这里下标中的z代表该物理量位于图像平面；

第二步：初始化图像平面相位分布φ_zn(x,y)为0，此时图像平面的复振幅分布 $U_{zn}(x,y)=\sqrt{I_z(x,y)}\exp \&lsqb;{\mathrm{j\&phi;}}_{zn}(x,y)\&rsqb;=\sqrt{I_z(x,y)},$ n代表迭代次数，初始化过程n＝0，j为虚数单位，z代表了图像平面与物平面之间的距离，；

第三步：将第二步得到的图像平面的复振幅分布U_zn(x,y)，采用下式将其“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)

U_0n(x,y)＝F^-1{F{U_zn(x,y)}H_-z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；下标的0代表该物理量位于物体本身所在的物平面，H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \&lsqb;-j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ为照明光波波长，j为虚数单位，这里H_-z下标中-z代表反传播-z的距离到达物体本身所在的物平面；由物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)，按下式相继得到物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布φ_0n(x,y)

I_0n(x,y)＝|U_0n(x,y)|²

φ_0n(x,y)＝angle{U_0n(x,y)}

其中angle{}代表取复数的幅角部分；

第四步：将第三步得到的图像平面的复振幅分布U′_zn(x,y)阈值化，即

$U_{zn}^{\&prime;}\left(x,y\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}}& I_{0n}\left(x,y\right)\&GreaterEqual;a\&times;mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}\\ U_{zn}\left(x,y\right)& I_{0n}\left(x,y\right)<a\&times;mean2\left\{I_{0n}\left(x,y\right)\right\}\end{array}\right.$

其中a为一阈值；

第五步：将第四步得到的阈值化后的图像平面的复振幅分布U′_zn(x,y)，采用下式将其传播z的距离，从而就回到了图像平面，得到传播后的图像平面复振幅分布U′_zn(x,y)

U′_zn(x,y)＝F^-1{F{U_z0(x,y)}H_z(u,v)},

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；H_z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_z(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ为照明光波波长，j为虚数单位；这里H_z下标中的z代表传播z的距离返回图像平面。

第六步：将第五步得到的传播后的图像平面复振幅分布U′_zn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面复振幅分布U_zn(x,y)即

$U_{zn}(x,y)=\sqrt{I_z(x,y)}\frac{U_{zn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第七步：计算光强误差函数ΔI_zn(x,y)，

ΔI_zn(x,y)＝abs(|U′_zn(x,y)|²-I_z(x,y))

这就完成了一个回合的迭代补偿，并令n←n+1；此后，第三到第七步将一直不停的迭代执行下去，一直到满足终止条件为止，最终取物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布φ_0n(x,y)为待测物体的光强分布与相位分布进行显示。

6.根据权利要求4所述的基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，其特征在于红绿蓝三色LED显微的图像重构步骤如下：

第一步：采用红绿蓝LED(1)作为无透镜显微镜的光源，控制其照明波长分别为红、绿、蓝，分别照射样品后相机(4)采集对应的三幅光强图像I_zR(x,y)，I_zG(x,y)，I_zB(x,y)，其中(x,y)代表图像平面的二维坐标，将I_zR(x,y)，I_zG(x,y)，I_zB(x,y)分别称为图像平面R、G、B分量光强分布，相机(4)的光敏面与与样品台(3)的距离为z；

第二步：初始化图像平面B分量相位分布φ_zB(x,y)为0，此时图像平面B分量的复振幅分布 $U_{zB}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\exp \&lsqb;{\mathrm{j\&phi;}}_{\mathrm{zB}}(x,y)\&rsqb;=\sqrt{I_{zB}(x,y)};$

第三步：将第二步得到的图像平面B分量的复振幅分布U_zB(x,y)“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U_0B(x,y)

U_0B(x,y)＝F^-1{F{U_zB(x,y)}H_-z(u,v)}

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；下标的0代表该物理量位于物体本身所在的物平面，H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \&lsqb;-j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位，-z代表反传播-z的距离到达物体本身所在的物平面，由物平面上的复振幅分布U_0n(x,y)，相继得到物平面上的光强分布I_0n(x,y)与物平面上的相位分布φ_0n(x,y)

I_0B(x,y)＝|U_0B(x,y)|²

φ_0B(x,y)＝angle{U_0B(x,y)}

其中angle{}代表取复数的幅角部分；

第四步：利用第三步得到的图像平面与物平面之间的准确距离，换算出I_zR(x,y)、I_zG(x,y)所对应的图像平面与物平面之间的等效距离：

z_B＝z

$z_R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_R}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}{z}_B$

$z_G=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_G}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}{z}_B$

第五步：初始化图像平面相位分布φ_zn(x,y)为0，此时修正后的图像平面B分量的复振幅分布为 $U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\exp \&lsqb;{\mathrm{j\&phi;}}_{zn}(x,y)\&rsqb;=\sqrt{I_{zB}(x,y)},$ n代表迭代次数，初始化过程n＝0，j为虚数单位；至此准备工作全部完成，下面进入循环流程；

第六步：将修正后的图像平面分量的复振幅分布U′_zBn(x,y)，采用下式将其传播z₁＝z_G-z_B＝z_G-z的距离，从而就传到了图像平面G分量上，得到图像平面G分量的复振幅分布U_zGn(x,y)

$U_{\mathrm{zGn}}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{\mathrm{zBn}}^{\&prime;}(x,y)\left\}{H}_{z_1}(u,v)\right\}$

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_1}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，j为虚数单位，z1代表传播z1的距离到达图像平面G分量上，右边公式中的z₁代表z₁＝z_G-z_B＝z_G-z；

第七步：将第六步得到的图像平面G分量的复振幅分布U_zGn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面G分量的复振幅分布U′_zGn(x,y)即

$U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zG}(x,y)}\frac{U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zGn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第八步：将第七步得到的修正后的图像平面B分量的复振幅分布U′_zGn(x,y)，采用下式将其传播z₂＝z_R-z_G的距离，从而就传到了图像平面R分量上，得到图像平面R分量的复振幅分布U_zRn(x,y)

$U_{zRn}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{zGn}(x,y)\left\}{H}_{z_2}(u,v)\right\}$

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_2}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，z2代表传播z2的距离到达图像平面R分量上，z₂代表z₂＝z_R-z_G；

第九步：将第八步得到的图像平面R分量的复振幅分布U_zRn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面R分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)即

$U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zR}(x,y)}\frac{U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zRn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

第十步：将第九步得到的修正后的图像平面R分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)，采用下式将其传播z₃＝z_B-z_R＝z-z_R的距离，从而就又传回到了图像平面B分量上，得到图像平面B分量的复振幅分布U_zBn(x,y)

$U_{zBn}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{zRn}(x,y)\left\}{H}_{z_3}(u,v)\right\},$

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；是角谱传输函数，其形式为

$H_{z_3}(u,v)=\exp \&lsqb;j\frac{2{\mathrm{\&pi;z}}_3}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，z3代表传播z3的距离到达图像平面R分量上，z₃代表z₃＝z_B-z_R＝z-z_R；

第十一步：将第十步得到的图像平面B分量的复振幅分布U_zBn(x,y)采用测量值替换，得到修正后的图像平面B分量的复振幅分布U′_zRn(x,y)即

$U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)=\sqrt{I_{zB}(x,y)}\frac{U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)}{\left|U_{zBn}^{\&prime;}(x,y)\right|}$

并计算光强误差函数ΔI_zn(x,y)，

ΔI_zn(x,y)＝abs(|U′_zBn(x,y)|²-I_zB(x,y))

这就完成了一个回合的迭代补偿，并令n←n+1；第六步到第十一步将一直不停的迭代执行下去，一直到满足终止条件为止，最终将修正后的图像平面B分量的复振幅分布“反传播”-z的距离，从而就回到了物体本身所在的物平面上，得到物平面上的复振幅分布U₀(x,y)

U₀(x,y)＝F^-1{F{U_zB(x,y)}H_-z(u,v)}

式中傅里叶变换与反变换分别被记作F与F^-1，(u,v)代表相对于(x,y)的频域坐标；H_-z(u,v)是角谱传输函数，其形式为

$H_{-z}(u,v)=\exp \&lsqb;-j\frac{2\mathrm{\&pi;}z}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\&lambda;}u\right)}^2-{\left(\mathrm{\&lambda;}v\right)}^2}\&rsqb;$

式中λ_B为照明蓝光波波长，由物平面上的复振幅分布U₀(x,y)，相继得到物平面上的光强分布I₀(x,y)与物平面上的相位分布φ₀(x,y)为待测物体的光强分布与相位分布进行显示：

I₀(x,y)＝|U₀(x,y)|²

φ₀(x,y)＝angle{U₀(x,y)}

其中angle{}代表取复数的幅角部分。

7.根据权利要求5或6所述的基于LED光源的无透镜显微镜的图像重构方法，其特征在于第七步的迭代终止条件为光强误差函数ΔI_zn(x,y)小于一个给定的阈值与超过最大迭代次数，二者任意一者满足就可终止迭代。