CN107102430A - 用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置及方法，(2N+1)个型号规格相同的子光源等间距分布在一半圆弧内面构成弧形光源；每个子光源发出的中心光束指向弧形光源的圆弧圆心，样品设置在该圆弧圆心；弧形光源固定在旋转台上，旋转台的转轴、显微物镜的光轴以及弧形光源的圆弧直径三者重合，弧形光源中的一个中心子光源发出的中心光束和显微物镜光轴重合，其它子光源两两对称分布在中心子光源两侧；旋转台带动弧形光源绕显微物镜光轴旋转，每旋转一个角度Δθ_i，点亮一对对称的子光源分别照明样品，除中心子光源外，每个子光源需等角间距Δθ_i旋转180度；每个子光源照明样品时，相机拍摄经物镜生成的显微图像，计算机重建图像。

Description

用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置及方法

技术领域

本发明涉及光学显微成像技术领域，具体涉及一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置及方法，特别涉及傅里叶叠层显微成像术。

背景技术

2013年Zheng等提出采用平板LED阵列光源照明的傅里叶叠层技术[Zheng G,Horstmeyer R,Yang C，“Wide-field,high-resolution Fourier ptychographicmicroscopy，”Nature photonics,2013,7(9):739-745.]，有效解决了显微术中的同时实现高分辨和宽视场成像这一问题。然而平板LED阵列光源照明存在一些缺陷。平板LED阵列光源中每个LED光源发出的是一个近似圆锥形的发散光束(如图1所示，图中径向表示相对光强)，在各个角度方向的发光强度不同，中心光束(图1中的0-0°方向光束)发光强度最大，且随距中心光束角度越大发光强度越低，因此这种平板光源存在以下问题：(1)每个LED光源照明样品的光束光强不同；(2)难于实现大角度照明样品；(3)固定的光源间距很难与不同数值孔径物镜匹配；(4)固定式光源排布，使照明方式缺乏灵活性。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置。

本发明的另一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于上述弧形光源扫描照明装置的照明方法。

本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：

一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置，该扫描照明装置的光路上依次设置有旋转台、固定在旋转台上的弧形光源、样品、显微物镜、相机，所述的弧形光源由(2N+1)个型号规格相同的子光源等间距分布在一半圆弧内面构成，每个子光源的发出的中心光束指向弧形光源的圆弧圆心，所述的样品设置在该圆弧圆心；

所述的旋转台的转轴、所述的显微物镜的光轴以及所述的弧形光源的圆弧直径三者重合，所述的弧形光源中的一个中心子光源发出的中心光束和所述的显微物镜的光轴重合，其它子光源两两对称分布在中心子光源两侧，中心子光源发出的光束正向照射样品，其它子光源发出的光束斜向照明样品，子光源用序号i＝0,1,-1,2,-2,…,N,-N表示，i＝0为中心子光源，i的绝对值越小的子光源越靠近中心子光源；所述的旋转台带动所述的弧形光源绕所述的显微物镜的光轴旋转，每旋转一个角度Δθ_i，点亮一对对称的子光源分别照明样品，除中心子光源外，每个子光源需等角间距Δθ_i旋转180度；每个子光源照明样品时，相机拍摄经显微物镜生成的显微图像；其中，N为正整数，N≥1。

进一步地，所述的弧形光源中每个子光源的照明、所述的旋转台的旋转和所述的相机的图像拍摄均由外部的计算机编程控制。

进一步地，所述的(2N+1)个型号规格相同的子光源中相邻子光源的间距Δd和所述的弧形光源的圆弧的圆半径r根据用于成像的二倍显微物镜的数值孔径NA₂决定，要保证相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠,应满足公式

进一步地，所述子光源为LED发光二极管光源、激光光源。

本发明的第二个目的通过下述技术方案实现：

一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置的照明方法，所述照明方法包括以下步骤：

S1、设计弧形光源中子光源的照明方案：

根据所用显微物镜的数值孔径NA以及确保点亮的两个相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠，以此确定弧形光源的初始位置、需要点亮照明的子光源的序号i和第i个子光源绕显微物镜的光轴旋转180度的角间距Δθ_i，其中，弧形光源由(2N+1)个型号规格相同的子光源等间距分布在一半圆弧内面构成，子光源用序号i＝0,1,-1,2,-2,…,N,-N表示，i＝0为中心子光源；

S2、计算机按照步骤S1中确定的照明方案，控制旋转台的旋转和子光源的照明，同时控制相机依次拍摄每个子光源照明样品时形成的图像，然后计算机利用上述图像重建获得具有高分辨、大视场的显微图像。

进一步地，所述的照明方案具体如下：

首先确定需点亮i＝0的中心子光源，再根据确定需点亮的第1对、第2对、第3对、等等、第(k+1)对斜照明子光源的序号i_k+1；

确定第1对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ₁＝45°或Δθ₁＝30°或Δθ₁＝20°，再根据且为整数，确定第2对、第3对、等等、第(k+1)对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ_k+1；其中k为整数，k≥0。

进一步地，所述的步骤S1、设计弧形光源中子光源的照明方案中根据公式确定弧形光源的圆弧半径r的大小和子光源的间距Δd。

进一步地，所述的弧形光源的初始位置任意。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)每个LED光源照明样品的光强基本相同。

(2)容易实现大角度照明样品。

(3)容易实现同一个弧形光源与不同数值孔径物镜匹配。

(4)照明方式更加灵活。

附图说明

图1是LED不同角度发光强度示意图；

图2是本发明照明装置示意图；

图3是实施例中重建的高分辨率图像；

图4是实施例中中心灯珠照明样品时获得的低分辨率图像；

图中：1-旋转台，2-弧形光源，3-样品，4-显微物镜，5-相机，6-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

图1是本发明装置示意图。按以下步骤实施：

第一步确定弧形光源2：以二倍的显微物镜4的数值孔径NA₂＝0.1为基准，为了保证相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠，根据公式确定弧形光源2的圆弧半径r的大小和子光源的间距。本实施例选用灯珠间距为Δd＝6.95mm的LED灯条作为子光源，那么根据公式得到的圆弧半径r范围：58mm＜r＜139mm。因此本实施例选择将LED灯条均匀固定在一个厚度为3mm、宽度为20mm、内半径为r＝78mm的有机玻璃半弧形管内壁，共31个灯珠，31个灯珠的序号为i＝0,±1,…,±15。

第二步确定需点亮的灯珠序号：根据所用显微物镜4的数值孔径NA、确保点亮的两个相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠，以此确定弧形光源2中需要点亮照明的子光源的序号i。本实施例采用数值孔径NA＝0.13的四倍显微物镜。首先确定需点亮i＝0的中心子光源，再根据确定需点亮的第1对、第2对、第3对、等等、第(k+1)对斜照明子光源的序号i_k+1；确定需点亮的第1对斜照明子光源的序号i₁的范围：0.7＜i₁＜1.76，本实施例采用i₁＝1；同理确定需点亮的第2对、第3对、第4对、…斜照明子光源的序号分别为i₂＝2、i₃＝3、i₄＝4、…；所用显微物镜4的数值孔径越大，(k+1)的值也可选越大，本实施例选用(k+1)最大为4，那么包括i＝0的中心子光源共需点亮9个灯珠；其中k为整数，k≥0。

第三步确定第1对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ₁＝45°或Δθ₁＝30°或Δθ₁＝20°，再根据且为整数，确定第2对、第3对、等等、第(k+1)对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ_k+1。本实施例i₁＝1灯珠的角间距Δθ₁＝45°；i₂＝2灯珠的角间距范围为21°＜Δθ₂＜51°，选Δθ₂＝30°；i₃＝3的灯珠的角间距范围为14°＜Δθ₃＜34.6°，选Δθ₃＝20°；i₄＝4的灯珠的角间距范围为10.6°＜Δθ₄＜25.8°，选Δθ₄＝15°；那么本实施例共点亮63次灯珠单独照明样品3。本实施例采用旋转精度为0.01度、转速为每秒25度的电控旋转台为旋转台1、弧形光源2的初始位置任意。

本实施例的显微物镜采用尼康80i显微镜，样品3为USAF1951标准分辨率版；计算机6控制弧形光源2的LED灯珠照明、旋转台1转动、相机5拍摄图像；最后获得到63幅低分辨图像；计算机6利用傅里叶叠层显微术图像重建算法和63幅低分辨图像，重建得到一幅高分辨、宽视场显微图像，如图3所示。作为对比，图4为中心灯珠单独照明样品时获得的低分辨图像。图4中不能分辨的8、9级，在重建的图3中可以明显分辨。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置，该扫描照明装置的光路上依次设置有旋转台、固定在旋转台上的弧形光源、样品、显微物镜、相机，其特征在于，所述的弧形光源由(2N+1)个型号规格相同的子光源等间距分布在一半圆弧内面构成，每个子光源发出的中心光束指向弧形光源的圆弧圆心，所述的样品设置在该圆弧圆心；

所述的旋转台的转轴、所述的显微物镜的光轴以及所述的弧形光源的圆弧直径三者重合，所述的弧形光源中的一个中心子光源发出的中心光束和所述的显微物镜的光轴重合，其它子光源两两对称分布在中心子光源两侧，中心子光源发出的光束正向照射样品，其它子光源发出的光束斜向照明样品，子光源用序号i＝0,1,-1,2,-2,…,N,-N表示，i＝0为中心子光源，i的绝对值越小的子光源越靠近中心子光源；所述的旋转台带动所述的弧形光源绕所述的显微物镜的光轴旋转，每旋转一个角度Δθ_i，点亮一对对称的子光源分别照明样品，除中心子光源外，每个子光源需等角间距Δθ_i旋转180度；每个子光源照明样品时，相机拍摄经显微物镜生成的显微图像；其中，N为正整数，N≥1。

2.根据权利要求1所述的用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置，其特征在于，所述的弧形光源中每个子光源的照明、所述的旋转台的旋转和所述的相机的图像拍摄均由外部的计算机编程控制。

3.根据权利要求1所述的用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置，其特征在于，所述的(2N+1)个型号规格相同的子光源中相邻子光源的间距Δd和所述的弧形光源的圆弧的圆半径r根据用于成像的二倍显微物镜的数值孔径NA₂决定，要保证相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠,应满足公式

4.根据权利要求1所述的一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置，其特征在于：所述子光源为LED发光二极管光源、激光光源。

5.一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置的照明方法，其特征在于，所述照明方法包括以下步骤：

S1、设计弧形光源中子光源的照明方案：

根据所用显微物镜的数值孔径NA以及确保点亮的两个相邻子光源单独照明样品时的衍射角谱有重叠，以此确定弧形光源的初始位置、圆弧半径r的大小、子光源的间距Δd、需要点亮照明的子光源的序号i和第i个子光源绕显微物镜的光轴旋转180度的角间距Δθ_i，其中，弧形光源由(2N+1)个型号规格相同的子光源等间距分布在一半圆弧内面构成，子光源用序号i＝0,1,-1,2,-2,…,N,-N表示，i＝0为中心子光源；

S2、计算机按照步骤S1中确定的照明方案，控制旋转台的旋转和子光源的照明，同时控制相机依次拍摄每个子光源照明样品时形成的图像，然后计算机利用上述图像重建获得具有高分辨、大视场的显微图像。

6.根据权利要求5所述的一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置的照明方法，其特征在于，所述的照明方案具体如下：

首先确定需点亮i＝0的中心子光源，再根据确定需点亮的第1对、第2对、第3对、…、第(k+1)对斜照明子光源的序号i_k+1；

确定第1对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ₁＝45°或Δθ₁＝30°或Δθ₁＝20°，再根据且为整数，确定第2对、第3对、等等、第(k+1)对斜照明子光源旋转180度的角间距Δθ_k+1；其中k为整数，k≥0。

7.根据权利要求5所述的一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置的照明方法，其特征在于，所述的步骤S1、设计弧形光源中子光源的照明方案中根据公式确定弧形光源的圆弧半径r的大小和子光源的间距Δd。

8.根据权利要求5所述的一种用于傅里叶叠层显微成像的弧形光源扫描照明装置的照明方法，其特征在于，所述的弧形光源的初始位置任意。