CN111929881A - 一种基于色散的相位物体成像设备及方法 - Google Patents

一种基于色散的相位物体成像设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于色散的相位物体成像设备，包括可编程LED阵列板和聚光镜组，该聚光镜组放置在显微镜成像系统的载物台的下方或者上方，控制系统由编辑程序生成照明图样，通过点亮可编程可编程LED阵列板生成照明图样，通过可编程LED阵列板控制照明光源的波长和光强度，触发相机曝光。步骤如下：将显微镜光学成像系统的显微物镜切换到合适倍率的普通物镜；利用硬件电路和软件编程同时控制可编程LED阵列板，该点亮的区域与显微物镜的数值孔径相匹配；通过编程控制照明光源中已经混合了所需要的多种波长信息；将拍照的结果进行图像处理，分别提出不同波长的成像结果，通过分析不同波长下相位物体成像的差异，分析相位物体整体的分布情况。

Description

一种基于色散的相位物体成像设备及方法
技术领域
本发明涉及光学显微测量、成像技术领域，特别涉及一种基于色散的相位物体成像设备及方法。
背景技术
相位物体一般是透明无色的样本，这类物体的振幅透射率分布均匀，但折射率或厚度的空间分布不均匀，因此相位物体的光波振幅改变甚小，相位改变却非常大。人眼或其他光探测器都只能判断物体的振幅变化(光强信息)而无法判断其相位的变化，因此也就不能“看见”相位物体，即不能区分相位物体内厚度或折射率不同的各个部分。目前用于观察相位物体的显微镜有相衬显微镜和微分干涉相衬显微镜(DIC)。
相位物体在普通的透射光显微镜下观察对比度很低，但是，相位物体的折射率或厚度的空间变化，可以使得光通过相位物体后其相位延迟或提前，最终将相位的区别转变为振幅(光强度)的区别，将相位物体可视化。还可以通过干涉的方法将相位变化转换为强度的变化。
但是，这两种成像方式都相对于普通的透射光显微镜相对复杂，对光路和样本有特定的要求，样本不能太厚，而且价格更高；这种复杂的显微镜一般需要有经验的显微镜工作者，而且对于光路的调试既耗时又费力，为此，我们提出一种基于色散的相位物体成像设备及方法来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于色散的相位物体成像设备及方法，在显微镜明场成像时，其衬度主要依赖于吸光度，对于无色透明的相位物体，其边缘或内部较薄的区域衬度过低，给数据分析造成困难。其基本原理是，相位物体内部折射率或厚度的空间分布不均匀，因此当不同波长对相位物体进行照射时，会存在差异，通过检测不同波长的光照射形成的差异情况，分析该区域相位物体的分布情况。不仅提高了在普通的透射显微镜下观测相位物体的清晰度，同时通过不同波长光的组合，使拍照效率提高了一倍。而且该方法适用于各种模式的显微镜，有很强的兼容性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于色散的相位物体成像设备，包括可编程LED阵列板和聚光镜组，其中可编程LED阵列板放置于聚光镜组的前焦面上，该聚光镜组放置在显微镜成像系统的载物台的下方或者上方，也可以利用现有显微镜的聚光镜组装置。从而实现不同照明图案、不同波长和不同亮度的照明方式，完成相位物体的显微成像。
进一步的，显微镜系统包括样品载物台、显微镜物镜、光路转折镜、筒镜透镜、相机以及控制系统。
进一步的，所述可编程LED阵列板可编程控制系统或者具有不少于两种的波长模式的光源作为照明光源，分别提出两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的成像结果，其照亮区域要能尽可能的覆盖聚光镜组前焦面的所有有效区域，为了满足不同波长和不同亮度的照明需求。
进一步的，所述可编程LED阵列板可由不同颜色的灯珠组成，像素分辨率10×10至480×272，像素尺寸为10微米到10毫米。
进一步的，由编辑程序生成照明图样，通过点亮可编程可编程LED阵列板生成照明图样，通过可编程LED阵列板控制照明光源的波长和光强度，触发相机曝光，完成图像采集，完成图像处理。
进一步的，可编程LED阵列板点亮区域与显微物镜的数值孔径相匹配，物镜数值孔径定义为NA0bj＝nsinθ，其中，n为介质折射率，θ是能够进入物镜的光线的最大入射角，满足表达式sinθ＝R(R2+L2)1/2，L是物镜到LED阵列的垂直距离，假设光线传播介质为真空，那么介质折射率n＝1，光源LED阵列面板形成的照明图案的R＝L·NA0bj(1-NA0bj 2)1/2,那么LED阵列中各LED灯间距相等，则该阵列中需要点亮2R/Δ×2R/Δ个LED单元，其中Δ为相邻LED间的距离。
进一步的，所述的根据所观察的相位物体的不同，选择红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)不同波长混合光和不同强度的光照射该样品，其特征在于同时通过编程可编程LED阵列板实现透射光强与波长的调制，从而实现普通显微镜不能实现的显微成像功能。
本发明提出了一种基于色散的相位物体显微成像方法，其步骤如下：
步骤一：将显微镜光学成像系统的显微物镜切换到合适倍率的普通物镜，这里指的合适倍率是根据实际的观察要求，相位物体的需要观察的尺寸或者区域范围。
步骤二：利用硬件电路和软件编程同时控制可编程LED阵列板，使其需要的像素点点亮，其他部分不亮，该点亮的区域与显微物镜的数值孔径相匹配。根据所观察的相位物体的不同，选择不同波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的成像结果，混合光和不同强度的光照射该样品。
步骤三：放入待测的相位物体，通过目镜观察并采用相机采集拍摄结果；
步骤四：将拍照的结果进行图像处理，分别提出两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的成像结果，通过分析不同波长下相位物体成像的差异，分析相位物体整体的分布情况。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
其基本原理是，相位物体内部折射率或厚度的空间分布不均匀，因此当不同波长对相位物体进行照射时，会存在差异，通过检测分别提出两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的光照射形成的差异情况，分析该区域相位物体的分布情况；不仅提高了在普通的透射显微镜下观测相位物体的清晰度，同时通过不同波长光的组合，使拍照效率提高了一倍；通过该基于色散的相位物体显微成像方法，只需要采集一张图片就能够在普通的显微镜(非相称显微镜或微分干涉显微镜)下清晰的看到相位物体，并且在相位物体的边缘或者中心较薄的区域也能成清晰的像，不依赖显微镜工作者的操作方法，而且该方法适用于各种模式的显微镜，有很强的兼容性。
附图说明
图1是一种基于色散的相位物体成像设备的LED阵列照明数值孔径示意图；
图2是一种基于色散的相位物体成像设备及方法的整体结构图；
图3是一种基于色散的相位物体成像设备中LED阵列可编程控制系统流程示意图；
图4是一种基于色散的相位物体成像设备中LED阵列可编程控制系统示意图；
图5是一种基于色散的相位物体成像方法拍摄的人乳腺癌细胞形成的相位物体的拍照结果；
图6是一种基于色散的相位物体成像方法拍摄的人肺癌细胞形成的相位物体的拍照结果。
图中，1、可编程LED阵列板；2、聚光镜组；3、样品载物台；4、显微镜物镜；5、光路转折镜；6、筒镜透镜；7、相机；8、控制系统；9、目镜；10、计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图4所示，为本发明较优实施例中一种基于色散的相位物体成像设备，包括所述可编程LED阵列板1可编程控制系统具有不少于两种的波长模式的光源作为照明光源，两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)，其照亮区域覆盖聚光镜组2前焦面的所有有效区域，也可以利用现有显微镜的聚光镜组装置。从而实现不同照明图案、不同波长和不同亮度的照明方式，完成相位物体的显微成像。
所述显微镜系统包括样品载物台3、显微镜物镜4、光路转折镜5、筒镜透镜6、相机7以及控制系统8。
所述可编程LED阵列板1可编程控制系统具有不少于两种的波长模式的光源作为照明光源，其照亮区域覆盖聚光镜组2前焦面的所有有效区域，为了满足不同波长和不同亮度的照明需求，所述聚光镜组2还可以使用透光镜，
所述可编程LED阵列板1可由不同颜色的灯珠组成，像素分辨率10×10至480×272，像素尺寸为10微米到10毫米。
由编辑程序生成照明图样，通过点亮可编程可编程LED阵列板1生成照明图样，通过可编程LED阵列板控制1照明光源的波长和光强度，触发相机7曝光，完成图像采集，完成图像处理。
所述可编程LED阵列板1点亮区域与显微物镜4的数值孔径相匹配，物镜数值孔径定义为如式所示NA0bj＝nsinθ，其中，n为介质折射率，θ是能够进入物镜的光线的最大入射角，满足表达式sinθ＝R(R2+L2)1/2，L是物镜到LED阵列的垂直距离，假设光线传播介质为真空，那么介质折射率n＝1，光源LED阵列面板形成的照明图案的R＝L·NA0bj(1-NA0bj 2)1/2,那么LED阵列中各LED灯间距相等，则该阵列中需要点亮2R/Δ×2R/Δ个LED单元，其中Δ为相邻LED间的距离。
所述的根据所观察的相位物体的不同，选择红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)不同波长混合光和不同强度的光照射该样品，其特征在于同时通过编程可编程LED阵列板实现透射光强与波长的调制，从而实现普通显微镜不能实现的显微成像功能。
如图3所示，本发明提出了一种基于色散的相位物体显微成像方法，其步骤如下：
步骤一：将显微镜光学成像系统的显微物镜4切换到合适倍率的普通物镜，这里指的合适倍率是根据实际的观察要求，相位物体的需要观察的尺寸或者区域范围。
步骤二：利用硬件电路和软件编程同时控制可编程LED阵列板1，如图1和图2所示，使其需要的像素点点亮，其他部分不亮，该点亮的区域与显微物镜的数值孔径相匹配，根据所观察的相位物体的不同，选择不同波长混合光和不同强度的光照射该样品。
步骤三：放入待测的相位物体，通过目镜观察并采用相机采集拍摄结果；
步骤四：将拍照的结果进行图像处理，分别提出两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的成像结果，通过分析不同波长下相位物体成像的差异，分析相位物体整体的分布情况。
通过以上的步骤和流程，将本发明应用于未染色的人类肿瘤细胞的成像观察，在实例中，采用可编程LED阵列板实现可编程照明模式。
如图5所示，是本发明成像方法对于人乳腺癌细胞形成的相位物体的拍照结果，经过分析，可以明显看到相位物体在空间的分布情况，特别是在边缘较薄区域分布情况。
如图6所示，对人肺癌细胞形成的相位物体进行拍照，由于人肺癌的特殊性，在中间区域会形成较薄的区域，通过分析结果看到，可以清晰看到其细胞的分布情况。
综上，通过该基于色散的相位物体显微成像方法，只需要采集一张图片就能够在普通的显微镜(非相称显微镜或微分干涉显微镜)下清晰的看到相位物体，并且在相位物体的边缘或者中心较薄的区域也能成清晰的像。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于色散的相位物体成像设备，其特征在于：包括可编程LED阵列板(1)和聚光镜组(2)，其中可编程LED阵列板(1)放置于聚光镜组(2)的前焦面上，该聚光镜组放置在显微镜成像系统的载物台的下方或者上方，所述显微镜系统包括样品载物台(3)、显微镜物镜(4)、光路转折镜(5)、筒镜透镜(6)、相机(7)、控制系统(8)、目镜(9)和计算机(10)，
所述控制系统(8)由编辑程序生成照明图样，通过点亮可编程可编程LED阵列板(1)生成照明图样，通过可编程LED阵列板(1)控制照明光源的波长和光强度，触发相机(7)曝光。
2.根据权利要求1所述的一种基于色散的相位物体成像设备，其特征在于：所述可编程LED阵列板(1)可编程控制系统具有不少于两种的波长模式的光源作为照明光源，两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)，其照亮区域覆盖聚光镜组(2)前焦面的所有有效区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于色散的相位物体成像设备，其特征在于：所述可编程LED阵列板(1)由不同颜色的灯珠组成，像素分辨率10×10至480×272，像素尺寸为10微米到10毫米。
4.根据权利要求1所述的一种基于色散的相位物体成像设备，其特征在于：所述可编程LED阵列板(1)点亮区域与显微物镜(4)的数值孔径相匹配，物镜数值孔径定义为NA0bj＝nsinθ，其中，n为介质折射率，θ是能够进入物镜的光线的最大入射角，满足表达式sinθ＝R(R2+L2)1/2，L是物镜到LED阵列的垂直距离，当光线传播介质为真空，那么介质折射率n＝1，光源LED阵列面板形成的照明图案的R＝L·NA0bj(1-NA0bj 2)1/2,那么LED阵列中各LED灯间距相等，则该阵列中需要点亮2R/Δ×2R/Δ个LED单元，其中Δ为相邻LED间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于色散的相位物体成像设备，其特征在于：所述编程可编程LED阵列板(1)通过实现透射光强与波长的调制，从而实现普通显微镜不能实现的显微成像功能。
6.一种基于权利要求1-6任一所述的色散的相位物体成像设备的成像方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤一：将显微镜光学成像系统的显微物镜切换到合适倍率的显微镜物镜(4)，这里指的合适倍率是根据实际的观察要求，相位物体的需要观察的尺寸或者区域范围；
步骤二：利用硬件电路和软件编程同时控制可编程LED阵列板(1)，该点亮的区域与显微物镜的数值孔径相匹配；
步骤三：放入待测的相位物体，通过目镜观察并采用相机采集拍摄结果；
步骤四：将拍照的结果进行图像处理，分别提出两种波长分别为红(620nm～760nm)和蓝(440nm～472nm)的成像结果，通过分析不同波长下相位物体成像的差异，最终对图像做归一化处理，分析得出相位物体整体的分布情况。
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