[发明专利]一种基于光强传输方程的散斑定量相位成像系统及其方法

权利要求书

1.一种基于光强传输方程的散斑定量相位成像系统，其特征在于包括显微成像系统和弱散斑相机，所述显微成像系统由聚光透镜(1)、孔径光阑(2)、聚光镜(3)、物镜(5)、成像筒镜(6)组成，弱散斑相机由散斑发生器(7)、探测器(9)组成，物镜(5)的后焦面与成像筒镜(6)的前焦面重合，探测器(9)的成像平面(8)在成像筒镜(6)的后焦面位置；成像时载物台上的待测样品(4)调节到物镜(5)的前焦面位置，构成无穷远校正成像系统；待测样品(4)的图像经过物镜(5)后经过成像筒镜(6)汇聚再通过散斑发生器(7)被探测器(9)采集，显微成像系统中照明光源的光经过聚光透镜(1)汇聚变成部分相干光线，调节孔径光阑(2)使得相干参数S达到最优值，而后对应的部分相干光线照射在待测样品(4)上，该待测样品(4)被放置在载物台上，光线透过待测样品(4)，经过物镜(5)、成像筒镜(6)汇聚再通过散斑发生器(7)调制后照射到探测器(9)的成像平面，采集到样品散斑光强图I_S(x)；当显微成像系统的载物台上未放置待测样品(4)时，采集到参考散斑光强图I_R(x)；

所述散斑发生器(7)为透明胶带，即根据探测器(9)的装置外壳尺寸裁剪出合适大小的透明胶带，直接贴在位于距离探测器(9)前方4.5-5mm处的外壳台阶面处。

2.一种利用权利要求1所述的系统实现散斑定量相位成像的方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，调节显微成像系统的相干参数S至最优值；

步骤二，在未放置待测样品(4)时，利用弱散斑相机采集一幅散斑光强图作为参考散斑图I_R(x)；

步骤三，将待测样品(4)放于显微光路中，并利用弱散斑相机沿光轴采集一幅带有轻微离焦的散斑光强图作为样品散斑图I_S(x)；

步骤四，根据基于光强传输方程的散斑TIE方法求得待测样品(4)的定量相位图像

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤一的实现过程如下：调节显微成像系统的相干参数S至最优值：

S＝NA_i/NA_o

其中，NA_i是显微成像系统的照明数值孔径，NA_o是显微成像系统的物镜数值孔径。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤二的实现过程如下：在步骤一所调节的最优相干参数S的条件下，先不将待测样品(4)放于显微成像系统的载物台上，显微成像系统中的照明光源的光通过散斑发生器(7)调制后照射到探测器(9)的成像平面，采集一幅无样品的散斑光强图作为参考散斑图I_R(x)，其中x是垂直于光轴z平面上的横向坐标，对应于二维空间矢量(x,y)。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤三的实现过程如下：在步骤一所调节的最优相干参数S的条件下，将待测样品(4)放于显微成像系统的载物台上，显微成像系统中的照明光源的光经过待测样品(4)通过散斑发生器(7)调制后照射到探测器(9)的成像平面，沿光轴采集一幅带有轻微离焦的散斑光强图作为样品散斑图I_S(x)。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤四的实现过程如下：将步骤二采集的参考散斑图I_R(x)与步骤三采集的样品散斑图I_S(x)代入下式

其中，为一阶轴向微分，dz为样品散斑图I_S(x)在z轴方向的离焦距离，光强传输方程为

其中k为波数，k＝2π/λ，是梯度算子，·表示点积，为待求解的定量相位，引入辅助函数后，基于简化的周期边界条件并利用傅立叶变换的导数性质求出ψ(x)

其中，为x平面的二维梯度算子，F{·}表示求傅里叶变换，F^-1{·}表示求傅里叶逆变换，(u,v)为二维空间频率矢量，求出定量相位

其中，是x平面的二维逆梯度算子，(x₀,y₀)为二维空间单位矢量，即求得的定量相位图像；在具体的计算中，为了防止当上述定量相位公式的分母数值为0时带来的影响，引入了正则化参数r

通过调整正则化参数r并对比相应的定量相位结果可知，当正则化参数r在1×10^-9～1×10^-11范围内取值时，最后可以获得图像对比度与信噪比相权衡的高质量的定量相位结果