[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

说明书

本发明公开了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，首先是调节显微成像系统的相干参数S至最优值；其次，在未放置待测样品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)；而后，将待测样品放于显微光路中，并利用弱散斑相机沿光轴采集一幅轻微离焦散斑光强图作为样品散斑图I_S(x)；最后根据基于光强传输方程的散斑TIE方法求得待测样品的定量相位图像本发明无需对普通明场显微镜进行复杂改造，仅需在传统相机探测器前添加普通透明胶带，再结合散斑TIE方法即可以定量、高速、低成本的优势实现定量相位成像。

技术领域

本发明属于光学显微测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程(Transportof Intensity Equation，简称TIE)的散斑定量相位成像系统及其方法。

背景技术

近年来，由于定量相位成像可在无需特定染色剂或造影剂的情况下获得活细胞的光学厚度空间分布，已成为生物医学研究的一种宝贵研究工具。在传统的相位成像方法中，透明的生物样品可通过泽尼克相衬和差分干涉相衬显微成像技术很好地显示出来。但是，这些方法都无法提供定量的相位信息，导致相位数据解释变得困难。而最成熟的定量相位测量方法是基于干涉的测量技术，如干涉显微镜和数字全息显微镜。然而，在大多数情况下，这类方法都依赖于相干光照，因此往往存在因多次散射杂散干扰引起的散斑噪声问题。另外，干涉测量系统复杂，实验环境也受到较大限制。而低相干定量相位成像方法可以克服这些局限，如空间光干涉显微成像(SLIM)、白光衍射相位显微成像(wDPM)、四波横向剪切干涉(QWLSI)等方法。然而，这些低相干定量相位成像方法通常需要空间相干照明以避免光晕伪影，因此，上述方法可实现的最大横向分辨率仍然局限于相干衍射极限。虽然通过倾斜合成孔径法或结构光照明技术可将成像分辨率扩展到传统非相干成像情况下的分辨率，但这类成像技术大多数都需要相对复杂的光学系统，因此限制了它们在生物医学研究领域的更广泛应用(Mico V,Zalevsky Z,García-MartínezP,et al.Superresolved imaging indigital holography by superposition of tilted wavefronts[J].Applied optics,2006,45(5):822-828)。

为了克服因干涉测量方法带来的上述缺陷，可以使用相位恢复算法——仅利用多个轴向位移平面(或在不同照明条件下)的光强测量，无需对物体和参考光束进行显式操作即可实现定量相位成像。相位恢复算法通常有两类：迭代法和光强传输方程法(Transportof Intensity Equation，简称TIE)。与迭代法相比，TIE具有确定性，需要较少的光强测量(在紧密间隔的平面上至少进行两次光强测量)，并与使用科勒照明的普通商用显微镜相兼容。此外，当样品被部分相干光照射时，所提供的光照角信息有助于提高横向分辨率，因此有望获得超越相干衍射极限的空间分辨率。同时，TIE放宽了干涉测量中对光束的严格相干要求，因此可将应用范围扩展到X射线衍射、电子显微镜、中子照相术等领域。另外，已在光学相位显微成像技术中得到证明：TIE在部分相干光照的基础上可以实现精确、高质量的定量相位成像，且可有效防止因散斑噪声而引起的图像退化(Zuo C,Chen Q,Qu W,etal.Noninterferometric single-shot quantitative phase microscopy[J].Opticsletters,2013,38(18):3538-3541)。