[发明专利]一种便携式全自动多模态显微成像装置

说明书

本发明公开了一种便携式全自动多模态显微成像装置，成像方面包括二维电控扫描平台、自动对焦系统以及配备基于彩色编码LED阵列的多模式显微成像装置。多模式成像是将带有彩色编码的LED阵列作为显微系统的光源，产生不同模式的彩色照明，从而实现明场、暗场和差分相称成像三种成像模式。完备的成像模式使得不需要对细胞进行染色及荧光标记，结合装置内部自动维持稳定的培养环境可对活细胞的生长过程及生长状态进行长时间的观察。

技术领域

本发明涉及一种便携式全自动多模态光学成像系统，便于野外科研及乡村诊所疾病诊断使用。

背景技术

光学显微镜是一类为了方便人们获取细微物质结构信息的光学仪器，其在医学、生物学、材料分析和电子元件检测等领域中都有着比较重要的应用。在过去的几十年里，随着显微成像技术的不断完善，出现了许多新的成像模式。但明场成像、暗场成像及差分相衬显微成像依然是当今应用最广泛的三种成像模式。

明场显微成像是基于样品的不同部位对光的吸收不同来获取图像。因此，对于透明或者半透明的纯相位样品而言，如未标记的细胞和薄的组织标本，由于难以对透过的光强进行调制，因而获得的成像效果并不理想。

化学染色及荧光标记法利用细胞内不同组分对不同化学物质或荧光染料的不同亲和性，对样品进行染色，形成光强反差或生成不同的光谱，从而实现对透明样品的标记成像。无论是传统染料染色方法还是生物蛋白标记发光的方法，由于是外源性物质，不可避免会对样品产生一定影响。特别指出，在活细胞的长时间观察中，在激发光作用下细胞容易发生损伤，而且荧光基团还存在光漂白问题。

暗场显微成像技术与明场显微成像技术相反。在暗场显微镜下观察样品时，观察者会看到暗背景上呈现明亮的样品。暗场显微技术使用超过光学成像系统数值孔径所能捕获的最大角度的斜光照明，收集散射光获得样品的高频细节信息。

它能够产生高对比度图像且对样品边缘比较敏感，对弱吸收及轮廓清晰的样品成像具有一定的优势。研究人员通常用暗场显微观测样品的表面细节。但是同时也存在因信号光弱造成图像整体偏暗导致成像效果差的情况。

对于振幅样品，由于光线透过样品时透射率分布不同，存在振幅强弱的变化，明场和暗场成像能够获取不同类型的样品信息。对于透明、半透明的特别是纯相位的样品，光线透过样品时几乎不存在振幅上的改变，此时明场和暗场成像无法对样品形貌进行成像，因此对于这两种成像方式局限在于只能获取样品透射光的振幅有变化的信息。

如何在不经过破坏性的染色过程就能够清楚的观测到诸如生物切片、相位光栅等透明样品。相衬显微成像技术的出现可以说是为上述问题提供了一个很好的解决方法。它经过带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜，将光线经过透明样品的相位变化转化为振幅变化，能够得到样品的三维伪立体影像，具有较强的立体感，从而可直接被人眼、相机观察。

类似于相衬显微成像技术，基于LED阵列的差分相衬显微成像模式也是一种获取透明样品图片的常用方式，它是将LED阵列产生不同区域的照明光分时成像，将两幅图像差分形成成像。基于LED阵列的差分相衬成像模式能够产生相衬显微成像模式效果。

不论对于透明样品还是非透明样品，结合明场成像、暗场成像以及差分相衬三种成像方式都能比较完整的提供样品的信息。当时以上三种成像方式都需要不同的硬件支持，包括聚光镜光阑，偏振元件或者特殊的光学器件。这无形中增加了光路调节的复杂度且在成像过程中无法实现三种成像信息同时获取。

近年来，随着光电子技术的不断发展，LED照明作为显微镜成像光源得到了深入研究。将彩色编码LED阵列引入显微成像，可同时实现明场、暗场和差分相衬成像，很好的解决无标记活细胞长时间观察问题。

此外，对样品的长时间观测，显微镜机械应力不可避免会发生成像焦面偏移，人工调焦不但会增加实验的复杂度，还会因视觉偏差对实验精度造成影响。另一方面，多区域的样品观测需要位移样品平台。因此，发明便携式多模态显微成像装置对乡村诊疗有着积极意义。