[发明专利]一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置及方法

权利要求书

1.一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特征在于：包括照明单元、分束镜(7)、光谱测量单元及生物成像单元；

所述照明单元发出宽光谱的照明光入射到分束镜(7)，分为反射光束和透射光束；

所述光谱测量单元包括沿分束镜(7)反射光路依次设置的第三透镜(8)和光谱仪(9)；

所述生物成像单元包括沿分束镜(7)透射光路依次设置的第四透镜(12)和探测器(13)；所述分束镜(7)与第四透镜(12)之间用于放置待测生物样品(10)；

所述探测器(13)在第四透镜(12)的负离焦面A、焦平面B及正离焦面C位置处接收相应的探测光强；

定义透射光束传输方向为正方向，所述负离焦面A与焦平面B的距离为-Δz，所述正离焦面C与焦平面B的距离为Δz，其中f为第四透镜(12)的焦距。

2.根据权利要求1所述的基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特征在于：还包括一维平移台(14)，所述一维平移台(14)用于放置探测器(13)。

3.根据权利要求1或2所述的基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特征在于：还包括二维平移台(11)，所述二维平移台(11)用于放置生物样品(10)。

4.根据权利要求3所述的基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特征在于：所述照明单元采用柯勒照明，包括白光光源(1)、沿白光光源(1)出射光路依次设置的第一透镜(2)、第二透镜(5)以及滤光片(6)。

5.根据权利要求4所述的基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特征在于：所述照明单元还包括依次设置在第一透镜(2)和第二透镜(5)之间的第一光阑(3)和第二光阑(4)。

6.一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光谱仪(9)测量宽光谱照明光的光谱成分

光谱仪(9)测量宽光谱照明光的光谱成分，得到宽光谱照明光中的波段组成：λ＝[λ₁,····λ_i,···λ_n]，i∈[1,n]，λ_i表示第i个波长信息，各个波长所占权重α＝[α₁,····α_i,···α_n]，并且α₁+···α_i+···α_n＝1；

2)宽光谱偏焦技术获得探测光强

探测器(13)依次在距离焦平面-Δz的负离焦面A、焦平面B和距离焦平面Δz的正离焦面C三个位置处探测，获取相应的三个探测光强I_-Δz(x₁,y₁)，I_f(x₂,y₂)和I_Δz(x₃,y₃)；其中，(x₁,y₁)，(x₂,y₂)和(x₃,y₃)分别为负离焦面A、焦平面B和正离焦面C的坐标，离焦量f为第四透镜(12)的焦距；

3)基于宽光谱相位恢复方法实现生物样品成像

3.1)初始假设焦平面B光场分布为：

U_f(x₂,y₂)＝[α₁U_f(x₂,y₂,λ₁),···α_iU_f(x₂,y₂,λ_i),···α_nU_f(x₂,y₂,λ_n)]，i∈[1,n]；

其中，U_f(x₂,y₂,λ_i)＝exp[jφ_f(x₂,y₂,λ_i)]，φ_f(x₂,y₂,λ_i)为波长λ_i对应的相位假设初值，定义迭代次数为m，m为大于等于1的整数，初始迭代次数m＝1；

3.2)焦平面B光场U_f(x₂,y₂)正向衍射传输至正离焦面C，正离焦面C光场分布为：

U_Δz(x₃,y₃)＝P_weight[U_f(x₂,y₂),Δz]＝{α₁P[U_f(x₂,y₂,λ₁),Δz],···α_iP[U_f(x₂,y₂,λ_i),Δz],···α_nP[U_f(x₂,y₂,λ_n)],Δz}；

其中，P_weight为多波长权重角谱传输算子，P为单波长角谱传输算子；

3.3)用正离焦面C实际的探测光强I_Δz(x₃,y₃)，替代正离焦面C的计算光强，保留相位，求得更新的正离焦面C光场分布U'_Δz(x₃,y₃)；

3.4)更新的正离焦面C光场U'_Δz(x₃,y₃)逆向传输至焦平面，焦平面B的更新光场分布为

3.5)用焦平面B实际的探测光强I_f(x₂,y₂)，替代焦平面B的计算光强，保留相位，求得更新的焦平面B光场分布

3.6)更新的焦平面B光场分布逆向传输至负离焦面A，负离焦面A的光场分布为

3.7)用负离焦面A实际的探测光强I_-Δz(x₁,y₁)，替代负离焦面A的计算光强，保留相位，求得更新的负离焦面A光场分布U'_-Δz(x₁,y₁)；

3.8)更新的负离焦面A光场U'_-Δz(x₁,y₁)正向传输至焦平面B，焦平面B的更新光场分布为

3.9)用焦平面B实际的探测光强I_f(x₂,y₂)，替代焦平面B的计算光强，保留相位，求得更新的焦平面B光场分布

3.10)更新的焦平面B光场逆向传输至生物样品面，获得生物样品面的光场分布为：

其中，Γ_weight为多波长权重透镜传输算子，Γ为单波长透镜传输算子，(x₀,y₀)为生物样品面的坐标；

3.11)计算误差评价函数MSE或均方根RMS，当误差评价函数MSE或均方根RMS小于相应的阈值时，迭代停止，执行3.12)；否则，m＝m+1，返回3.2)；

3.12)根据更新的焦平面B光场求得生物样品(10)的相位分布：实现生物样品成像，其中Angle代表求相位操作。