[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

说明书

本发明提供了一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置及方法，以解决传统技术扫描过程复杂和采用相干光源易在探测光强中引入干涉条纹，影响生物样品成像清晰度的技术问题。本装置包括照明单元、分束镜、光谱测量单元及生物成像单元，生物成像单元包括沿分束镜透射光路依次设置的第四透镜和探测器，分束镜与第四透镜之间用于放置待测生物样品；本方法通过探测器在第四透镜的负离焦面A、焦平面B以及正离焦面C接收相应的探测光强，再结合基于宽光谱的相位恢复方法，实现对生物样品的成像。本发明扫描过程简便，采用宽光谱照明，避免了相干光照明时干涉条纹对成像清晰度的影响，也可实现对生物样品的无染色及定量相位成像。

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种生物成像装置及方法，尤其涉及一种基于宽光谱偏焦技术和宽光谱相位恢复方法实现生物切片、细胞或细菌等生物样品成像的装置及方法。

背景技术

生物成像是了解生物结构和功能的最直观测量手段，在临床医学诊断领域越来越受重视。无论是生物还是医学研究领域，清晰直观的图像在探寻疾病的发病机理、临床表现以及疾病诊断均具有重大意义。

光学显微成像技术可直观观测生物样品，大致可分为三类：

一是传统光学显微成像技术，包括明场显微成像技术、暗场显微成像技术和荧光显微成像技术。明场显微成像技术的成像对比度差，在观察弱吸收和弱散射的生物样品时需要染色，损失生物细胞活性；相较于明场显微成像技术，暗场显微成像技术提高了成像对比度，但成像光强太弱，成像质量不高；荧光显微成像技术只能针对标记了荧光染料的细胞结构进行观测，并且在活体细胞检测时，短波长激发光容易对活体细胞产生不可逆转的光毒性损伤。

二是定性显微成像技术，包括相衬显微成像技术和微分干涉相衬显微成像技术。相衬显微成像技术主要用于观察未染色的透明生物样品，将不可见的相位变化转化为可见的强度变化，其观测效果远远优于明场显微成像技术，它的不足之处便是光晕现象影响细胞观测，以及环形光束照明降低了光源的利用率，此外透射光和衍射光强度比例调制比较难实现；而微分干涉相衬显微成像技术克服了相衬显微成像技术的光晕现象，成像质量更高，但光路系统更为复杂。

三是定量显微成像技术，前两类显微成像技术都只能定性观察，而定量显微成像技术可实现定量相位测量，包括有基于干涉的显微成像技术、基于强度传输方程的显微成像技术以及基于迭代的显微成像技术。其中，基于干涉的显微成像技术，光学系统复杂，对实验条件的稳定性、光源的相干性以及干涉条纹的分辨率要求高，而且相位的求解需要解包裹，因此并未得到广泛应用；基于强度传输方程的显微成像技术，属于非干涉技术，在待测平面的光强和光强轴向微分已知的情况下，通过数值求解光强传输方程直接获取相位信息，但该技术依赖小离焦范围内的相衬信息来恢复相位时，相位低频部分的相衬度较低，采用大离焦又会使相位高频部分的相衬度减弱；基于迭代的显微成像技术，多次在待测物面和衍射面之间迭代计算，并进行振幅替换，相位保留的投影操作，直至求解待测物面的相位，该技术的代表是叠层显微成像技术，虽然分辨率高，但计算耗时，并且实验操作的扫描过程十分复杂，另外，基于迭代的显微成像技术属于非干涉技术，采用的相干光源极易在实际的探测光强中引入干涉条纹，影响相位测量精度，最终影响生物样品的成像清晰度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有基于迭代的显微成像中的叠层显微成像技术计算耗时、扫描过程复杂以及采用相干光源极易在实际的探测光强中引入干涉条纹，影响生物样品成像清晰度的技术问题，而提供一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术解决方案是：

一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置，其特殊之处在于，包括照明单元、分束镜、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，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反射光路依次设置的第三透镜和光谱仪；