基于LED阵列照明的定量相位显微成像原理技术研究

发布时间：2020-04-09 05:05

【摘要】：随着目前生命科学技术研究的不断深入,对生物细胞形态结构与行为功能的研究显得十分迫切。但是生物细胞往往都是透明的相位型样本,意味着光线通过生物细胞后振幅与波长几乎不发生变化,这导致传统基于强度的光学成像技术难以完成生物细胞的清晰成像。相位成像作为一种获取样本相位信息的成像手段,不依赖于强度信息,是研究活体生物细胞最常用的成像手段。但是早期相位成像技术只能获取样本定性的相位信息,无法呈现样本定量的相位分布。所以多种定量相位显微成像的方法相继被提出,诸如数字全息显微术、G-S算法、光强传输方程(TIE)等,然而这些方法均不同程度的存在着成像条件苛刻,数学计算模型复杂等缺陷,未能得到广泛的应用。针对以上问题,本文提出一种基于LED阵列照明的显微镜成像平台,利用一个可编码控制的LED照明阵列代替普通显微镜的照明源。不需要任何机械操作即可方便地提供任意角度和任意图样的照明。利用该显微镜平台提供非对称照明并采集相应图像,结合非对称照明下系统相位传递函数完成定量相位信息的重构。此外,结合本文显微镜平台部分相干的成像特点,结合非对称照明相衬成像模型,建立了系统相位传递函数频响特性公式,并推导出定量相位与非对称照明成像图像的数学关系,进而完成定量相位信息的重构。为优化最终定量相位成像结果,本文针对不同LED照明图样下进行仿真分析与成像实验,对比不同照明图样下定量相位成像结果。发现非对称照明不同角度对称轴划分可获取不同方向上的相位细节,而基于多对称轴的定量相位成像能更好地重构相位细节,另外增大系统相干参数σ,能有效提高成像结果的分辨率,但当系统相干参数增加到一定程度后(σ=1)分辨率提升就不再明显,最后照明图样由圆形更改为圆环形照明有助于增大成像对比度。实验证明,本文所述基于LED阵列照明的定量相位显微成像方法,能够较为精确地还原样本定量相位分布。且光学系统构建简单,无需复杂的光学元件与机械硬件支持。相位重构模型简单,计算效率高,保证了实时性。此外,本文所述成像系统可灵活提供任意照明图样能进一步实现多种其他成像模式。
【图文】：

实验装置,原理图,实验结果,全息显微术

电子科技大学硕士学位论文成为定量相位测量的新标杆。数字全息术最早应用于显 Onural 和 Scott 等人完成，他们利用改进的数字全息重应用于微粒测量领域[11]。1999 年，，瑞士科学家 Cuche微成像领域的重大突破，他们首次采用预放大菲涅耳全息图的条件下，通过手动调节重建参量的方式，成功图像，其中横向分辨率达到微米量级，轴向分辨率达全息术对微小物体形貌测量的强大能力[12]；2013 年，全息显微术”（2π-DHM），该方法可以通过复杂的去卷下完成细胞结构的三维重构，最终成像结果分辨率超越像结果如图 1-3 所示。

示意图,均匀平面波,相位,示意图

0和 0分别为时谐电场和时谐磁场的振幅， 0为初始相位。由表达式可知理想的时谐均匀平面光波是在时间上的无限延续、在空间上无限延伸的光波动。其在时间上与空间上均具有周期性，时间周期性用周期、圆频率表示： =2 （2-7）空间周期性由波长、空间圆频率表征：=2 （2-8）空间周期性与时间周期性关系可由周期联系： =2 = （2-9）如图 2-1 所示光波即以一定周期的振幅强度反复振动前进，那么相位对于光波而言即某特定时刻在它周期循环中的位置，一种是否在波峰、波谷或波峰波谷间的某点标度。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O439

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