明场、暗场、相衬的多模显微成像技术研究

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一直以来，显微成像技术在生物及医学研究中都扮演着不可替代的重要角色。光学显微镜技术中最常用到的三种成像模式包括明场、暗场及相衬成像，明场成像能收集样品低频部分信息，主要适用于强吸收样本的观测；暗场成像通过俘获大角度的散射光成像，能够获取样品的高频细节信息，故适用于弱吸收且轮廓清晰的样本；相衬成像能提取样品的相位信息，常用于未经染色的透明样本，可以实现生物样本的活体观测。三种成像方法相互补充，能够提供较为完整的样品信息，所以在很多情况下需要综合这三种成像模式。但对于传统的显微镜成像技术，每种成像模式的实现都基于不同的硬件结构，要实现三种成像模式操作复杂。
　　针对上述问题，本文提出了一套多模式复用显微成像系统，能够实时获取明场、暗场及相衬三种成像结果。该系统通过计算照明的方式，用一个可控制编码的LED阵列代替普通光源作为照明源，所述阵列可以发出任意角度的照明光线，生成不同类型的照明图样。通过改变照明图样采集图像并结合相应的处理算法即可获得不同的成像结果，无需添加任何硬件配置。
　　此外，根据成像系统部分相干的特点，本文构建了系统理论模型，该模型的核心部分为PSI窗函数，系统成像过程相当于对样本信息的加窗滤波过程。在此基础上，本文通过 PSI窗函等效替换，推导出了相衬模式下的相位传递函数，计算了一维情况下的理论成像结果，并运用Matlab完成PSI窗仿真。
　　进一步地，为获取更高分辨率及对比度的相衬成像结果，本文对不同照明图样下的成像结果完成理论仿真及实验验证，对比得到以下三种照明图样优化结论：1、采用不同角度的明场划分方式可以获取样本不同方向上的细节信息；2、当物镜数值孔径不变，增大照明源数值孔径（相当于增大系统相干率σ），有利于成像分辨率的提升，但当其增大到一定程度（σ=1）后分辨率提升不再明显；3、采用圆环照明图样可以增大成像相衬对比度。
　　实验证明，本文所述成像系统成功获得了明场、暗场及相衬（包括左右相衬及上下相衬）三种模式的成像结果，用时200ms，该成像时间由相机图像采集时间决定，具有较高的实时性。此外，本文所述系统成像操作简单，可控性强，能进一步扩展实现其他成像模式。

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作者
何璇;
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作者单位

电子科技大学;

展开▼
授予单位电子科技大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名刘子骥;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类电子光学仪器;
关键词
显微镜; LED阵列; 多模式复用; 成像系统; 可控制编码; PSI窗函数;

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