一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜

摘要

本发明公开了一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，用于对待测样品进行清晰、高分辨的宽场显微成像，包括成像系统和计算装置。所述成像系统包括依次设置的RGB LED光源、微孔阵列模块、样品台和图像传感器，RGBLED光源安放于整个成像系统的最上方；微孔阵列模块置于并正对着RGB LED光源的发光面中心下方，不改变系统体积；RGB LED光源发出的光经过微孔阵列模块提高光源相干性，然后重叠照明置于样品台上的待测样品的同一区域；待测样品散射的光和未散射的光之间干涉产生全息图，通过图像传感器记录不同波段照明下干涉生成的全息图并将其传输至计算装置，所述计算装置通过多波长相位恢复算法消除孪生像来重建待测样品的信息。

权利要求

1.一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，用于对待测样品进行清晰、高分辨的宽场显微成像，其特征在于，包括成像系统和计算装置；所述成像系统包括依次设置的RGB LED光源、微孔阵列模块、样品台和图像传感器，RGB LED光源安放于整个成像系统的最上方；微孔阵列模块置于并正对着RGB LED光源的发光面中心下方，不改变系统体积；RGB LED光源发出的光经过微孔阵列模块提高空间相干性，然后重叠照明置于样品台上的待测样品的同一区域；待测样品散射的光和未散射的光之间干涉产生全息图，通过图像传感器记录不同波段照明下干涉生成的全息图并将其传输至计算装置，所述计算装置通过多波长相位恢复消除孪生像来重建待测样品的信息；

所述微孔位置根据RGB LED光源上发光芯片有效发光面的位置设定，需要保证RGB LED光源不同发光芯片发出的光经过微孔来提高空间相干性后重叠照明，且重叠照明区域包含图像传感器。

2.如权利要求1所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，所述微孔阵列模块包括微孔与单重窄带滤光片。

3.如权利要求2所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，所述微孔是通过在不透光材料上加工得到的完全通光孔，微孔数量与RGB LED光源上使用的发光芯片的数量一致，微孔尺寸设置为1‑1000微米。

4.如权利要求3所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，所述加工方式为激光蚀刻；所述不透光材料为铁或钢。

5.如权利要求4所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，当用四角安装方形发光芯片的RGB LED时，微孔中心间距Δd与重叠照明面积S的关系为：其中L为RGB LED光源1上有效发光面的尺寸，Δx为有效发光面之间的间距，z0为RGB LED光源到微孔阵列模块的距离，z1为微孔阵列模块到样品台的距离。

6.如权利要求2所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，所述单重窄带滤光片数量与RGB LED光源上有效发光芯片的数量一致，紧贴在微孔下方，分别提升每个穿过微孔的光的时间相干性。

7.如权利要求1所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，微孔阵列模块与RGB LED光源的发光面距离在1mm‑5mm之间。

8.如权利要求1所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，样品台与微孔阵列模块的距离在10mm‑500mm之间。

9.如权利要求1所述的基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，其特征在于，样品台到图像传感器的距离在0.5mm‑2mm之间。

说明书

一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜

技术领域

[0001] 本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜。

背景技术

[0002] 在保证成像质量的前提下，实现宽场显微设备的体积小型化、成本低廉化、操作简便化是光学显微技术的一项发展目标。近年来无透镜显微镜的出现和快速发展为上述目标提供了一个很有前景的解决方案。它抛弃昂贵笨重的光学镜头，直接将样本紧贴于数字传感器上方，通过相应的相位恢复算法消除孪生像的影响，实现清晰物像的反演与重构。由于它具有大视场、便携性、低成本、深度三维成像等一系列优点，因此广泛应用于宫颈癌巴氏涂片测试、疟疾诊断的血涂片检测和罕见精子运动轨迹识别等大规模样本统计分析上。

[0003] 将RGB LED作为照明光源的无透镜显微镜可以在不增加照明光路复杂度的情况下，获得不同波长照明下的差异化全息图作为相位恢复的约束条件，无需任何有关样品的先验知识即可通过多波长相位恢复算法有效地消除孪生像的影响，对复杂样品实现清晰的宽场成像，因此得到了广泛的应用。然而光源相干性决定了从物体散射的光将在探测器上产生可观察的干涉图案的最大角度，该最大散射角对应于成像分辨率。LED光源发出的部分相干光由于相干性不足限制了宽场显微的成像分辨率。

[0004] 相干性包括空间相干性和时间相干性，对于时间相干性，可以通过在LED光源后添加窄带滤光片减小光源的波带宽，实现时间相干性提升；对于空间相干性，在LED光源之后添加一个针孔来提升空间相干性是无透镜显微镜中常见的做法。对于具有单个发光芯片的LED光源，在它之后插入一个针孔，将其照明面成像到样品平面上是容易且有效的。然而具有三个发光芯片的RGB LED光源由于发光芯片封装在一个平面上，如果在照明面之后插入一个针孔，三个发光芯片的照明区域不会重叠照明到样品的同一区域，限制了多波长相位恢复的使用。为了克服这一限制，需要增加RGB LED光源到样品的距离，来提高空间相干性。这不仅牺牲无透镜片上数字全息显微镜紧凑的光学结构，并且由于光源尺寸变大，需要使用价格昂贵的三重窄带滤光片来提升光源时间相干性，从而并没有在保证成像质量的前提下，有效缩减系统的体积与成本。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提出了一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，该显微镜通过添加微孔阵列模块，实现在保证低成本、紧凑的光路结构以及不改变系统体积的情况下，实现对复杂样品的清晰、高分辨的宽场显微成像。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜，用于对待测样品进行清晰、高分辨的宽场显微成像，包括成像系统和计算装置；所述成像系统包括依次设置的RGB LED光源、微孔阵列模块、样品台和图像传感器，RGB LED光源安放于整个成像系统的最上方；微孔阵列模块紧贴并正对着RGB LED光源的发光面中心，不改变系统体积；RGB LED光源发出的光经过微孔阵列模块提高空间相干性，然后重叠照明置于样品台上的待测样品的同一区域；待测样品散射的光和未散射的光之间干涉产生全息图，通过图像传感器记录不同波段照明下干涉生成的全息图并将其传输至计算装置，所述计算装置通过多波长相位恢复算法消除孪生像来重建待测样品的信息。

[0008] 在一些实施例中，所述微孔阵列模块包括微孔与单重窄带滤光片。

[0009] 在一些实施例中，所述微孔是通过包括但不限于激光刻蚀的加工方式，在由包括但不限于铁或钢等不透光材料上加工得到与RGB LED光源上使用的发光芯片的数量一致的完全通光孔，微孔尺寸设置为包括但不仅限于1‑1000微米。

[0010] 在一些实施例中，所述微孔位置根据RGB LED光源上发光芯片发光面的位置设定，需要保证RGB LED光源不同发光芯片发出的光经过微孔来提高空间相干性后，重叠照明且重叠照明区域包含图像传感器。以四角安装方形发光芯片的RGB LED为例，微孔中心间距Δd与重叠照明面积S的关系为：

[0011]

[0012] 其中L为RGB LED光源1上发光面的尺寸，Δx为发光面之间的间距，z0为RGB LED光源到微孔阵列模块的距离，z1为微孔阵列模块到样品台的距离。

[0013] 在一些实施例中，所述单重窄带滤光片数量与RGB LED光源上使用的发光芯片的数量一致，紧贴在微孔下方，分别提升每个穿过微孔的光的时间相干性。

[0014] 在一些实施例中，微孔阵列模块与RGB LED光源的发光面的距离包括但不仅限于在1mm‑5mm之间。

[0015] 在一些实施例中，样品台与微孔阵列模块的距离包括但不仅限于在10mm‑500mm之间。

[0016] 在一些实施例中，样品台到图像传感器的距离包括但不仅限于在0.5mm‑2mm之间。

[0017] 本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

[0018] 本发明通过添加微孔阵列模块，一方面通过微孔阵列模块设置的微孔在不改变系统体积的情况下提升空间相干性，同时根据RGB LED光源上发光芯片发光面的位置排布微孔组成微孔阵列，保证所有波段的光波重叠照明到待测样品的同一区域来进行相位恢复；另一方面每个波段光源发出的光通过微孔后横向尺寸减小，并且间距增大，可以通过在微孔后设置单重窄带滤光片来替代昂贵的三重窄带滤光片，以较低的成本提的升光源相干性。因此本发明基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜有望提供快捷、廉价、准确的即时诊断工具，可以为资源条件有限地区的疾病早期诊断与及时治疗提供更有力的帮助。

附图说明

[0019] 图1是本发明基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜的结构示意图；

[0020] 图2是本发明微孔阵列模块的结构示意图；

[0021] 图3是未添加微孔阵列模块的基于RGB LED光源的无透镜显微镜对一个USFA1951分辨率正标定板重建的图像；

[0022] 图4是添加微孔阵列模块的基于RGB LED光源的无透镜显微镜对一个USFA1951分辨率正标定板重建的图像。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

[0024] 结合图1，基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜的结构如图1所示，用于对待测样品进行清晰、高分辨的宽场显微成像，包括成像系统和计算装置，所述成像系统包括依次设置RGB LED光源1、微孔阵列模块2、样品台3和图像传感器4，RGB LED光源1安放于整个成像系统的最上方；如图2所示，微孔阵列模块2由微孔21与单重窄带滤光片22组成，置于RGB LED光源1的发光面下方，且尽可能使RGB LED光源1透过微孔阵列模块2的光强最大化(即微孔阵列模块2中心正对着RGB LED光源1发光面的中心)；RGB LED光源1发出的光依次经过微孔阵列模块2上的微孔21和紧贴在微孔21下方的单重窄带滤光片22来提高光源相干性后，重叠照明置于样品台3上的待测物体的同一区域；待测物体散射的光和未散射的光之间干涉产生全息图，通过图像传感器4经过一段曝光时间，记录干涉生成的不同波段照明下的全息图并将其传输至计算装置，所述计算装置通过多波长相位恢复算法消除孪生像来重建待测样品的信息。

[0025] RGB LED光源1的作用是提供红绿蓝三个波段的照明光源，其典型波长为红光λR＝635nm、绿光λG＝525nm和蓝光λB＝475nm。RGB LED光源1上每个发光芯片的发光面的尺寸L和发光面之间的间距Δx可以根据厂家手册计算得知。

[0026] 微孔阵列模块2的作用是在保证低成本、紧凑的光路结构的前提下，提升RGB LED光源1的相干性，同时可以保证所有波段的光波重叠照明到待测样品的同一区域来进行相位恢复。空间相干性主要受光源横向尺寸D和光源到样本的距离z1与样本到传感器距离z2比值的影响。微孔阵列模块2上的微孔21是通过包括但不限于激光刻蚀的加工方式，在由包括但不限于铁或钢等不透光材料上加工得到与RGB LED光源1上使用的发光芯片的数量一致的完全通光孔，分别与RGB LED光源1上的发光芯片发光面一一对应，用来在不改变系统体积的情况下，减小光源的横向尺寸，进而提高空间相干性；微孔21的直径越小，光穿过微孔21后空间相干性越好，优选地，我们将微孔21尺寸设置为包括但不仅限于1‑1000微米来兼顾良好的空间相干性与足够曝光的发光强度。由所有微孔21组成的微孔阵列在截断对应发光芯片发光面的同时，可以修正对应发光芯片的照明区域来保证所有波段的光波可以重叠照明到待测样品的同一区域，微孔21与发光芯片的相对位置决定了重叠照明区域的大小和位置，需要保证重叠照明区域包含图像传感器4来保证相位恢复的进行同时获得最大的成像视野。以四角安装方形发光芯片的RGB LED为例，重叠照明区域面积S的大小与RGB LED光源1上发光面的尺寸L、发光面之间的间距Δx、微孔21中心间距Δd、RGB LED光源1到微孔阵列模块2的距离z0和微孔阵列模块2到样品台3的距离z1有关，其形式为

[0027]

[0028] 当RGB LED光源1到微孔阵列模块2的距离z0和微孔阵列模块2到样品台3的距离z1固定时候，可以设计合理的微孔21中心间距Δd来保证重叠照明区域包含图像传感器。时间相干性主要受光源的波带宽Δλ和照明波长λ的影响。由于RGB LED光源1发出的光经过微孔21后横向尺寸变小，并且间距增大，因此可以在每个微孔21后紧贴一个对应波段范围的单重窄带滤光片22来减小光源的波带宽，进而提升时间相干性，单重窄带滤光片22的通光带宽越小，时间相干性越好。单重窄带滤光片22的具体参数，包括中心波长、波带宽根据RGB LED光源1来进行选择。

[0029] 样品台3的作用是承载样品，其与微孔阵列模块2的距离z1一般包括但不仅限于在10mm‑500mm之间。其最好横向方位可调，以便使显微镜可以观察样品的不同区域。图像传感器4的作用是记录不同波段下物体造成的散射光和未散射的光之间干涉产生的全息图。样品台3一般紧贴图像传感器4，使得它们之间的距离z2远小于z1来保证良好的空间相干性，然而图像传感器4上方都有玻璃保护盖，因此样品台3到图像传感器4的距离z2一般包括但不仅限于在0.5mm‑2mm之间。将图像传感器4拍摄获得的全息图传输至计算机，然后通过多波长相位恢复消除孪生像来重建待测样品的信息，获得清晰、高分辨的宽场显微成像。

[0030] 为了验证本发明基于RGB LED光源的高分辨无透镜显微镜上微孔阵列模块2对成像分辨率提高的能力，对一个USFA1951分辨率正标定板进行了成像测试。如图3和图4所示，图3是未添加微孔阵列模块2的基于RGB LED光源的无透镜显微镜对USFA1951分辨率正标定板重建的图像，图4是添加微孔阵列模块2的基于RGB LED光源的无透镜显微镜对USFA1951分辨率正标定板重建的图像。可以看到由于RGB LED发出的部分相干光造成宽场显微的成像分辨率不足，因此未添加微孔阵列模块2时只能观察到第7组中的第2个元素，对应的半节距分辨率为3.47微米，相比之下，添加微孔阵列模块2后可以提高光源的空间相干性与时间相干性，因此能观察到第7组中的第6个元素，对应的半节距分辨率为2.19微米。此结果表明了本发明可以在保证低成本、紧凑的光路结构的前提下，提升基于RGB LED光源的无透镜系统的光源相干性，实现清晰、高分辨的宽场显微成像。

[0031] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。