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激光与光电子学进展
,
(
)
Laser&O
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toelectronicsPro
g
ress
«
中国激光
»
杂志社
基于弧形阵列
LED
光源旋转照明装置的傅里叶
叠层显微术
林 子 强
,
马 骁
,
林 锦 新
,
杨 佳 琪
,
李 仕 萍
,
钟 金 钢
暨南大学光电工程系
,
广东 广州
摘要
提出了一种基于弧形阵列
光源旋转照明装置的傅里叶叠层 显 微术
,
在确 保
子光 源 不同角 度 照明
光强一致的同时
,
有利于实现对样品的大角度照明
.
通过平面阵列
光源 与 弧形阵 列
光源 旋 转照明 装 置
的对比实验
,
证明了本文方法的优点和实用性
.
关键词
成像系统
;
显微术
;
计算成像
;
相位反演
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
LOP.
FourierPt
y
cho
g
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p
hicMicrosco
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BasedonRotatin
g
ArcGsha
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Zhon
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JinanUniversit
y
Guan
g
zhou
Guan
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don
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
收到修改稿日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金
(
,
)、
广东省自然科学基金
(
)
作者简介
:
林子强
(
—),
男
,
硕士研究生
,
要从事光电信息技术方面的研究
.
:
导师简介
:
钟金钢
(
—),
男
,
博士
,
教授
,
主要从事光电信息技术方面的研究
.
:
(
通信联系人
)
引
言
傅里叶叠层显微术
(
)
[
]
是一种 新 型计算
显微成像技术
,
可同时获得样品的强度和相位分布
,
实现高分辨和宽视场 显 微成像
,
是近年 来 显微成 像
领域研究的热点之一
,
受到广泛关注
.
的物理
本质是一种合成孔径成像技术
[
]
.
其具体实现过程
可简述为
:
首先
,
在不同 角 度光源 照 明下
,
拍摄多 张
小数值孔径图像
;
然后
,
借助 相位 恢复 算法
[
]
,
计算
合成一张等效大数值孔 径 的光波 复 振幅
(
振幅和 相
位
)
图像
.
目前
装 置 常 采 用 平 面 阵 列
光 源
,
子光源在 平 面 上 等 间 距 排 布
.
虽 然 这 种 平 面
结构便 于 设 计 和 加 工
,
但 存 在 一 些 问 题
:
)
不 同
子光源角度照明样品时的光强不同
[
]
.
根据
基本原理可知
,
不同角度的照明光近似为平面
波
,
其光强应保持一致
.
由于
发光是一个近似
圆锥形的发散光束
,
各角度光强不同
,
在不同角度照
明下
,
采集的低分辨率图像强度差异较大
,
导致重建
图像的质量下 降
.
)
难 于 实 现 对 样 品 的 大 角 度 照
明
[
]
.
发光随着角 度 增加
,
光强迅 速 衰 减
,
因
此对于平面阵列
而言
,
距离中心较远的子光源
大角度斜照明样品时的光强较弱
.
在这种情况下拍
摄的图像 信 噪 比 较 低
,
不 利 于
图 像 的 重 建
.
)
子光 源 间 距 固 定
,
很 难 与 不 同 数 值 孔 径 物
镜匹配
.
由于所使用的相位恢复算法要求两个相邻
,
(
)
激光与光电子学进展
的采集图像记录样品的 衍 射角谱 具 有一定 重 叠率
,
因此使用不同数值孔 径 显微物 镜 时
,
若采用 平 面阵
列
光 源
,
一 般 需 要 根 据 物 镜 数 值 孔 径
,
选 择
子光源排列密度与之 匹配 的平 面阵 列
光
源
,
以确保相邻时序 图像记 录 样品的 衍 射角谱 之 间
重叠率最优
.
为了解决以上问题
,
已有 研究 者在 算法 和光 源
设计方面提出了一些改进
.
例如在拍摄原始低分辨
图像时
,
采用高动态范围合成技术
[
]
,
而在迭代相位
恢复重建图像过程中
,
通过设 计 算法对 不 同角度 照
明图像进行光强 校 正
[
]
,
但这些 做 法并不 能 实际提
高大角度斜照明条件 下 拍摄图 像 的信噪 比
,
尤其对
大角度照明的暗场图像
.
这些图像最终决定了合成
的数值孔径
,
直接影 响 重建图 像 分辨率
.
而且高 动
态范围合成
,
一方面需要 拍 摄多张 不 同曝光 时 间的
图像
,
增加了拍摄的时间成本
;
另一方面引入高动态
范围合成算法
,
增加了重建过程的计算复杂度
,
不利
于
应用
.
此 外 也 有 一 些 方 案
,
通 过 合 理 设 计
光源排布
,
使各角度照明光强趋于一致
,
例如采用半
球形聚光器
[
]
.
这种方法有效解决了角度照明光
强不一致 问题
,
但将
光源 排布 在半 球内 面
,
增
加了光源制造的难度
.
且
子光 源仍 然是 固定
排布的
,
照明缺乏灵活性
,
也不便于与不同数值孔径
物镜匹配使用
,
这将 导致每 换 一个不 同 的显微 物 镜
成像
,
就需要更换一套光源
,
给实际使用带来不便
.
为解决上 述 问 题
,
本 文 提 出 了 一 种 用 于
的弧形阵列
光源旋转照明装置
,
保证了不同角
度
子光 源照 明样 品的 光强 一致
.
这不 仅有 利
于实现大角度照明
,
同时将 平 面直角 坐 标系下 的 光
源排布转化为极坐标分布
.
引入可自由调节的旋转
角度参数
,
可以通过改 变 旋转角 的 步长与 不 同显微
物镜配合
.
因此
,
在不更换光源情况下
,
便于不同数
值孔径物镜间的切换
,
实际使用便利
;
设计合理的照
明方案有利于减少所需拍摄的低分辨图像数量
.
分
辨率板和生物样品 实 验均证 明 了弧形 阵 列
光
源旋转照明装置的优点和实用性
.
弧形阵列
光源旋转照明装置
2.1
弧形阵列
LED
光源旋转照明装置
图
(
)
是平面阵列
照明 的傅 里叶 叠层 显
微成像装置 示 意 图
.
图 中 器 件 从 上 到 下 依 次 为 相
机
、
管镜
、
显微物镜
、
样品
、
平面阵列
光 源
.
图
(
)
是改进后的傅里叶叠层显微成像 装 置示意 图
,
使用 圆 弧 形 阵 列
光 源 旋 转 照 明 装 置 代 替
图
(
)
中平面阵列
光源
,
其 余 器 件 与 图
(
)
中的相同
.
图
给出 了
发光 强度 与出 射角 度
的关系曲 线
,
对于 任意 一个
子光 源
,
实际 发出
的是一个近似圆锥形 的 发散光 束
,
出射光 强 随角度
变化
.
中心光束
(
图
中 的
方 向 光 束
)
发 光
强度最高
,
且随角 度 增加发 光 强度迅 速 下降
.
使用
平面阵列
光源照明样品时
,
光强由中心子光源
向边缘递减
,
因此需要根据照明实际情况
,
相应调整
相机的曝光 时 间
.
一 方 面 增 加 了 拍 摄 程 序 的 复 杂
度
;
另一方面
,
增加曝光时间提高了图像采集的时间
成本
;
而且由于大角度照明样品时照明亮度较低
,
虽
然提高了拍摄时的曝光时间
,
但图像信噪比仍较低
,
不利于大角度照明条 件 下样品 的 图像拍 摄
,
阻碍了
傅里叶叠层显微 成 像 技 术 的 推 广 应 用
.
图
(
)
所
示的弧形光源旋转 照 明装置 由 弧形阵 列
光源
和旋转台组成
.
弧形 阵列
光源 固定 在旋 转台
上
,
旋转台的转轴
、
显微物镜的光轴以及弧形光源的
圆弧直径三者重 合
,
样品设 置 在该圆 弧 圆心
.
弧形
阵列
光源由
(
N
)
个
子光源等间距分
布在一段圆弧内面构 成
,
弧形阵 列 光源中 心 的子光
源发出的中心光束和 显 微物镜 光 轴重合
,
其他子 光
源两两对称分布在中心子光源两侧
.
在旋转台带动
图
两种不同照明方式的成像装置比较
.
(
)
平面阵列
照明的
装置
;
(
)
弧形阵列
照明的
装置
下
,
弧 形 阵 列
光 源 绕 物 镜 光 轴 旋 转
,
每 旋 转
一 定 角 度
,
依 次 点 亮 一 对 对 称 的 子 光 源 中 的 一 个
,
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