(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210430979.0 (22)申请日 2022.04.22 (66)本国优先权数据 202111619091.3 2021.12.27 CN (71)申请人 中国科学院西安 光学精密机 械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 陈晓义　杜卓航　段亚轩　 (74)专利代理 机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 6121 1 专利代理师 王少文 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/27(2006.01)G01N 21/84(2006.01) (54)发明名称 一种基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像 装置及方法 (57)摘要 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 。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114624193 A 2022.06.14 CN 114624193 A 1.一种基于宽光谱偏焦相位恢 复的生物成像装置， 其特征在于： 包括照明单元、 分束镜 (7)、 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(7)， 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(7)反射 光路依次设置的第三透 镜(8)和光谱仪(9)； 所述生物成像单元包括沿分束镜(7)透射光路依次设置的第四透镜(12)和探测器 (13)； 所述分束镜(7)与第四透 镜(12)之间用于放置待测生物样品(10)； 所述探测器(13)在第四透镜(12)的负离焦面A、 焦平面B及正离焦面C位置处接收相应 的探测光强； 定义透射光束传输方向为正方向， 所述负离焦面A与焦平面B的距离为 ‑Δz， 所述正离 焦面C与焦平面B的距离为Δ z， 其中f为第四透 镜(12)的焦距。 2.根据权利要求1所述的基于宽光谱偏焦相位恢 复的生物成像装置， 其特征在于： 还包 括一维平移台(14)， 所述 一维平移台(14)用于放置 探测器(13)。 3.根据权利要求1或2所述的基于宽光谱偏焦相位恢复的生物成像装置， 其特征在于： 还包括二维平移台(11)， 所述二维平移台(11)用于放置生物样品(10)。 4.根据权利要求3所述的基于宽光谱偏焦相位恢 复的生物成像装置， 其特征在于： 所述 照明单元采用柯勒照明， 包括白光光源(1)、 沿白光光源(1)出射光路依次设置的第一透镜 (2)、 第二透 镜(5)以及滤光片(6)。 5.根据权利要求4所述的基于宽光谱偏焦相位恢 复的生物成像装置， 其特征在于： 所述 照明单元还包括依次设置在第一透镜(2)和第二透镜(5)之间的第一光阑(3)和第二光阑 (4)。 6.一种基于 宽光谱偏焦相位恢复的生物成像方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)光谱仪(9)测量宽光谱照明光的光谱成分 光谱仪(9)测量宽光谱照明光的光谱成分， 得到宽光谱照明光中的波段组成： λ＝ [λ1,···· λi,···λn]， i∈[1,n]， λi表示第i个波长信息， 各个波长所占权重α＝ [α1,···· αi,···αn]， 并且α1+···αi+···αn＝1； 2)宽光谱偏焦技 术获得探测光强 探测器(13)依次在距离焦平面 ‑Δz的负离焦面A、 焦平面B和距离焦平面Δz的正离焦 面C三个位置处探测， 获取相应的三个探测光强I‑Δz(x1,y1)， If(x2,y2)和IΔz(x3,y3)； 其中， (x1,y1)， (x2,y2)和(x3,y3)分别为负离焦面A、 焦平面B和正离焦面C的坐标， 离焦量 f为第四透 镜(12)的焦距； 3)基于宽光谱相位恢复方法实现生物样品成像 3.1)初始假设焦平面B光场分布为： Uf(x2,y2)＝[α1Uf(x2,y2, λ1),···αiUf(x2,y2, λi),···αnUf(x2,y2, λn)]， i∈[1,n]； 其中， Uf(x2,y2, λi)＝exp[j φf(x2,y2, λi)]， φf(x2,y2, λi)为波长λi对应的相位假设初 值， 定义迭代次数为m， m为大于等于1的整数， 初始迭代次数m＝1； 3.2)焦平面B光场Uf(x2,y2)正向衍射传输至正离焦面C， 正离焦面C光场分布为： UΔz(x3,y3)＝Pweight[Uf(x2,y2),Δz]＝{α1P[Uf(x2,y2, λ1),Δz],···αiP[Uf(x2,y2,权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114624193 A 2λi),Δz],···αnP[Uf(x2,y2, λn)],Δz}； 其中， Pweight为多波长权重角谱传输算子， P为单波长角谱传输算子； 3.3)用正离焦面C实际的探测光强IΔz(x3,y3)， 替代正离焦面C的计算光强， 保留相位， 求得更新的正离焦面C光场分布U'Δz(x3,y3)； 3.4)更新的正离焦面C光场U'Δz(x3,y3)逆向传输至焦平面， 焦平面B的更新光场分布为 3.5)用焦平面B实际的探测光强If(x2,y2)， 替代焦平面B的计算光强， 保留相位， 求得更 新的焦平面B光场分布 3.6)更新的焦平面B光场分布 逆向传输至负离焦面A， 负离焦面A的光场分布 为 3.7)用负离焦面A实际的探测光强I‑Δz(x1,y1)， 替代负离焦面A的计算光强， 保留相位， 求得更新的负离焦面A光场分布U'‑Δz(x1,y1)； 3.8)更新的负离焦面A光场U'‑Δz(x1,y1)正向传输至焦平面B， 焦平面B的更新光场分布 为 3.9)用焦平面B实际的探测光强If(x2,y2)， 替代焦平面B的计算光强， 保留相位， 求得更 新的焦平面B光场分布 3.10)更新的焦平面B光场 逆向传输至生物样品面， 获得生物样品面的光场 分布为： 其中， Γweight为多波长权重透镜传 输算子， Γ为单波长透镜传 输算子， (x0,y0)为生物样 品面的坐标； 3.11)计算误差评价函数MSE或均方根RMS， 当误差评价函数MSE或均方根RMS小于相应 的阈值时， 迭代 停止， 执行3.12)； 否则， m＝m+1， 返回3.2)； 3 .12)根据更新的焦平面B光场 求得生物样品(10)的相位分布： 实现生物样品成像， 其中Angle代 表求相位操作。 7.根据权利要求6所述的一种基于 宽光谱偏焦相位恢复的生物成像方法， 其特 征在于： 步骤3.3)中， 所述更新的正离焦面C光场分布U'Δz(x3,y3)通过以下公式获得： 步骤3.5)中， 所述更新的焦平面B光场分布 通过以下公式获得： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114624193 A 3