南京理工大学科技成果——基于智能计算成像的三维定量
相位显微镜（SCscope）
成果简介：
本成果针对三维显微成像的技术难点，实现了基于可编程LED阵列的明场、暗场、差分相衬与高分辨率光场成像、基于光强传输方程和电控变焦透镜的非干涉动态三维相位成像、基于最优哈达码编码和频域合成孔径的大视场超分辨率吉像素成像等功能，突破当前显微系统存在的依赖于染色标记等侵入式成像手段、分辨率与视场大小难以同时兼顾以及系统日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护的技术与使用瓶颈，获得了高性能智能化三维显微成像系统。
具体功能包括：
（1）基于可编程LED阵列的明场、暗场、差分相衬与高分辨率光场成像技术不同于传统显微镜所采用的固定照明，本成果创新性地采用可编程LED阵列作为照明光源，赋予了显微镜照明孔径、照明角度和光源相干性的灵活可调的能力。在此基础上实现了明场、暗场以及差分相衬成像等多模式显微功能，且不需要借助任何专用的显微物镜。此外利用可编程LED阵列产生的可控多角度照明，实现了高分辨率多角度光场成像，不损失空间分辨率。与传统显微系统仅能提供单一的正视图相比，本成果可实现成像视角的灵活可控，即可以从三维空间中以多个视角观察待测样品，这项功能赋予了传统显微镜额外的自由度。
（2）基于光强传输方程和电控变焦透镜的非干涉动态三维定量
相位成像技术抛弃了传统显微成像系统中的纵向机械对焦系统，本成果采用电控变焦透镜作为快速轴向扫描装置，赋予了显微镜快速、电控、恒定放大率的焦距切换的功能。基于求解光强传输方程，并配合电控变焦透镜作为快速轴向扫描装置，以非干涉的方式实现动态定量相位成像。可以实时获得生物细胞样品的三维形貌，并且结果具有纳米级的轴向分辨率。该方法无需对细胞进行染色或其他侵入式处理，避免了传统荧光探针对细胞活性产生的不利影响，实现了安全无损的三维细胞显微成像，并可用于定量的标准化分析与诊断。相比于传统基于全息干涉显微的定量相位成像方法，本成果采用了非相干LED光源实现定量相位恢复，避免了相干噪声与传统干涉法中的相位解包裹问题，显著提高成像质量与空间分辨率。
（3）基于最优哈达码编码和频域合成孔径的大视场超分辨率吉比特成像技术在低倍物镜下，利用基于最优哈达码编码技术和频域合成孔径技术，配合LED阵列产生的快速变化的编码照明光，最终实现超大视场、高分辨率的吉比特成像，大大提升了显微系统的空间带宽积，突破了传统显微镜分辨率与视场大小难以同时兼顾的矛盾。即可以在保持2倍物镜成像大视场下达到20倍物镜的成像分辨率，最终重构图像具有吉比特的超高分辨率。此外，与常规显微镜系统的高精度机械扫描和后期空域图像拼接方法相比，本成果无需任何机械扫描结构，从而大大降低了系统的成本。
技术指标：
本成果的主要技术指标包括：显微成像模式、放大率、横向分辨
率、视场大小、相位测量精度、轴向测量精度、垂直测量范围等，具体参数如表1所示。 表1目标仪器主要技术指标
名称指标
明场、暗场、差分相称、三维相位成像、
显微模式
光场成像、吉比特超分辨率成像
物镜放大倍率 物镜数值孔径 横向分辨率（μm） 横向视场（㎜2） 相位测量精度 相位测量速度 垂直分辨率
换算而成）
0-100μm（测量微光学元件，折射率n取
垂直测量范围
1.5换算）
空间带宽积（μm×㎜2） 图像重构分辨率 项目水平：国际先进 成熟程度：样机
合作方式：合作开发、技术转让
2×，10×，20×，40×（可选配）
0.08，0.3，0.45，0.9 4.0，1.0，0.7，0.35 42，1.7，0.42，0.10 0.03rad（RMS） 33ms（30fps）
10nm（测量微光学元件，折射率n取1.5
0.7×42（吉比特成像时） 1280×960×32×32（≈1.17Gbit）
南京理工大学科技成果 - 基于智能计算成像的三维定量相位显微镜(SCscope)
