前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的環(huán)形LED陣列光源顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：發(fā)光二極管（Light-emittingdiode，LED）是一種新型顯微照明光源。這種光源不但容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程控制，也易于排列成環(huán)形陣列光源。基于可編程的環(huán)形led陣列光源搭建的顯微成像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種顯微成像模式，例如差分相襯顯微成像和暗場顯微成像等。本文提供了一種環(huán)形LED陣列光源顯微成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了一些成像實(shí)例。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；顯微成像；成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1概述

雖然有許多先進(jìn)的顯微成像設(shè)備被發(fā)明，例如電子顯微鏡、原子力顯微鏡、熒光顯微鏡等，傳統(tǒng)的明場光學(xué)顯微鏡仍舊是生命科學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域不可替代的基本工具之一[1-4]。明場光學(xué)顯微鏡由照明光源、成像透鏡組，以及載物臺等部分組成。其中照明一般采用柯勒照明方式[1-4]，照明光由鹵素?zé)暨@類熱光光源加熱燈絲產(chǎn)生。熱光光源雖然具有發(fā)光光譜寬、照明亮度高等優(yōu)勢，但也存在光能轉(zhuǎn)化效率低，使用壽命短，需要散熱等缺點(diǎn)。而且，熱光光源燈絲要保證照明亮度，通常制成特定的彎曲形狀增大發(fā)光面積，只有使用復(fù)雜的光路，才能實(shí)現(xiàn)均勻的照明。相比之下，發(fā)光二極管（LED，Lightemittingdiode，LED）具有更高的發(fā)光效率，單色性好等優(yōu)點(diǎn)，而且LED本身具有聚光鏡結(jié)構(gòu)，LED芯片發(fā)出光線經(jīng)過聚光鏡，可形成發(fā)散角較小的光束，當(dāng)與樣品距離遠(yuǎn)大于樣品的尺寸時(shí)，照射在樣品上的光束可近似看作平行光，無需復(fù)雜的光路，也可以提供均勻且高亮的樣品照明，因此，LED正逐漸取代傳統(tǒng)照明光源，在顯微成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[5-9]。此外，單顆LED體積較小，便于各種形式排布，實(shí)現(xiàn)各種入射角的調(diào)制照明，這是其他光源難以做到的。本文根據(jù)顯微鏡成像系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合環(huán)形LED陣列光源，給出了一套顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并列舉出了該裝置的使用實(shí)例，例如、差分相位顯微成像[10,11]、暗場成像[12]。

2顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于環(huán)形LED陣列光源顯微成像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光場顯微成像、差分相位顯微成像、暗場顯微成像，需要對樣品進(jìn)行軸向掃描拍攝。下面給出了一種實(shí)現(xiàn)軸向掃描自動(dòng)化拍攝的顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)將包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。在軟件的編程控制下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的顯微成像拍攝。

2.1硬件設(shè)計(jì)

圖1所示是環(huán)形LED陣列光源顯微成像系統(tǒng)的硬件部分，由環(huán)形LED陣列光源，無限遠(yuǎn)校正顯微成像系統(tǒng)，機(jī)械樣品位移臺以及成像探測器構(gòu)成。其中環(huán)形LED陣列光源提供高亮且均勻的角度調(diào)制照明。在顯微成像系統(tǒng)中環(huán)形LED陣列光源被放置在樣品正下方，其所在平面垂直于光軸，光軸穿過環(huán)形LED陣列光源中心，LED指向決定照明數(shù)值孔徑，要求與當(dāng)前顯微物鏡數(shù)值孔徑一致，與不同數(shù)值孔徑的物鏡匹配可采用多種環(huán)LED陣列光源，根據(jù)需要控制其點(diǎn)亮環(huán)與所使用的物鏡照明數(shù)值孔徑匹配。成像系統(tǒng)中，所使用的無限遠(yuǎn)顯微系統(tǒng)由物鏡和管鏡構(gòu)成，通過物鏡的光線在物鏡后不直接成像，而是形成平行光束，進(jìn)入管鏡，在管鏡一倍焦距附成像，成像探測器感光面與管鏡后焦面重合。為了便于自動(dòng)對焦、尋找感興趣區(qū)域，以及軸向掃描完成三維測量，機(jī)械樣品位移臺由一個(gè)長程二維水平X-Y位移裝置和一個(gè)長程高精度Z軸向位移臺組成，樣品托架被固定在位移臺頂端，位于環(huán)形LED陣列光源正上方。二維水平X-Y位移裝置的作用是在水平方向大范圍調(diào)整樣品位置，便于尋找感興趣區(qū)域，而Z軸向位移臺帶動(dòng)樣品托架，實(shí)現(xiàn)高精度光軸z方向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對焦并獲取樣品不同層的顯微圖像。樣品托架用于固定待測樣品。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件部分由拍攝準(zhǔn)備程序段和拍攝程序段兩部分構(gòu)成。準(zhǔn)備程序包括光源初始化程序、位移臺初始化程序和相機(jī)初始化程序，在選擇成像模式時(shí)自動(dòng)開啟。圖2是拍攝程序設(shè)計(jì)流程圖。圖2環(huán)形LED陣列光源顯微成像系統(tǒng)拍攝程序設(shè)計(jì)流程圖初始化程序段是為了計(jì)算機(jī)與檢測硬件間的通信狀態(tài)，一般相機(jī)初始化程序較復(fù)雜，因此一般先從檢測相機(jī)的初始化，調(diào)試順利執(zhí)行后，再進(jìn)行其他初始化操作。

3環(huán)形LED陣列光源顯微成像實(shí)驗(yàn)

采用上述設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)多種成像模式，且可以應(yīng)用不用倍數(shù)物鏡，這里分別采用100倍物鏡和20倍物鏡分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

3.1差分相襯顯微成像

實(shí)驗(yàn)中采用的環(huán)形LED陣列光源如圖3所示。該光源由60顆參數(shù)完全相同的LED燈珠等間隔排列在環(huán)形內(nèi)面，外徑176mm，內(nèi)徑140mm，整體厚度15mm，發(fā)光功率24W，外殼采用鋁合金材質(zhì)，便于散熱。光源發(fā)光中心波長520nm，帶寬10nm，該光源被放在下樣品正下方，光源面與樣品平面平行，光軸經(jīng)過光源中心，入射角為~64°，計(jì)算得到照明數(shù)值孔徑NA=0.9。剛好與尼康100倍（平場消色差物鏡，NA=1.25）顯微物鏡數(shù)值孔徑匹配。無限遠(yuǎn)顯微成像光學(xué)系統(tǒng)使用一臺標(biāo)準(zhǔn)透射式的明場顯微鏡（Nikon80-i）機(jī)架來搭建。使用高速灰度CMOS相機(jī)（Andor，Zyla4.2P）對樣品進(jìn)行拍攝。機(jī)械樣品位移臺中樣品托架采用懸臂式結(jié)構(gòu)如圖2所示，樣品被固定在一端，為保證水平需要在另一端調(diào)整配重，保證z軸位移臺受力平衡。樣品托架選擇重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高的鈦合金作為制作材料。高精度z軸向位移臺使用納米級z軸位移臺（PIHeraPiezoLinearStage，P-621.1CD），閉環(huán)總調(diào)節(jié)范圍100μm，精度0.4nm。樣品為未染色的硅藻固定裝片。設(shè)置拍攝位置，照明模式按照上半環(huán)LED燈點(diǎn)亮，拍攝得到圖像I1如圖4（a）所示，上半環(huán)LED燈熄滅，下半環(huán)LED燈點(diǎn)亮，拍攝圖像得到圖像I2如圖4（b）所示，根據(jù)公式差分相襯顯微圖像Id=（I1-I2）/（I1+I2），計(jì)算出差分相襯顯微圖像如圖4（c）所示，可以看到經(jīng)過計(jì)算后的圖像中硅藻結(jié)構(gòu)更加清晰了。

3.2暗場顯微成像

實(shí)驗(yàn)中采用的環(huán)形LED陣列光源、無限遠(yuǎn)顯微成像光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械樣品位移臺與3.1節(jié)差分相襯顯微成像實(shí)驗(yàn)中完全相同，為實(shí)現(xiàn)暗場成像，采用20倍尼康物鏡（平場消色差物鏡，NA=0.4）。設(shè)置拍攝位置，照明開啟全部LED燈進(jìn)行拍攝，樣品為未染色的草履蟲固定裝片。

4結(jié)論

本文簡要介紹了一種基于環(huán)形LED陣列光源搭建的顯微成像系統(tǒng)，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建了實(shí)驗(yàn)成像系統(tǒng)，拍攝了兩種模式的成像結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

作者：馬驍 顏曉萌 單位：廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院