前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的环形LED阵列光源显微成像系统设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：发光二极管（Light-emittingdiode，LED）是一种新型显微照明光源。这种光源不但容易实现计算机编程控制，也易于排列成环形阵列光源。基于可编程的环形led阵列光源搭建的显微成像系统，可以实现多种显微成像模式，例如差分相衬显微成像和暗场显微成像等。本文提供了一种环形LED阵列光源显微成像系统的设计方案，并给出了一些成像实例。
关键词：发光二极管；显微成像；成像系统设计
1概述
虽然有许多先进的显微成像设备被发明，例如电子显微镜、原子力显微镜、荧光显微镜等，传统的明场光学显微镜仍旧是生命科学、材料学等领域不可替代的基本工具之一[1-4]。明场光学显微镜由照明光源、成像透镜组，以及载物台等部分组成。其中照明一般采用柯勒照明方式[1-4]，照明光由卤素灯这类热光光源加热灯丝产生。热光光源虽然具有发光光谱宽、照明亮度高等优势，但也存在光能转化效率低，使用寿命短，需要散热等缺点。而且，热光光源灯丝要保证照明亮度，通常制成特定的弯曲形状增大发光面积，只有使用复杂的光路，才能实现均匀的照明。相比之下，发光二极管（LED，Lightemittingdiode，LED）具有更高的发光效率，单色性好等优点，而且LED本身具有聚光镜结构，LED芯片发出光线经过聚光镜，可形成发散角较小的光束，当与样品距离远大于样品的尺寸时，照射在样品上的光束可近似看作平行光，无需复杂的光路，也可以提供均匀且高亮的样品照明，因此，LED正逐渐取代传统照明光源，在显微成像领域发挥着越来越重要的作用[5-9]。此外，单颗LED体积较小，便于各种形式排布，实现各种入射角的调制照明，这是其他光源难以做到的。本文根据显微镜成像系统特点，结合环形LED阵列光源，给出了一套显微成像系统设计思路，并列举出了该装置的使用实例，例如、差分相位显微成像[10,11]、暗场成像[12]。
2显微成像系统设计
由于环形LED阵列光源显微成像系统，可以实现光场显微成像、差分相位显微成像、暗场显微成像，需要对样品进行轴向扫描拍摄。下面给出了一种实现轴向扫描自动化拍摄的显微成像系统设计方案，该系统将包括硬件设计和软件设计两部分。在软件的编程控制下，实现自动化的显微成像拍摄。
2.1硬件设计
图1所示是环形LED阵列光源显微成像系统的硬件部分，由环形LED阵列光源，无限远校正显微成像系统，机械样品位移台以及成像探测器构成。其中环形LED阵列光源提供高亮且均匀的角度调制照明。在显微成像系统中环形LED阵列光源被放置在样品正下方，其所在平面垂直于光轴，光轴穿过环形LED阵列光源中心，LED指向决定照明数值孔径，要求与当前显微物镜数值孔径一致，与不同数值孔径的物镜匹配可采用多种环LED阵列光源，根据需要控制其点亮环与所使用的物镜照明数值孔径匹配。成像系统中，所使用的无限远显微系统由物镜和管镜构成，通过物镜的光线在物镜后不直接成像，而是形成平行光束，进入管镜，在管镜一倍焦距附成像，成像探测器感光面与管镜后焦面重合。为了便于自动对焦、寻找感兴趣区域，以及轴向扫描完成三维测量，机械样品位移台由一个长程二维水平X-Y位移装置和一个长程高精度Z轴向位移台组成，样品托架被固定在位移台顶端，位于环形LED阵列光源正上方。二维水平X-Y位移装置的作用是在水平方向大范围调整样品位置，便于寻找感兴趣区域，而Z轴向位移台带动样品托架，实现高精度光轴z方向调节，实现自动对焦并获取样品不同层的显微图像。样品托架用于固定待测样品。
2.2软件设计
软件部分由拍摄准备程序段和拍摄程序段两部分构成。准备程序包括光源初始化程序、位移台初始化程序和相机初始化程序，在选择成像模式时自动开启。图2是拍摄程序设计流程图。图2环形LED阵列光源显微成像系统拍摄程序设计流程图初始化程序段是为了计算机与检测硬件间的通信状态，一般相机初始化程序较复杂，因此一般先从检测相机的初始化，调试顺利执行后，再进行其他初始化操作。
3环形LED阵列光源显微成像实验
采用上述设计方案可以实现多种成像模式，且可以应用不用倍数物镜，这里分别采用100倍物镜和20倍物镜分别进行实验，验证设计方案的可行性。
3.1差分相衬显微成像
实验中采用的环形LED阵列光源如图3所示。该光源由60颗参数完全相同的LED灯珠等间隔排列在环形内面，外径176mm，内径140mm，整体厚度15mm，发光功率24W，外壳采用铝合金材质，便于散热。光源发光中心波长520nm，带宽10nm，该光源被放在下样品正下方，光源面与样品平面平行，光轴经过光源中心，入射角为~64°，计算得到照明数值孔径NA=0.9。刚好与尼康100倍（平场消色差物镜，NA=1.25）显微物镜数值孔径匹配。无限远显微成像光学系统使用一台标准透射式的明场显微镜（Nikon80-i）机架来搭建。使用高速灰度CMOS相机（Andor，Zyla4.2P）对样品进行拍摄。机械样品位移台中样品托架采用悬臂式结构如图2所示，样品被固定在一端，为保证水平需要在另一端调整配重，保证z轴位移台受力平衡。样品托架选择重量轻、机械强度高的钛合金作为制作材料。高精度z轴向位移台使用纳米级z轴位移台（PIHeraPiezoLinearStage，P-621.1CD），闭环总调节范围100μm，精度0.4nm。样品为未染色的硅藻固定装片。设置拍摄位置，照明模式按照上半环LED灯点亮，拍摄得到图像I1如图4（a）所示，上半环LED灯熄灭，下半环LED灯点亮，拍摄图像得到图像I2如图4（b）所示，根据公式差分相衬显微图像Id=（I1-I2）/（I1+I2），计算出差分相衬显微图像如图4（c）所示，可以看到经过计算后的图像中硅藻结构更加清晰了。
3.2暗场显微成像
实验中采用的环形LED阵列光源、无限远显微成像光学系统、机械样品位移台与3.1节差分相衬显微成像实验中完全相同，为实现暗场成像，采用20倍尼康物镜（平场消色差物镜，NA=0.4）。设置拍摄位置，照明开启全部LED灯进行拍摄，样品为未染色的草履虫固定装片。
4结论
本文简要介绍了一种基于环形LED阵列光源搭建的显微成像系统，并根据设计方案搭建了实验成像系统，拍摄了两种模式的成像结果，验证了设计方案的可行性。
作者：马骁 颜晓萌 单位：广东交通职业技术学院