CN104345438A - 基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法，采用电控变焦透镜作为一种快速的轴向扫描装置，通过物象双侧远心的光学设计，采用4f成像***实现恒定放大率的轴向扫描，将采集到的一系列光强分布通过求解光强传输方程，可实现相位信息的定量获取。本发明可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，大大提高了***的采集速度以及准确度，将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，特别适用于动态相位显微成像领域的相关应用。

Description

基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法

技术领域

本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程的动态定量显微成像装置及其方法。

背景技术

相位恢复是光学测量与成像技术的一个重要课题，无论在生物医学还是工业检测领域，相位成像技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量近半个世纪的进展，最经典的相位测量方法应该非干涉测量法莫属。然而，干涉测量法的缺点也十分明显：干涉测量一般需要高度相干性的光源(如激光)，从而需要较为复杂的干涉装置；额外的参考光路的引入导致对于测量环境的要求变得十分苛刻；高相干性的光源引入的散斑相干噪声限制了成像***的空间分辨率与测量精度。

不同与干涉测量，另一类非常重要的相位测量技术并不需要借助干涉，它们统称为相位恢复。由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅/强度十分容易。因此，可以将由强度分布来恢复(估算)相位这一过程考虑为一个数学上的“逆问题”，即相位恢复问题。相位恢复方法还可细分为迭代法与直接法。光强传输方程法是相位恢复方法中的一种典型的直接法。光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，其阐明了沿着光轴方向上光强度的变化量与光轴垂直的平面上光波的相位的定量关系。在光强轴向微分以及光强分布已知的情况下，通过数值求解光强传输方程可直接获取相位信息。相比与干涉法与迭代相位恢复法，其主要优点包括：(1)非干涉，仅仅通过测量物面光强直接求解相位信息，不需要引入额外参考光；(2)非迭代，通过直接求解微分方程获得相位；(3)可以很好的应用于白光照明，如传统明场显微镜中的科勒照明( )；(4)无需相位解包裹，直接获取相位的绝对分布，不存在一般干涉测量中的2π相位包裹问题；(5)无须复杂的光学***，对于实验环境没有苛刻的要求，振动不敏感。

光强传输方程法需要采集不同离焦面上的光强信息。为了采集这些离焦光强图像，通常需要采用一个4f***对物体进行成像([1]L.Waller,Y.Luo,S.Y.Yang,and G.Barbastathis,"Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope,"Opt.Lett.35,2961-2963(2010).)，光路结构如图1所示。其中光源经过扩束准直后照射物平面上的待测物体，经过傅里叶变换透镜L₁在透镜后焦面，即傅里叶变换平面(频谱面)形成物体的傅里叶变换频谱，经过频谱滤波后通过傅里叶变换透镜L₂，在像面形成物体的像。由于4f***中物象呈严格共轭关系，所以通过移动物平面或者移动图像平面(相机)都可以获得物体离焦面上的光强信息。这两种方式在本质上是等价的，但考虑横向与轴向放大率之间的关系，物面离焦距离与相面离焦距离之间的比例会相差的比例系数。

图1所示的4f***相比于单个透镜的成像***，最大的特点在于其远心光路结构。传统非远心成像***仅仅采用透镜L₁进行成像，在成像面会产生额外的球面像差，这将会导致光学***的放大率随着离焦距离的变化而改变，从而使问题复杂化。其实这个问题在显微镜的设计中早已被考虑到了。远心光路的成像结构在显微镜中又称为无限远校正光学***，如图2所示。无限远校正光学***中，标本通过物镜的光线不再由物镜成像，而是作为无限远的平行光束进入镜筒透镜(tube lens)，由镜筒透镜成像。由于物镜与镜筒透镜之间为平行光线，其具有下述优点：改变成像面距离，倍率不会改变；物镜与成像透镜之间***平行平板元件(如偏振光学元件，滤波片等)，也能保持齐焦，成像不会发生偏移。对比图1与图2，可建立如下联系图1的准直透镜等价于无穷远校正显微镜中的聚光镜，而透镜L₁等价于显微镜中的显微物镜，透镜L₂等价于显微镜中的镜筒透镜，显微镜内部参数之间的关系如图右侧所示。其中镜筒透镜焦距范围取决于不同的制造商，一般在160至200毫米之间。所以本质上而言，无穷远校正显微镜本身就是一套理想的远心成像***，所以可直接将显微镜采集的光强图像用于光强传输方程相位恢复。只需要简单地移动显微镜的载物台，或者移动显微镜相机接口处的相机平面，就可以获得不同聚焦面上的等倍率的离焦光强图像了。

算法的非迭代性是光强传输方程法固有的一大优势，然而该方法本身需要获得光强的轴向微分，从而需要采集两个或多个与光轴垂直的平面上的光强分布，正如前面介绍的***，这一般需要通过移动待测物体或者相机实现。这无可避免地降低了数据采集的速度，使该方法难以应用于高速、动态、甚至实时测量场合，从而丧失了其相对于迭代相位恢复方法的最大优势。针对此问题，近年来，关于改进光强传输方程法强度记录方式的研究也层出不穷，它们共同的目的是避免强度图像采集中所引入的机械移动：如通过体全息分束形成多幅强度图像([2]L.Waller,Y.Luo,S.Y.Yang,and G.Barbastathis,"Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope,"Opt.Lett.35,2961-2963(2010).)，通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取三幅光图像([3]L.Waller,S.S.Kou,C.J.R.Sheppard,and G.Barbastathis,"Phase from chromaticaberrations,"Opt.Express 18,22817-22825(2010).)，通过微流体设备使样品自动离焦([4]S.S.Gorthi and E.Schonbrun,"Phase imaging flow cytometry using a focus-stackcollecting microscope,"Opt.Lett.37,707-709(2012).)等。尽管这些方法可以避免采取强度图像所引入的机械移动，但相位重建的准确度上仍然较低，且需要特殊的成像元件，如体全息与流式细胞仪，降低了这些***的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法，以解决基于光强传输方程的定量相位显微成像问题，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***，包括显微成像***，该显微成像***包括集光镜、聚光镜孔径光阑、聚光镜、待测样品、显微物镜、反射镜与镜筒透镜，其中集光镜将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑，聚光镜孔径光阑大小可调，控制照明的通光孔径，通光聚光镜孔径光阑发散后又被聚光镜收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜收集，并经过镜筒透镜放大后成像在显微镜相机端口的图像平面，该光强传输相位显微***还有一个包含电控变焦透镜的4f***，所述的包含电控变焦透镜的4f***包括第一透镜L₁、第二透镜L₂、电控变焦透镜组以及单色CCD相机，第一透镜L₁、第二透镜L₂的焦距f＝f₁＝f₂，其中电控变焦透镜组包含一个电控变焦透镜与平凸的电控变焦透镜与一个焦距f_OL为-100mm的补偿透镜，二者紧贴在一起，间距为d；第一透镜L₁和第二透镜L₂构成一个标准的4f成像***，即第一透镜L₁到显微镜图像平面的端口的距离为f1，第二透镜L₂11到CCD相机成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的距离是f1+f2，电控变焦透镜组放置于4f***的傅里叶平面，即第一透镜L₁和第二透镜L₂之间，距离第一透镜L₁的距离为f1，距离第二透镜L₂的距离为f2，可编程电流源控制电流切换以驱动电控变焦透镜，并产生触发脉冲使之精确地与CCD相机实现同步，从而可实现高速变焦，同步采集。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，从而大大提高了***的采集速度以及准确度。***可以作为附件无缝驳接到传统明场显微镜的相机接口，结合本发明的方法，可赋予传统明场显微镜实时、高速定量相位显微的能力，从而将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，特别适用于动态相位显微成像领域的相关应用。(2)本发明已成功应用于生物医学活体细胞显微成像领域，针对乳腺癌细胞细胞膜与片状伪足的浮动过程实现了高分辨率动态定量相位三维显微成像，其对研究细胞的动态过程，如细胞***、迁移、以及药物反应等生物医学领域具有广泛的应用前景。(3)本发明还具有光强传输相位成像方法的诸多固有优点，如不存在散斑噪声、无需相位解包裹等。实验结果证明了基于变焦透镜的光强传输显微***及其方法是一种非常简单、有效的定量相位成像工具。

附图说明

图1是传统光强传输方程所采用的实验装置原理图——4f成像***。

图2是无限远校正光学显微镜的原理图与内部参数之间的关系图。

图3是本发明基于光强传输方程的动态定量显微成像***中的基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***原理图。

图4是图3的基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***中包含电控变焦透镜的4f***-2的原理图。

图5(a)—图5(c)是对单一活细胞(MCF-7)进行动态定量相衬成像时离焦距离分别为-2.5,0,2.5μm对应的光强分布。

图5(d)是对单一活细胞(MCF-7)进行动态定量相衬成像时恢复的相位分布图。

图5(e)是对单一活细胞(MCF-7)进行动态定量相衬成像时细胞厚度的伪彩色三维显示图。

具体实施方式

本发明基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***，采用电控变焦透镜作为一种快速的轴向扫描装置，通过物象双侧远心的光学设计，采用4f成像***实现恒定放大率的轴向扫描，将采集到的一系列光强分布通过求解光强传输方程，可实现相位信息的定量获取。

本发明基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***的光学结构如图3所示，其基于两部分构成，一部分为显微成像***1，另一部分是一个包含电控变焦透镜的4f***2，这两部分在图3中分别由虚线框标出。所述的显微成像***1可直接采用现有的显微镜***，也可以自行构建，其主要包括集光镜3、聚光镜孔径光阑4、聚光镜5、待测样品6、显微物镜7、反射镜8、与镜筒透镜9，其中集光镜3将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑4，聚光镜孔径光阑大小可调，控制照明的通光孔径，通光聚光镜孔径光阑4发散后又被聚光镜5收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜7收集，并经过镜筒透镜9放大后成像在显微镜相机端口的图像平面10。

所述的包含电控变焦透镜的4f***2包括第一透镜L₁11、第二透镜L₂13、电控变焦透镜组12以及单色CCD相机14，第一透镜L111、第二透镜L213的焦距f＝f₁＝f₂，其中电控变焦透镜组12包含电控变焦透镜16与补偿透镜15，二者紧贴在一起，间距为d；第一透镜L₁11和第二透镜L₂13构成一个标准的4f成像***，即第一透镜L₁11到显微镜图像平面10的端口的距离为f1，第二透镜L₂11到CCD相机14成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的距离是f1+f2，电控变焦透镜组12放置于4f***的傅里叶平面，即第一透镜L₁11和第二透镜L₂13之间，距离第一透镜L₁11的距离为f1，距离第二透镜L₂13的距离为f2，可编程电流源17控制电流切换以驱动电控变焦透镜16，并产生触发脉冲使之精确地与CCD相机14实现同步，从而可实现高速变焦，同步采集。

上述包含电控变焦透镜的4f***2是***的核心部分，包括第一透镜L₁11、第二透镜L₂13、电控变焦透镜组12以及单色CCD相机14(采用The Imaging Source DMK41AU02,1280×960,4.65μm pixel size,15fps)。第一透镜L₁11、第二透镜L₂13的焦距f＝f₁＝f₂＝150mm。其具体框图可参见图4。其中电控变焦透镜组12包含一个电控变焦透镜16与一个焦距f_OL为-100mm的补偿透镜15，电控变焦透镜16与补偿透镜15紧贴在一起，间距为d(一般为2-5mm)。所采用的电控变焦透镜型号为EL-C-10-30-VIS-LD,Optotune AG,Switzerland，其可调焦距f_ETL范围从+50到+200mm，通光孔径为10mm。第一透镜L₁11和第二透镜L₂13构成一个标准的4f成像***，即：第一透镜L₁11到显微镜图像平面10的端口的距离为f1＝150mm，第二透镜L₂11到CCD相机14成像平面的端口的距离为f2＝150mm，两透镜之间的距离是f1+f2＝300mm。而电控变焦透镜位于4f成像***的傅立叶平面。电控变焦透镜组12放置于4f***的傅里叶平面，即第一透镜L₁11和第二透镜L₂13之间，距离第一透镜L₁11的距离为f1＝150mm，距离第二透镜L₂13的距离为f2＝150mm。注意本施例中选取L₁和L₂的焦距是相同的，但是实际上它们可以选用不同的焦距，这里为了方便起见以f＝f₁＝f₂＝150mm说明。

本发明基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***由于采用了4f成像***结构，且限制***光阑的电控变焦透镜组12位于4f***的傅里叶平面，所以该成像***具有物像，双侧远心的特点，这这保证了***聚焦面的改变不会引入额外的二次相位畸变，从而保证所采集到的离焦图像序列都是等放大率的。在非远心成像***中，随着物象之间距离的改变，最终采集到的图像中物体具有不同的放大率。从而需要再对图像进行缩放、配准等后续处理，这不但复杂了数据处理过程，而且潜在地引入了额外的误差。本***的远心性可以非常直观地通过物理光学来解释，因为其仿效了光波角谱传播的过程。从角谱传播的角度来看，光波场u₀(x,y)从原始聚焦平面传播到距离其为Δz的离焦平面u_Δz(x,y)的过程可以通过如下的角谱衍射公式表述

u_Δz(x,y)＝F^-1{F {u₀(x,y)}H_Δz(u,v)}     (1)

其中F代表傅里叶变换，(u,v)是与空间坐标(x,y)相对应的频域坐标。函数H是角谱自由空间传播的传输函数，在傍轴近似下其表达式为

H_Δz(u,v)＝exp[-iπλΔz(u²+v²)]      (2)

注意因为探测器只能探测到光波场的光强，所以这里省略了常数相位因子exp(ikΔz)，其中i是虚数单位，λ为波长。式(1)的离散形式被称为是(基于菲涅耳近似的)角谱数值衍射法，其广泛应用于数字全息的重建过程。角谱数值衍射法的一大优点在于其可以保持输入图像尺寸不变，并与传播距离Δz无关，即保证了远心性。本发明采用电控变焦透镜结合补偿透镜，从物理上实现角谱自由空间的传输函数。在傍轴近似下，电控变焦透镜组12的相位调制作用可以被表示为

$t_l(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\exp [-\frac{\mathrm{i\π}}{{\mathrm{\λf}}_c}({\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2)]---\left(3\right)$

其中f_c为电控变焦透镜组12的焦距，其可以表达为

$f_c=\frac{f_{\mathrm{ETL}}{f}_{\mathrm{OL}}}{f_{\mathrm{ETL}}+f_{\mathrm{OL}}-d}---\left(4\right)$

这里d是电控变焦透镜16与补偿透镜15之间的间距，(ξ,η)是4f***中傅里叶平面(即电控变焦透镜组12所在平面)对应的空间坐标。注意由于d很小(约为4mm)，而f_c要比两个透镜的距离要大的多，这里简化认为组合透镜12是“薄透镜”。对比式(3)与式(2)可以发现，电控变焦透镜组12的相位调制作用t_l(ξ,η)与角谱自由空间传播传输函数的形式完全相同。通过建立傅里叶频域坐标(u,v)与4f***中傅里叶平面对应的空间坐标之间关系，可推导出离焦距离Δz与电控变焦透镜组12之间的关系

$\mathrm{\Δz}=\frac{f^2}{f_c}=\frac{f^2(f_{\mathrm{ETL}}+f_{\mathrm{OL}}-d)}{f_{\mathrm{ETL}}{f}_{\mathrm{OL}}}---\left(5\right)$

其中f是第一透镜L₁11和第二透镜L₂13的焦距(f＝150mm)。由于电控变焦透镜16的焦距f_ETL可以通过电流控制，离焦距离Δz就可以随之相应地改变，并且保持成像的放大率恒定。注意这里的离焦距离改变量均是针对于图像平面10的(放大后的物光场所在平面)，换算到实际载物台上待测样品6所对应的轴向移动应该为Δz/M²，其中M是所采用的显微物镜7的放大倍率。综上分析，本发明只需要通过通过电流控制电控变焦透镜16的焦距f_ETL，即可调节电控变焦透镜组12的焦距f_c，从而实现显微***的等倍率离焦。

本发明基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***利用可编程电流源17(精度高于0.01mA)，控制电流切换以驱动电控变焦透镜16，并产生触发脉冲使之精确地与CCD相机14实现同步，电控变焦速度的响应时间很快(15ms)，所以只需要足够快的对电流进行调节，即可实现实现高速变焦，同步采集。

虽然公式(5)描述了离焦距离Δz与电控变焦透镜16的焦距f_ETL之间所满足的关系，但这仅是理想情况下的理论值。实际上仍需采用单点源物体(如尺寸为500纳米的针孔，或聚乙烯荧光小球等)，置于高精度电控平移台的z轴上，通过平移台使单点源物体离焦Δz的距离，然后通过可编程电流源17输出电流x_I，改变电控变焦透镜16的焦距，直到小球重新聚焦。这样就建立了一组***离焦量Δz与调谐电流x_I的关联，依次类推测量出整套成像***任意离焦量Δz与调谐电流x_I的关系，即建立对应的查找表，该查找表的条目即为可编程电流源17输出电流x_I与整套成像***离焦量Δz实际成像时，所需要的离焦量可通过该查找表获得可编程电流源17输出电流，从而实现对成像***的聚焦平面所在位置的精准控制。

本发明利用基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***进行数据采集与重建方法，步骤如下：

第一步：采用高精度可编程电流源17编程控制成像***的离焦，CCD相机14同步采集欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像，分别记作I₊(x,y)，I(x,y)与I_-(x,y)，他们的离焦距离分别是Δz，0，-Δz，这里可以对Δz选取不同的值，但是一般来说该量不应过大(一般为2-5个微米)，以保证差分估计的精度。

将采集到的欠焦、过焦光强图像I_-(x,y)与I₊(x,y)按公式(6)进行数值差分，得到光强轴向微分

$\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\≈\frac{I_{+}(x,y)-I_{-}(x,y)}{2\mathrm{\Δz}}---\left(6\right)$

第二步：由光强轴向微分与聚焦光强图像I(x,y)，通过公式(7)求解光强传输方程，得到相位φ(x,y)，

$\mathrm{\φ}(x,y)=-k{\▿}^{-2}\▿\·\left[I^{-1}(x,y){\▿\▿}^{-2}\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\right]---\left(7\right)$

式中是逆拉普拉斯运算符，为梯度运算符，·为向量点乘，k是波数，与运算符均通过傅里叶变换进行实现，即

${\▿}^{-2}\{\·\}=F^{-1}\left\{F\right\{\·\left\}\frac{1}{-4{\mathrm{\π}}^2(u^2+v^2)}\right\}---\left(8\right)$

$\▿\{\·\}=F^{-1}\left\{i2\mathrm{\πuF}\right\{\·\},i2\mathrm{\πvF}\{\·\left\}\right\}---\left(9\right)$

其中F代表傅里叶变换，(u,v)是与空间坐标(x,y)相对应的频域坐标，i为虚数单位。

第三步：将相位φ(x,y)通过式(10)转换为样品的物理高度/厚度h(x,y)

其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差，一般对于暴露在空气中的样品，介质为空气，其折射率为1，注意在之前的叙述中一直是针对透射显微镜的结构，即光波穿过样本6然后被物镜7收集成像。实际中，基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***仍然适用于反射显微镜的结构，即光波被样本反射然后被物镜收集成像的情况也是适用的(这也可直接将显微镜***1更换为反射结构的显微镜实现)。

注意，每次对样本进行一次成像重建过程需要采集欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像，由于所采用的电控变焦透镜16的响应时间在毫秒量级，所以只需要控制高精度可编程电流源17进行高速电流切换，且同步CCD相机14即可实现高速动态成像。此外还可利用“先进先出”原理，即按顺序采集I₊(x,y)，I(x,y)与I_-(x,y)，然后下回合采集到的I₊(x,y)与上回合采集到的I(x,y)与I_-(x,y)仍然可以按上述三步进行一次重构(即[1、2、3]->[2、3、1]->[3、1、2]->[1、2、3]….)，这样即避免了每次必须等待三幅图像均刷新后再进行重构所需的空闲等待时间，将“伪”帧频提高到之前的三倍。

为了验证本发明基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***的动态相位成像能力，我们对单一活细胞(MCF-7)进行动态观测。图5(a)-图5(c)显示了先后采集到的离焦距离分别为-2.5、0.0与+2.5μm的三幅光强图像。采用这三幅图像，通过本发明提出的重构方法得到的相位分布如。图5(d)所示。利用重建得到的相位分布，可以通过式(10)计算得到细胞的物理厚度。图5(e)显示了细胞的伪彩色三维显示，其具有很高的空间分辨率。这里介质的折射率通过折射计测得为1.341，而MCF-7细胞的折射率为1.360(这里简单起见假设细胞各部分折射率是均匀的)。从结果中可以清晰观测到亚细胞结构的细微变化，如位于细胞中央的细胞核、细胞膜上的皱褶、已经细胞周围的片状伪足的游动等等。除此之外，由于本发明的方法不需要采用激光作为照明光源，且光强传输方程法本身可以直接恢复出连续相位而不需要相位解包裹，所以重建相位中不存在任何散斑噪声与相位解包裹相关的误差。

Claims (3)

1.一种基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***，包括显微成像***(1)，该显微成像***(1)包括集光镜(3)、聚光镜孔径光阑(4)、聚光镜(5)、待测样品(6)、显微物镜(7)、反射镜(8)与镜筒透镜(9)，其中集光镜(3)将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑(4)，聚光镜孔径光阑(4)大小可调，控制照明的通光孔径，通光聚光镜孔径光阑(4)发散后又被聚光镜(5)收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜(7)收集，并经过镜筒透镜(9)放大后成像在显微镜相机端口的图像平面(10)，其特征在于该光强传输相位显微***还有一个包含电控变焦透镜的4f***(2)，所述的包含电控变焦透镜的4f***(2)包括第一透镜L₁(11)、第二透镜L₂(13)、电控变焦透镜组(12)以及单色CCD相机(14)，第一透镜L₁(11)、第二透镜L₂(13)的焦距f＝f₁＝f₂，其中电控变焦透镜组(12)包含电控变焦透镜(16)与补偿透镜(15)，二者紧贴在一起，间距为d；第一透镜L₁(11)和第二透镜L₂(13)构成一个标准的4f成像***，即第一透镜L₁(11)到显微镜图像平面(10)的端口的距离为f1，第二透镜L₂(11)到CCD相机(14)成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的距离是f1+f2，电控变焦透镜组(12)放置于4f***的傅里叶平面，即第一透镜L₁(11)和第二透镜L₂(13)之间，距离第一透镜L₁(11)的距离为f1，距离第二透镜L₂(13)的距离为f2，可编程电流源(17)控制电流切换以驱动电控变焦透镜(16)，并产生触发脉冲使之精确地与CCD相机(14)实现同步，从而可实现高速变焦，同步采集。

2.一种利用基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***进行数据采集与重建方法，其特征在于步骤如下：

第一步：采用可编程电流源(17)编程控制成像***的离焦，CCD相机(14)同步采集欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像，分别记作I₊(x,y)，I(x,y)与I_-(x,y)，他们的离焦距离分别是Δz，0，-Δz；

将采集到的欠焦、过焦光强图像I_-(x,y)与I₊(x,y)按公式(6)进行数值差分，得到光强轴向微分

$\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\≈\frac{I_{+}(x,y)-I_{-}(x,y)}{2\mathrm{\Δz}}---\left(6\right)$

第二步：由光强轴向微分与聚焦光强图像I(x,y)，通过公式(7)求解光强传输方程，得到相位φ(x,y)，

$\mathrm{\φ}(x,y)=-k{\▿}^{-2}\▿\·\left[I^{-1}(x,y){\▿\▿}^{-2}\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\right]---\left(7\right)$

式中▽^-2是逆拉普拉斯运算符，▽为梯度运算符，·为向量点乘，k是波数，▽与▽^-2运算符均通过傅里叶变换进行实现，即

${\▿}^{-2}\{\·\}=F^{-1}\left\{f\right\{\·\left\}\frac{1}{-{4\mathrm{\π}}^2(u^2+v^2)}\right\}---\left(8\right)$

▽{·}＝F^-1{i2πuF {·},i2πvF {·}}           (9)

其中F代表傅里叶变换，(u,v)是与空间坐标(x,y)相对应的频域坐标，i为虚数单位；

第三步：将相位φ(x,y)通过式(10)转换为样品的物理高度/厚度h(x,y)

其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差。

3.根据权利要求2所述的利用基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***进行数据采集与重建方法，其特征在于第一步在CCD相机(14)同步采集之前对基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***进行标定，具体方法为：采用单点源物体置于高精度电控平移台的z轴上，通过平移台使单点源物体离焦Δz的距离，然后通过可编程电流源(17)输出调谐电流x_I，改变电控变焦透镜(16)的焦距，直到单点源物体重新聚焦，这样就建立了一组***离焦量Δz与调谐电流x_I的关联，依次类推测量出整套成像***任意离焦量Δz与调谐电流x_I的关系，即建立对应的查找表，该查找表的条目即为可编程电流源(17)输出电流x_I与整套成像***离焦量Δz；实际成像时，所需要的离焦量可通过该查找表获得可编程电流源(17)输出电流，从而实现对成像***的聚焦平面所在位置的精准控制。