m , kn

) 的位置处。因此，多次变换照

明角度，使得低分辨率的“子孔径”频谱铺满高分辨率频谱 Fh 空间，就能完成高分辨率频谱 Fh

的拼接合成，最后再对其做逆傅立叶变换就能得到高分辨率的样品的复振幅分布 Sh ，即只用 数值孔径很小的物镜得到了样品高分辨率的光强和相位分布。

虽然每次只能拍摄到样品在某一照明角度下衍射图像的光强分布，无法得到相位分布。但 是因为不同照明角度下得到的“子孔径”频谱之间相互有交叠部分，某一交叠区域的信息就同 时受到了多个衍射图像的约束，所以最后的样品的整体复振幅信息就是所有“子孔径”的共同 解，从而使用合成孔径超分辨率成像算法就能迭代解出样品的高分辨率的光强和相位分布。

FPM 技术的实现有赖于 LED 阵列显微镜[24-26]的发明，LED 阵列显微镜是一个新兴的强 有力的计算显微成像平台，它有着广泛的应用潜力，只需要对传统的明场显微镜进行简单的硬 件调整-将光源换成可编程的 LED 阵列即可。作为迭代相位恢复算法的一种，FPM 方法可以 同时恢复样品光场的强度和相位，大大提高光学系统的空间带宽积，实现高分辨和大视场兼顾， 并且不需要机械扫描和相位测量，所以 FPM 在定量相位成像方面具有巨大的应用潜力。

2。2 FPM 硬件系统介绍

2。2。1 FPM 显微成像系统的硬件电路

FPM 显微成像系统的硬件电路主要包括电源系统、可编程 LED 阵列控制系统、USB2。0 HUB 控制器以及摄像机触发与串口通讯系统，其实物图如图 2。4 所示。

图 2。4 FPM 显微成像系统硬件电路实物图

FPM 显微成像系统的硬件电路主要负责系统的整体控制，设备间通讯以及电源供给。其 中电源系统负责整体硬件系统所需电压，包括可编程 LED 阵列、FPGA 与内存芯片以及 CCD 摄像机。可编程 LED 阵列控制系统主要部件是可编程逻辑器件 FPGA，其型号为 EP4CE10E22， 配合内存芯片 SDRAM 工作，其不仅负责可编程 LED 阵列的驱动，还是整个硬件系统的控制 中枢，提供摄像机触发信号并与计算机进行通讯。USB2。0 HUB 控制器主要负责简化整体硬件 系统的通讯接口，其集成了 4 个 USB2。0 接口，其中二个 USB 接口分别用于串口通讯（USB 转 TTL 电平 COM 接口）以及 CCD 成像设备采集。

2。2。2 可编程 LED 阵列照明系统

本设计摒弃了传统显微镜所使用的柯勒照明系统，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。这样不仅能够实现基于多 角度照明的高分辨率光场成像和合成孔径超分辨率吉比特成像，还能在无需复杂的光学结构的 前提下实现明场成像、暗场成像和差分相衬成像。该 LED 阵列通过硬件系统实现物理驱动， 并最终通过软件界面完成图案设置与点亮控制。LED 阵列显微照明系统的实物装置如图 2。5 所 示。

图 2。5 可编程 LED 阵列显微照明系统的实物装置图

本设计所使用的可编程 LED 阵列共有 32 行、32 列，一共 1024 个像素，每个像素之间的 中心间距为 3mm ，每个像素的亮度在 2000cd / m2 以上。可编程 LED 阵列被放置在载物台下 方且距离载物台的上表面为 60mm 的位置，同时可编程 LED 阵列的中心像素必须处于整个显 微成像系统的光轴上。LED 阵列的具体物理参数如表 2。1 所示。可编程 LED 阵列照明系统示 意图如图 2。6 所示。

表 2。1 可编程 LED 阵列的物理参数

项目