随着尿液有形成分分析仪器更高检测速度和更多检验项目需求的增加,平面流式细胞显微成像技术向高速和高分辨方向发展。本文研究的平面流式显微成像系统,检测速度由每小时60样本提高到120样本,尿有形成分检验项目由12类增加到25类。检测速度提高,细胞运动速度加快,系统动态传函降低,易出现拖尾模糊现象;检验项目增多,显微成像系统分辨率提高,但景深变小,不能对样本层流厚度内的所有有形成分清晰成像,并且微小的物距变化就可能产生离焦模糊,导致系统温度适应性下降。本文重点研究低成本高功率LED光源高速清晰成像、基于聚焦微粒的等效聚焦、参考图像法温度补偿和双传感器共光路景深扩展等技术,解决高速和高分辨带来的拖尾模糊、不易聚焦、温度离焦和景深不足等问题。本文首先阐述了高速高分辨平面流式细胞显微成像系统组成及原理,完成了显微成像光学系统、照明光学系统和粒子成像室的设计。显微成像光学系统采用无限远光路结构,由物镜和管镜组成,根据被测目标尺寸特征和算法识别要求,进行了物镜选型和管镜光学设计及像质评价,保证了高分辨成像;照明光学系统采用科勒照明光路,进行了集光镜组和聚光镜组的光学设计及仿真,保证了高亮度均匀照明;粒子成像室流体通道采用平直通道壁面、曲面通道壁面和两个侧通道壁面组成的非对称结构,根据光学系统景深、加工工艺水平和质量守恒定律等计算得出了粒子成像室的流体通道尺寸;通过分析和仿真,曲面通道壁面形状选择了加速度曲线曲率变化小的圆弧形曲面,使样本加速过程更加平缓,保证有形成分稳定地流过粒子成像室的成像区。建立了高速高分辨平面流式细胞显微成像系统的动态传函模型,依据物像关系及在奈奎斯特频率下系统动态传函必须大于0.9等条件,推导出系统曝光时间必须≤1.15μs才能满足高速运动细胞清晰成像要求。分析了低成本高功率LED响应速度慢,以及LED光源常亮和频闪两种曝光方式不能满足短曝光要求的原因。提出了一种短曝光控制方法,利用LED发光脉冲上升沿和相机曝光脉冲下降沿间隔决定曝光时间的方式实现了1μs短曝光,使系统在90.9lp/mm处动态传函达到0.93,提高了动态成像清晰度,实现了低成本高功率LED光源高速清晰成像,解决了低成本高功率LED不能实现短曝光的难点问题。基于聚焦微粒的等效聚焦方法,采用聚焦液中聚焦微粒的清晰位置等效样本清晰位置,每天仅需聚焦一次,不需要对尿液有形成分图像清晰度进行实时计算,解决了无法利用高速尿液样本序列图像进行自动聚焦的难点问题。采用图像分割算法提取每帧图像中的聚焦微粒小图片,仅对聚焦微粒小图片进行聚焦程度评价,降低背景信息的影响以提高聚焦评价灵敏度。在搜索行程中的每个位置拍摄10张照片,将该位置多个聚焦微粒小图片聚焦评价值的中位值作为最终的聚焦评价值,降低了不同位置聚焦微粒形态和数量差异的影响,提高了聚焦判断的准确度和重复性。将小波变换后高频系数与低频系数的比值作为聚焦评价函数,因聚焦微粒边缘形态易受运动方向液体扰动影响,故通过仅提取小波水平分量的方法消除垂直分量干扰,提升了基于小波变换的聚焦评价曲线的单调性和斜率,实现了聚焦评价函数性能的优化。提出了低成本且易实现的参考图像法温度补偿技术,解决了显微成像系统景深小导致的温度离焦问题。首先在光学系统设计上,保证了成像系统在温度变化时除物距外,成像质量、焦距和像面位置均满足设计要求。然后,从材料热胀冷缩引起物距变化和层流液体折射率随温度改变导致光程变化两个方面,估算了温度变化对物距的影响。采用机械被动式方法进行初步温度补偿,减小温度变化时的离焦量。最后采用参考图像法精确补偿物距变化,仅需在粒子成像室上附上一个用于自动聚焦的参考图片,并将该参考图片与聚集微粒的两个最清晰位置之间距离做为标定长度,当系统探测到温度变化时,利用对焦深度法自动聚焦重新找到参考图像的最清晰位置,电机移动标定长度到聚焦位置,从而实现了平面流式细胞显微成像系统的温度补偿。被测样本层流厚度为3μm,而系统景深仅为1.85μm,景深不能覆盖样本层流厚度内的所有成像目标。本文提出了双传感器共光路景深扩展技术,实现景深扩展的同时可保证实时成像,采用双传感器在两个像面位置采集不同景深的图像,再将两个景深图像融合为大景深的图像。具体实现方式是在管镜光路后端加入分光棱镜,分光后光束分别采用不同传感器接收,调整传感器到分光棱镜的距离即调整像距,使两个传感器同时接收到略有交叠的双景深图像。设计了基于图像多尺度分解和视觉显著度检测的双景深图像融合算法,很好地将景深不同的两幅图像融合成一幅多个目标都清晰的图像,实现了大景深图像重建。该方法使景深扩大到3.30μm,实现了整个层流厚度内有形成分全部清晰成像,解决了高分辨导致的景深不足问题。本文完成了平面流式细胞显微成像系统向高速高分辨方向发展所需要的短曝光、自动聚焦、温度补偿和景深扩展等关键技术研究,为高速高分辨平面流式细胞显微成像系统产品化提供了技术支撑,为未来向更高速度更高分辨率发展提供了研究方向和方法,具有重要的理论研究价值与实际应用意义。