一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)及方法，充分利用共軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將樣品放在經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直的光束中，物光與參考光共光路，一可旋轉(zhuǎn)角度的反射鏡將參考光束改變方向，使物光與參考光束重迭相遇，變化反射鏡角度可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的同軸、離軸和輕微離軸干涉，其相位干涉圖經(jīng)后置顯微鏡顯微放大后在CCD傳感器上產(chǎn)生數(shù)字干涉圖像。對(duì)此干涉圖像進(jìn)行相應(yīng)的相位恢復(fù)和解構(gòu)運(yùn)算可得到相位體樣品的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。本發(fā)明在使用過(guò)程中有效地減少測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的噪音，并且通過(guò)改變可旋轉(zhuǎn)反射鏡的角度，改變物光束和參考光束之間的夾角，適用于相位體的干涉相位顯微成像，其中包括傳統(tǒng)的同軸干涉、離軸干涉以及輕微離軸干涉，特別適用于生物細(xì)胞形態(tài)檢測(cè)與特征識(shí)別的科學(xué)研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于相位顯微成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微 干涉成像技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾多生物樣品，如活細(xì)胞，大部分是無(wú)色透明的，而且表現(xiàn)為相位物體。為了使這 些相位物體清晰可見(jiàn)，一般需要將相位信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度分布，為此相位顯微成像技術(shù)應(yīng)運(yùn) 而生。近十幾年來(lái)，各種定量相位顯微成像技術(shù)相繼被提出，為生物細(xì)胞的顯微觀察與動(dòng)力 學(xué)行為的研究提供了強(qiáng)有力的工具。相位顯微成像技術(shù)大部分是基于光的干涉原理，所以 此類(lèi)技術(shù)也常被稱(chēng)為干涉相位顯微成像技術(shù)。
[0003] 根據(jù)物光束和參考光束之間有無(wú)夾角及夾角大小，可將數(shù)字全息定量相位顯微成 像技術(shù)分為同軸全息、離軸全息及輕微離軸三類(lèi)。同軸全息：物光束與參考光束傳播方向 平行于同一軸，其中再現(xiàn)像和共軛像因構(gòu)成不可分離的孿生像導(dǎo)致不能觀察到清晰的原 始像，但它對(duì)光源的相干性要求不高，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也不高。典型的有由Gabriel Popescu教授研究小組于2004年提出并發(fā)展起來(lái)的傅里葉相位顯微技術(shù)（Fourier Phase Microscopy, FPM)。離軸全息：物光與參考光成一定的夾角相干涉投射到記錄平面上，離軸 全息可以消除同軸全息中共軛像的干擾，還能使成像光波不與零級(jí)衍射光波重疊，使成像 不受背景光的干擾。典型的有希爾伯特相位顯微技術(shù)（HPM)。輕微離軸全息：其頻譜中再 現(xiàn)象、共軛像、零級(jí)衍射像的頻譜不是完全分開(kāi)的，而存在部分重疊，相比傳統(tǒng)離軸干涉需 要更小的CCD空間帶寬，相比同軸干涉需要更少的測(cè)量，優(yōu)化了空間分辨率。 如專(zhuān)利技術(shù)CN20110374950. 7 (用于希爾伯特相位成像的系統(tǒng)和方法），它是基于典型 的馬赫-曾德?tīng)柛缮婀饴?，并采用希爾伯特積分變換處理干涉圖像而實(shí)現(xiàn)相位成像。該技 術(shù)具有單次拍攝的特性，采樣時(shí)間只受記錄裝置（CCD)的限制可以在毫秒級(jí)或更短的時(shí)間 內(nèi)精確的定量出納米級(jí)光程變化，從而對(duì)于透明結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行量化，但在光路中為 了避免顯微物鏡所引起的球面二次相位誤差在樣品臂與參考臂上增加了相同的顯微物鏡， 但是光學(xué)器件的增加，一定程度上會(huì)導(dǎo)致噪聲的變大。
[0004] 本發(fā)明充分利用共軸光路的穩(wěn)定特征，發(fā)明了一種可依據(jù)檢測(cè)技術(shù)要求的需要， 任意選擇同軸全息、離軸全息和輕微離軸全息的顯微干涉成像方法，應(yīng)用該裝置得到相位 干涉圖，再進(jìn)行相應(yīng)的相位恢復(fù)和解構(gòu)運(yùn)算可得到相位體樣品的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)及方法，以同 時(shí)適用于同軸與離軸干涉以及輕微離軸干涉，在成像過(guò)程中極大程度的減小噪聲，實(shí)現(xiàn)相 位物體快速準(zhǔn)確成像。
[0006] 為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用共光路成像系統(tǒng)，基于后放大干涉的原理，具 體技術(shù)方案如下： 一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)，其特征在于：包括激光器（1)、第一 透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡（4)、樣品（5)、載物臺(tái)（6)、第一柱面透鏡（7)、可 旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)、第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CCD (11)和計(jì)算機(jī)（12); 所述激光器（1)、第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡（4)、第一柱面透鏡（7)、 第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CXD(11)的中心都處于同一光軸上，依次放置，其中第一 透鏡（2)和第二透鏡（4)組成擴(kuò)束系統(tǒng)，針孔空間濾波器（3)置于第一透鏡（2)和第二透 鏡⑷的共焦點(diǎn)處； 所述第一柱面透鏡（7)和第二柱面透鏡（9)完全相同，具有相同焦距，它們之間的擺放 位置相距2倍焦距，可保證經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光束在第一柱面透鏡（7)和第二柱面透鏡 (9)之間匯聚，然后在第二柱面透鏡（9)后平行，形成柱面場(chǎng)； 所述可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)放置在系統(tǒng)中心軸處，與第一柱面透鏡（7)相距1倍焦距，可以 沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，使得參考光和物光重迭，保證參考光方向發(fā)生變化，使參考光能與物光 相遇發(fā)生干涉，并且通過(guò)改變可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)的旋轉(zhuǎn)角度的大小，從而改變參考光與物 光之間的夾角，選擇測(cè)量的方式是同軸干涉、離軸干涉或是輕微離軸干涉； 所述載物臺(tái)（6)是透明裝置，垂直于系統(tǒng)中心軸，放置于系統(tǒng)中心軸上方，可保證經(jīng)過(guò) 樣品的光束可以透過(guò)載物臺(tái)向前傳輸； 光束沿著所述激光器（1)的輸出方向依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)和 第二透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、樣品（5)、載物臺(tái)（6)、第一柱面透鏡（7)、可旋轉(zhuǎn)反 射鏡（8)、第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CCD (11); 沿中軸線將光路分為上下兩部分：上部分為物光，依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間 濾波器（3)和第二透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、載物臺(tái)（6)上的樣品（5)、柱面透鏡 (7)、柱面透鏡（9);下部分為參考光，依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)和第二 透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、柱面透鏡（7)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)、柱面透鏡（9)，物光和 參考光重迭經(jīng)過(guò)顯微鏡頭（10)形成放大的干涉圖像A，所述干涉圖像A由CXD(ll)系統(tǒng)產(chǎn) 生數(shù)字干涉圖像，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)（12)上。
[0007] 根據(jù)所述的一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)的方法，其特征在于 采用共光路成像系統(tǒng)，利用后放大干涉方法，具體包括以下步驟： 步驟一，由激光器（1)發(fā)出的激光束經(jīng)第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡 (4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束； 步驟二，使中軸線上方光束通過(guò)樣品（5)和載物臺(tái)￠)，后依次經(jīng)第一柱面透鏡（7)、第 二柱面透鏡（9)形成物光束；中軸線下方光線通過(guò)第一柱面透鏡（7)，后傳輸至可旋轉(zhuǎn)反射 鏡（8)，經(jīng)所述可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)的反射光束，再經(jīng)柱面透鏡（9)形成參考光束；利用可旋 轉(zhuǎn)反射鏡（8)改變反射角度，從而產(chǎn)生同軸、離軸和輕微離軸干涉； 步驟三，使所述物光束和參考光束相遇產(chǎn)生干涉，經(jīng)過(guò)顯微鏡頭（10)形成放大的干涉 圖像A ; 步驟四，使干涉圖像A經(jīng)過(guò)(XD (11)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字干涉圖像B，對(duì)此數(shù)字干涉圖像B進(jìn) 行相位恢復(fù)和解構(gòu)運(yùn)算，得到相位體樣品的相位分布，從而獲知相位體樣品的空間形態(tài)。
[0008] 本發(fā)明的工作原理 本發(fā)明裝置的主要工作原理是基于雙光束干涉形成干涉條紋，由干涉圖進(jìn)行相位恢復(fù) 及其樣品厚度分布解構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位顯微成像的目的，具體如下： 激光器（1)發(fā)出激光束，光束依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)和第二 透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，沿中軸線將光束分為上下兩部分：上部分為物光，物光 束依次通過(guò)樣品（5)和載物臺(tái)（6)、柱面透鏡（7)、柱面透鏡（9);下部分為參考光，參考光 束依次通過(guò)柱面透鏡（7)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)、柱面透鏡（9)，物光和參考光重迭經(jīng)過(guò)顯微鏡 頭（10)形成放大的干涉圖像，該圖像由CCD(ll)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字干涉圖像，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī) (12)上。對(duì)此干涉圖像進(jìn)行相應(yīng)的相位恢復(fù)和解構(gòu)運(yùn)算，可以得到相位體樣品的相位分布， 從而獲知相位體樣品的空間形態(tài)。
[0009] 本發(fā)明具有有益效果 1.本發(fā)明采用共光路系統(tǒng)保證了發(fā)明系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，并且減少了使用過(guò)程中 的噪聲，確保后期樣品解構(gòu)的準(zhǔn)確性；2.本發(fā)明通過(guò)旋轉(zhuǎn)可旋轉(zhuǎn)反射鏡，同軸干涉和離軸 干涉可自由轉(zhuǎn)換，還包括能夠有效利用CCD空間帶寬的輕微離軸干涉；3.本發(fā)明運(yùn)用柱面 透鏡可保證光束的平行，使光路更加穩(wěn)定；4.本發(fā)明將顯微物鏡位于干涉系統(tǒng)之后，可減 少相位噪聲。因此，本發(fā)明系統(tǒng)應(yīng)用面廣，具有很好的使用價(jià)值。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本發(fā)明基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像技術(shù)及方法對(duì)應(yīng)的光路示 意圖。
[0011] 圖中：1.激光器；2.第一透鏡；3.針孔空間濾波器；4.第二透鏡；5.樣品；6.載物 臺(tái)7.弟一柱面透鏡；8.可旋轉(zhuǎn)反射鏡；9.弟_柱面透鏡；10.顯微鏡頭；11. CCD ; 12.計(jì)算 機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0013] 本發(fā)明基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像技術(shù)及方法對(duì)應(yīng)的光路如圖1所 /_J、1 〇
[0014] 激光器1發(fā)出水平方向的光束，向前傳輸通過(guò)有第一透鏡2、真空濾波器3與第二 透鏡4組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后，中心軸以上的透射光束繼續(xù)水平向前傳輸通過(guò)樣品5和載 物臺(tái)6,再通過(guò)第一柱面透鏡7,作為樣品光；中心軸以下的光束水平向前傳輸，通過(guò)第一柱 面透鏡7會(huì)聚，然后通過(guò)可旋轉(zhuǎn)反射鏡8改為在中心軸下方傳輸?shù)墓饩€，此光束未經(jīng)過(guò)樣品 而作為參考光，與樣品光相遇產(chǎn)生干涉；若調(diào)整可旋轉(zhuǎn)反射鏡8的轉(zhuǎn)向，改變參考光的傳播 方向，與樣品發(fā)生同軸、離軸或是輕微離軸干涉；干涉后的圖樣經(jīng)過(guò)第二柱面透鏡后，經(jīng)干 涉系統(tǒng)后的顯微鏡頭10放大，在CCD11上形成干涉圖樣，最后通過(guò)對(duì)應(yīng)相位的恢復(fù)運(yùn)算就 可實(shí)現(xiàn)定量相位成像，這個(gè)過(guò)程可在計(jì)算機(jī)12上通過(guò)對(duì)應(yīng)軟件系統(tǒng)操作完成。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)，其特征在于：包括激光器（1)、第 一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡（4)、樣品（5)、載物臺(tái)（6)、第一柱面透鏡（7)、 可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)、第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CCD(ll)和計(jì)算機(jī)（12); 所述激光器（1)、第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡（4)、第一柱面透鏡（7)、 第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CXD(11)的中心都處于同一光軸上，依次放置，其中第一 透鏡（2)和第二透鏡（4)組成擴(kuò)束系統(tǒng)，針孔空間濾波器（3)置于第一透鏡（2)和第二透 鏡⑷的共焦點(diǎn)處； 所述第一柱面透鏡（7)和第二柱面透鏡（9)完全相同，具有相同焦距，它們之間的擺放 位置相距2倍焦距，可保證經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光束在第一柱面透鏡（7)和第二柱面透鏡 (9)之間匯聚，然后在第二柱面透鏡（9)后平行，形成柱面場(chǎng)； 所述可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)放置在系統(tǒng)中心軸處，與第一柱面透鏡（7)相距1倍焦距，可以 沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，使得參考光和物光重迭，保證參考光方向發(fā)生變化，使參考光能與物光 相遇發(fā)生干涉，并且通過(guò)改變可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)的旋轉(zhuǎn)角度的大小，從而改變參考光與物 光之間的夾角，選擇測(cè)量的方式是同軸干涉、離軸干涉或是輕微離軸干涉； 所述載物臺(tái)（6)是透明裝置，垂直于系統(tǒng)中心軸，放置于系統(tǒng)中心軸上方，可保證經(jīng)過(guò) 樣品的光束可以透過(guò)載物臺(tái)向前傳輸； 光束沿著所述激光器（1)的輸出方向依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)和 第二透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、樣品（5)、載物臺(tái)（6)、第一柱面透鏡（7)、可旋轉(zhuǎn)反 射鏡（8)、第二柱面透鏡（9)、顯微鏡頭（10)、CCD (11); 沿中軸線將光路分為上下兩部分：上部分為物光，依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間 濾波器（3)和第二透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、載物臺(tái)（6)上的樣品（5)、柱面透鏡 (7)、柱面透鏡（9);下部分為參考光，依次通過(guò)由第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)和第二 透鏡（4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、柱面透鏡（7)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)、柱面透鏡（9)，物光和 參考光重迭經(jīng)過(guò)顯微鏡頭（10)形成放大的干涉圖像A，所述干涉圖像A由CXD(ll)系統(tǒng)產(chǎn) 生數(shù)字干涉圖像，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)（12)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共光路系統(tǒng)下的相位顯微干涉成像系統(tǒng)的方法，其 特征在于采用共光路成像系統(tǒng)，利用后放大干涉方法，具體包括以下步驟： 步驟一，由激光器（1)發(fā)出的激光束經(jīng)第一透鏡（2)、針孔空間濾波器（3)、第二透鏡 (4)組成的透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束； 步驟二，使中軸線上方光束通過(guò)樣品（5)和載物臺(tái)￠)，后依次經(jīng)第一柱面透鏡（7)、第 二柱面透鏡（9)形成物光束；中軸線下方光線通過(guò)第一柱面透鏡（7)，后傳輸至可旋轉(zhuǎn)反射 鏡（8)，經(jīng)所述可旋轉(zhuǎn)反射鏡（8)的反射光束，再經(jīng)柱面透鏡（9)形成參考光束；利用可旋 轉(zhuǎn)反射鏡（8)改變反射角度，從而產(chǎn)生同軸、離軸和輕微離軸干涉； 步驟三，使所述物光束和參考光束相遇產(chǎn)生干涉，經(jīng)過(guò)顯微鏡頭（10)形成放大的干涉 圖像A ; 步驟四，使干涉圖像A經(jīng)過(guò)(XD (11)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字干涉圖像B，對(duì)此數(shù)字干涉圖像B進(jìn) 行相位恢復(fù)和解構(gòu)運(yùn)算，得到相位體樣品的相位分布，從而獲知相位體樣品的空間形態(tài)。
【文檔編號(hào)】G03H1/12GK104111257SQ201410355040
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】王亞偉, 陳映洲, 徐媛媛, 駱鵬程, 梁敏捷 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)