單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)及其方法，利用邁克爾遜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分光，并采用空間光調(diào)制器進(jìn)行數(shù)字離焦，從而可避免傳統(tǒng)方法中采集離焦強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，將采集到的一系列光強(qiáng)分布通過(guò)求解光強(qiáng)傳輸方程，可實(shí)現(xiàn)相位信息的定量獲取。本發(fā)明可避免傳統(tǒng)方法中采集離焦強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，大大提高了系統(tǒng)的采集速度以及準(zhǔn)確度，有效地將光強(qiáng)傳輸方程法的應(yīng)用范圍從靜止緩變物體拓展到高速動(dòng)態(tài)物體，實(shí)現(xiàn)高速高分辨率的三維定量相位顯微成像。
【專利說(shuō)明】單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量、成像技術(shù)，特別是一種基于光強(qiáng)傳輸方程的動(dòng)態(tài)定量顯微 成像裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 相位恢復(fù)是光學(xué)測(cè)量與成像技術(shù)的一個(gè)重要課題，無(wú)論在生物醫(yī)學(xué)還是工業(yè)檢測(cè) 領(lǐng)域，相位成像技術(shù)都在發(fā)揮著重要的作用?？v觀光學(xué)測(cè)量近半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展，最經(jīng)典的相 位測(cè)量方法應(yīng)該非干涉測(cè)量法莫屬。然而，干涉測(cè)量法的缺點(diǎn)也十分明顯：干涉測(cè)量一般需 要高度相干性的光源（如激光），從而需要較為復(fù)雜的干涉裝置；額外的參考光路的引入導(dǎo) 致對(duì)于測(cè)量環(huán)境的要求變得十分苛刻；高相干性的光源引入的散斑相干噪聲限制了成像系 統(tǒng)的空間分辨率與測(cè)量精度。
[0003] 不同與干涉測(cè)量，另一類非常重要的相位測(cè)量技術(shù)并不需要借助干涉，它們統(tǒng)稱 為相位恢復(fù)。由于直接測(cè)量光波場(chǎng)的相位分布非常困難，而測(cè)量光波場(chǎng)的振幅/強(qiáng)度十分 容易。因此，可以將由強(qiáng)度分布來(lái)恢復(fù)（估算）相位這一過(guò)程考慮為一個(gè)數(shù)學(xué)上的"逆問(wèn) 題"，即相位恢復(fù)問(wèn)題。相位恢復(fù)方法還可細(xì)分為迭代法與直接法。光強(qiáng)傳輸方程法是相位 恢復(fù)方法中的一種典型的直接法。光強(qiáng)傳輸方程是一個(gè)二階橢圓偏微分方程，其闡明了沿 著光軸方向上光強(qiáng)度的變化量與光軸垂直的平面上光波的相位的定量關(guān)系。在光強(qiáng)軸向 微分以及光強(qiáng)分布已知的情況下，通過(guò)數(shù)值求解光強(qiáng)傳輸方程可直接獲取相位信息。相比 與干涉法與迭代相位恢復(fù)法，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1)非干涉，僅僅通過(guò)測(cè)量物面光強(qiáng)直接求 解相位信息，不需要引入額外參考光；(2)非迭代，通過(guò)直接求解微分方程獲得相位；（3)可 以很好的應(yīng)用于白光照明，如傳統(tǒng)明場(chǎng)顯微鏡中的科勒照明（K6hler illumination) ; (4) 無(wú)需相位解包裹，直接獲取相位的絕對(duì)分布，不存在一般干涉測(cè)量中的2 相位包裹問(wèn)題； (5)無(wú)須復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境沒(méi)有苛刻的要求，振動(dòng)不敏感。
[0004] 光強(qiáng)傳輸方程法需要采集不同離焦面上的光強(qiáng)信息。為了采集這些離焦光強(qiáng) 圖像，通常需要采用一個(gè)4f系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行成像（[I] L. Wal Ier，Y. Luo, S. Y. Yang, and G. Barbastathis, ''Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope, 〃0pt. Lett. 35, 2961-2963(2010).)，光路結(jié)構(gòu)如圖I所示。其中光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束 準(zhǔn)直后照射物平面上的待測(cè)物體，經(jīng)過(guò)傅里葉變換透鏡L1在透鏡后焦面，即傅里葉變換平 面（頻譜面）形成物體的傅里葉變換頻譜，經(jīng)過(guò)頻譜濾波后通過(guò)傅里葉變換透鏡L2，在像面 形成物體的像。由于4f系統(tǒng)中物象呈嚴(yán)格共軛關(guān)系，所以通過(guò)移動(dòng)物平面或者移動(dòng)圖像平 面（相機(jī)）都可以獲得物體離焦面上的光強(qiáng)信息。這兩種方式在本質(zhì)上是等價(jià)的，但考慮 橫向與軸向放大率之間的關(guān)系，物面離焦距離與相面離焦距離之間的比例會(huì)相差f22/f?的 比例系數(shù)。
[0005] 圖1所示的4f系統(tǒng)相比于單個(gè)透鏡的成像系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)在于其遠(yuǎn)心光路結(jié) 構(gòu)。傳統(tǒng)非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)僅僅采用透鏡L1進(jìn)行成像，在成像面會(huì)產(chǎn)生額外的球面像差，這 將會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的放大率隨著離焦距離的變化而改變，從而使問(wèn)題復(fù)雜化。其實(shí)這個(gè)問(wèn) 題在顯微鏡的設(shè)計(jì)中早已被考慮到了。遠(yuǎn)心光路的成像結(jié)構(gòu)在顯微鏡中又稱為無(wú)限遠(yuǎn)校正 光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示。無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)系統(tǒng)中，標(biāo)本通過(guò)物鏡的光線不再由物鏡成像，而 是作為無(wú)限遠(yuǎn)的平行光束進(jìn)入鏡筒透鏡（tube lens)，由鏡筒透鏡成像。由于物鏡與鏡筒 透鏡之間為平行光線，其具有下述優(yōu)點(diǎn)：改變成像面距離，倍率不會(huì)改變；物鏡與成像透鏡 之間插入平行平板元件（如偏振光學(xué)元件，濾波片等），也能保持齊焦，成像不會(huì)發(fā)生偏移。 對(duì)比圖1與圖2,可建立如下聯(lián)系圖1的準(zhǔn)直透鏡等價(jià)于無(wú)窮遠(yuǎn)校正顯微鏡中的聚光鏡，而 透鏡L1等價(jià)于顯微鏡中的顯微物鏡，透鏡L2等價(jià)于顯微鏡中的鏡筒透鏡，顯微鏡內(nèi)部參數(shù) 之間的關(guān)系如圖右側(cè)所示。其中鏡筒透鏡焦距范圍取決于不同的制造商，一般在160至200 毫米之間。所以本質(zhì)上而言，無(wú)窮遠(yuǎn)校正顯微鏡本身就是一套理想的遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)，所以可 直接將顯微鏡采集的光強(qiáng)圖像用于光強(qiáng)傳輸方程相位恢復(fù)。只需要簡(jiǎn)單地移動(dòng)顯微鏡的載 物臺(tái)，或者移動(dòng)顯微鏡相機(jī)接口處的相機(jī)平面，就可以獲得不同聚焦面上的等倍率的離焦 光強(qiáng)圖像了。
[0006] 算法的非迭代性是光強(qiáng)傳輸方程法固有的一大優(yōu)勢(shì)，然而該方法本身需要獲得光 強(qiáng)的軸向微分，從而需要采集兩個(gè)或多個(gè)與光軸垂直的平面上的光強(qiáng)分布，正如前面介紹 的系統(tǒng)，這一般需要通過(guò)移動(dòng)待測(cè)物體或者相機(jī)實(shí)現(xiàn)。這無(wú)可避免地降低了數(shù)據(jù)采集的速 度，使該方法難以應(yīng)用于高速、動(dòng)態(tài)、甚至實(shí)時(shí)測(cè)量場(chǎng)合，從而喪失了其相對(duì)于迭代相位恢 復(fù)方法的最大優(yōu)勢(shì)。針對(duì)此問(wèn)題，近年來(lái)，關(guān)于改進(jìn)光強(qiáng)傳輸方程法強(qiáng)度記錄方式的研究 也層出不窮，它們共同的目的是避免強(qiáng)度圖像采集中所引入的機(jī)械移動(dòng)：如通過(guò)體全息分 束形成多幅強(qiáng)度圖像（[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).)，通過(guò)色差與顏色通道復(fù)用實(shí)現(xiàn)單次彩色圖像曝光獲取三 幅光圖像（[3]L. Waller, S. S. Kou, C. J. R. Sheppard, and G. Barbastathis, "Phase from chromatic aberrations, 〃0pt. Express 18, 22817-22825 (2010) ?)，通過(guò)微流體設(shè)備使樣 品自動(dòng)離焦（[4] S. S. Gorthi and E. Schonbrun，''Phase imaging flow cytometry using a focus-stack collecting microscope, "Opt. Lett. 37, 707-709(2012).)等。盡管這些方法 可以避免采取強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，但相位重建的準(zhǔn)確度上仍然較低，且需要特殊 的成像元件，如體全息與流式細(xì)胞儀，降低了這些系統(tǒng)的實(shí)用性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種單巾貞光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)及其方法，以解決基 于光強(qiáng)傳輸方程的定量相位顯微成像問(wèn)題，有效地將光強(qiáng)傳輸方程法的應(yīng)用范圍從靜止緩 變物體拓展到高速動(dòng)態(tài)物體，實(shí)現(xiàn)高速高分辨率的三維定量相位顯微成像。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種單巾貞光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)，包括 顯微成像系統(tǒng)，所述的顯微成像系統(tǒng)包括集光鏡、聚光鏡孔徑光闌、聚光鏡、待測(cè)樣品、顯微 物鏡、第一反射鏡、與鏡筒透鏡，其中集光鏡將照明光匯聚到聚光鏡孔徑光闌，聚光鏡孔徑 光闌大小可調(diào)，控制照明的通光孔徑，光通過(guò)聚光鏡孔徑光闌發(fā)散后又被聚光鏡收集后照 射樣品，透射過(guò)樣品的光被顯微物鏡收集，并經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡放大后成像在顯微鏡相機(jī)端口 的圖像平面；該相位顯微系統(tǒng)還包括一個(gè)包含空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的分光系統(tǒng)， 該分光系統(tǒng)包括光闌、第一透鏡L1、第二透鏡L2、非偏振分束器、第二反射鏡、空間光調(diào)制器 以及單色C⑶相機(jī)，第一透鏡L1和第二透鏡L2的焦距f = = f2 ;
[0009] 所述的顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面的光經(jīng)過(guò)光闌限制通過(guò)孔徑后，首先經(jīng)過(guò)第一 透鏡L1，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束與反射光束在各自的傅里葉平面處分別 被空間光調(diào)制器與第二反射鏡所反射后通過(guò)第二透鏡L2成像在C⑶相機(jī)上；第一透鏡L1到 顯微鏡圖像平面的端口的距離為fl，第二透鏡L2到C⑶相機(jī)成像平面的端口的距離為f2， 兩透鏡之間的沿光軸距離是fl+f2 ;
[0010] 第二反射鏡放置于4f系統(tǒng)的反射傅里葉平面，空間光調(diào)制器放置于4f系統(tǒng)的透 射傅里葉平面，即位于光路中的第一透鏡L1和第二透鏡L2之間，它們距離第一透鏡L1的軸 向距離均為fl，距離第二透鏡L2的軸向距離均為f2。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)本發(fā)明可以僅采用一個(gè)相機(jī)，單幀同時(shí) 采集兩幅具有不同離焦量的光強(qiáng)圖像。兩幅圖像之間的相對(duì)離焦量可以通過(guò)改變空間光調(diào) 制器上所顯示的自由空間角譜傳輸函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于采集過(guò)程中不需要任何機(jī)械移動(dòng)與調(diào) 整，且僅需要單個(gè)相機(jī)單次曝光，所以本系統(tǒng)可以非常穩(wěn)定、高速地恢復(fù)出定量相位。（2)本 發(fā)明僅采用單次圖像采集實(shí)現(xiàn)定量相位成像、不使用任何機(jī)械移動(dòng)裝置、并可適用于傳統(tǒng) 明場(chǎng)顯微鏡。這令傳統(tǒng)光強(qiáng)傳輸相位成像拓展到可對(duì)快速移動(dòng)的動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行測(cè)量。由于 所采系統(tǒng)基于傳統(tǒng)明場(chǎng)顯微鏡，并采用部分相干照明，所以其相比于干涉法具有更高的空 間分辨率，并避免了散斑噪聲。（3)本發(fā)明測(cè)量時(shí)間得到大大降低。該方法為微光學(xué)元件的 三維面形檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、全視場(chǎng)、無(wú)損的快速定量檢測(cè)方法。
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是傳統(tǒng)光強(qiáng)傳輸方程所采用的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖--4f成像系統(tǒng)。
[0014] 圖2是無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)顯微鏡的原理圖與內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明基于光強(qiáng)傳輸方程的動(dòng)態(tài)定量顯微成像系統(tǒng)中的單幀光強(qiáng)傳輸定 量相位顯微系統(tǒng)原理圖。
[0016] 圖4是圖3的單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)中包含空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié) 構(gòu)的分光系統(tǒng)中沿軸向一光線的傳播路徑示意圖。
[0017] 圖5(a)是微透鏡陣列的實(shí)驗(yàn)的單幀采集的原始圖像。
[0018] 圖5 (b)是求解光強(qiáng)傳輸方程重建得到的連續(xù)相位分布圖；
[0019] 圖5(c)是由圖5(b)經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的包裹相位分布圖；
[0020] 圖5 (d)是數(shù)值全息顯微得到的包裹相位分布圖；
[0021] 圖5(e)是圖5(c)中黑色方框所對(duì)應(yīng)的單個(gè)微透鏡的三維分布圖；
[0022] 圖5 (f)是通過(guò)共聚焦顯微鏡測(cè)量得到的三維形貌圖；
[0023] 圖5(g)是微透鏡高度截面的對(duì)比圖（對(duì)應(yīng)于圖5(c)，圖5(d)，圖5(f)中線段所 標(biāo)示位置）。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 結(jié)合圖3,本發(fā)明的單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)，由兩部分構(gòu)成，一部分為顯 微成像系統(tǒng)1，另一部分是一個(gè)包含空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的分光系統(tǒng)2,這兩部在 圖中分分別由虛線框標(biāo)出。所述的顯微成像系統(tǒng)1包括集光鏡3、聚光鏡孔徑光闌4、聚光鏡 5、待測(cè)樣品6、顯微物鏡7、第一反射鏡8、與鏡筒透鏡9,其中集光鏡3將照明光匯聚到聚光 鏡孔徑光闌4,聚光鏡孔徑光闌4大小可調(diào)，控制照明的通光孔徑，光通過(guò)聚光鏡孔徑光闌4 發(fā)散后又被聚光鏡5收集后照射樣品，透射過(guò)樣品的光被顯微物鏡7收集，并經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡 9放大后成像在顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面10 ;包含空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的分光 系統(tǒng)2包括光闌11、第一透鏡Q12、第二透鏡L216、非偏振分束器13、第二反射鏡14、空間 光調(diào)制器15以及單色C⑶相機(jī)17,第一透鏡L1U和第二透鏡L216的焦距f = = f2 ;
[0025] 所述的顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面10的光經(jīng)過(guò)光闌11限制通過(guò)孔徑后，首先經(jīng) 過(guò)第一透鏡LJ2,然后被一非偏振分束器一分二，透射光束與反射光束在各自的傅里葉平 面處分別被空間光調(diào)制器15與第二反射鏡14所反射后通過(guò)第二透鏡L216成像在C⑶相機(jī) 17上；第一透鏡Q12到顯微鏡圖像平面10的端口的距離為fl，第二透鏡L216到C⑶相機(jī) 17成像平面的端口的距離為f2,兩透鏡之間的沿光軸距離是fl+f2 ;
[0026] 第二反射鏡14放置于4f系統(tǒng)的反射傅里葉平面，空間光調(diào)制器15放置于4f系 統(tǒng)的透射傅里葉平面，即位于光路中的第一透鏡U12和第二透鏡L216之間，它們距離第一 透鏡L112的軸向距離均為fl，距離第二透鏡L216的軸向距離均為f2。
[0027] 本發(fā)明的第二反射鏡14與空間光調(diào)制器15相對(duì)光軸均存在一個(gè)微小的傾角 (a?2° -5° )，因此兩束經(jīng)過(guò)反射的光線將分別具有±〇的角位移，通過(guò)第二透鏡1^16 之后，2 a的角位移將轉(zhuǎn)化為2f sina的橫向位移；緊貼在顯微鏡圖像平面10后放置了一 個(gè)光闌11，以保證最后C⑶相機(jī)17所拍攝到的兩幅子圖像互不重疊。本發(fā)明可以在空間光 調(diào)制器15之前還放置一線偏振片。
[0028] 上述的包含空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的分光系統(tǒng)2是系統(tǒng)的核心部分， 包括光闌11、第一透鏡L112、第二透鏡L216、非偏振分束器13、反射鏡14、空間光調(diào)制器 15(Holoeye Pluto,分辨率1920X1080,像元尺寸8iim，其已經(jīng)配置為2JI范圍的相位 調(diào)制，并被標(biāo)定為線性的電光響應(yīng)特性。）以及單色CCD相機(jī)17(The Imaging Source DMK41AU02, 1280X960,4.65iim pixel size, 15fps)，第一透鏡 L1Il 和第二透鏡 L216 的焦 距 f = = f2 = 1 SOmnin
[0029] 本發(fā)明單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)的成像過(guò)程如下：顯微鏡相機(jī)端口的圖像 平面10的光經(jīng)過(guò)光闌11限制通過(guò)孔徑后，首先經(jīng)過(guò)第一透鏡LJ2,然后被一非偏振分束器 一分二，透射光束與反射光束在各自的傅里葉平面處分別被空間光調(diào)制器15與反射鏡14 所反射后通過(guò)第二透鏡L216成像在C⑶相機(jī)17上。具體光路安排為：第一透鏡LJ2到顯 微鏡圖像平面10的端口的距離為fl = 150mm，第二透鏡1^16到C⑶相機(jī)17成像平面的端 口的距離為f2 = 150mm，兩透鏡之間的沿光軸距離是fl+f2 = 300mm。
[0030] 第二反射鏡14與空間光調(diào)制器15分別放置于4f?系統(tǒng)的兩個(gè)傅里葉平面（反射與 透射），即位于光路中的第一透鏡Q12和第二透鏡L216之間，它們距離第一透鏡Q12的軸 向距離均為fl = 150mm，距離第二透鏡L216的軸向距離均為f2 = 150mm。注意這里舉例說(shuō) 明，選取LdP L2的焦距是相同的，但是實(shí)際上他們可以選用不同的焦距，這里為了方便起見(jiàn) 以f = = f2 = 150mm說(shuō)明。為了實(shí)現(xiàn)單幀采集到兩幅不同離焦量的光強(qiáng)圖像，第二反射 鏡14與空間光調(diào)制器15相對(duì)光軸均存在一個(gè)微小的傾角a?3°，因此兩束經(jīng)過(guò)反射的 光線將分別具有土 a的角位移，通過(guò)第二透鏡1^16之后,2a的角位移將轉(zhuǎn)化為2f sina 的橫向位移，如圖4中所示。為了保證兩幅子圖像互不重疊并最大化地填充C⑶相機(jī)17的 傳感器區(qū)域，緊貼在顯微鏡圖像平面10后放置了一個(gè)光闌11。此外空間光調(diào)制器上顯示一 個(gè)對(duì)應(yīng)于角譜自由空間傳輸函數(shù)的相位圖案（即圖5 (c)中黑色方框中顯示的圖像），這將 使透射圖像產(chǎn)生一個(gè)Az的軸向位移。此外在空間光調(diào)制器15之前還可以放置一線偏振 片（未在圖中畫(huà)出），以使其空間光調(diào)制器工作在高效相位調(diào)制狀態(tài)，并可用于平衡左右兩 幅圖像的平均光強(qiáng)。這里選取L1和L2的焦距是相同的以舉例說(shuō)明，但是實(shí)際上他們可以選 用不同的焦距，這里為了方便起見(jiàn)以f = = = 150mm說(shuō)明。
[0031] 下面來(lái)通過(guò)物理光學(xué)分析整個(gè)系統(tǒng)的成像過(guò)程：考慮到第一透鏡1^12的傅里葉變 換的作用，4f系統(tǒng)傅里葉平面（即空間光調(diào)制器15與第二反射鏡14所在平面）的光波復(fù) 振幅uu，n)將與顯微鏡圖像平面10上的復(fù)振幅U(x，y)的傅里葉變換成比例，其中向量 (€，n) = (u/入f, v/x f)，（U, V)代表相應(yīng)對(duì)于顯微鏡圖像平面10空間坐標(biāo)（X，y)的空 間頻率坐標(biāo)，A為光波波長(zhǎng)。通過(guò)第二反射鏡14后，反射光線的復(fù)振幅可以表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)，包括顯微成像系統(tǒng)（I)，所述的顯微成像系 統(tǒng)（1)包括集光鏡（3)、聚光鏡孔徑光闌（4)、聚光鏡（5)、待測(cè)樣品￠)、顯微物鏡（7)、第 一反射鏡（8)、與鏡筒透鏡（9)，其中集光鏡（3)將照明光匯聚到聚光鏡孔徑光闌（4)，聚光 鏡孔徑光闌（4)大小可調(diào)，控制照明的通光孔徑，光通過(guò)聚光鏡孔徑光闌（4)發(fā)散后又被聚 光鏡（5)收集后照射樣品，透射過(guò)樣品的光被顯微物鏡（7)收集，并經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡（9)放大 后成像在顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面（10);其特征在于該相位顯微系統(tǒng)還包括一個(gè)包含 空間光調(diào)制器的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的分光系統(tǒng)（2)，該分光系統(tǒng)（2)包括光闌（11)、第一透鏡 L1(U)、第二透鏡L2 (16)、非偏振分束器（13)、第二反射鏡（14)、空間光調(diào)制器（15)以及單 色C⑶相機(jī)（17)，第一透鏡L1 (12)和第二透鏡L2 (16)的焦距f = = f2 ; 所述的顯微鏡相機(jī)端口的圖像平面（10)的光經(jīng)過(guò)光闌（11)限制通過(guò)孔徑后，首先經(jīng) 過(guò)第一透鏡L1 (12)，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束與反射光束在各自的傅里葉 平面處分別被空間光調(diào)制器（15)與第二反射鏡（14)所反射后通過(guò)第二透鏡L2(16)成像在 C⑶相機(jī)（17)上；第一透鏡L1 (12)到顯微鏡圖像平面（10)的端口的距離為fl，第二透鏡 L2(16)到C⑶相機(jī)（17)成像平面的端口的距離為f2,兩透鏡之間的沿光軸距離是fl+f2 ; 第二反射鏡（14)放置于4f系統(tǒng)的反射傅里葉平面，空間光調(diào)制器（15)放置于4f系 統(tǒng)的透射傅里葉平面，即位于光路中的第一透鏡L1(U)和第二透鏡L2(16)之間，它們距離 第一透鏡1^(12)的軸向距離均為fl，距離第二透鏡L2(16)的軸向距離均為f2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)，其特征在于第二反射鏡14 與空間光調(diào)制器15相對(duì)光軸均存在一個(gè)微小的傾角a，因此兩束經(jīng)過(guò)反射的光線將分別 具有± a的角位移，通過(guò)第二透鏡1^(16)之后，2a的角位移將轉(zhuǎn)化為2f sina的橫向位 移；緊貼在顯微鏡圖像平面（10)后放置了一個(gè)光闌（11)，以保證最后CCD相機(jī)（17)所拍 攝到的兩幅子圖像互不重疊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)，其特征在于在空間光調(diào)制 器（15)之前還放置一線偏振片。
4. 一種利用單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與重建方法，其特征在于步 驟如下： 第一步：利用CCD相機(jī)（17)采集一副光強(qiáng)圖像，該圖像左右兩側(cè)分別為聚焦的，與一副 具有Az的離焦距離的兩幅子圖像所組成的； 第二步：直接將采集到圖像以中間為參考點(diǎn)，左右一分為二，剪裁得到的兩半分別為 It(x，y)與IJx，y)兩幅子圖像，采用圖像配準(zhǔn)方法對(duì)兩子圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，并保證尺寸完 全一致，處理后最終得到聚焦、離焦兩幅光強(qiáng)圖像，分別記作I(x，y)與IAz(x，y); 第三步：將采集到的聚焦、離焦光強(qiáng)圖像I(x，y)與IAz(x，y)按公式（6)進(jìn)行數(shù)值差 分，得到光強(qiáng)軸向微分W/&

式中▽ 是逆拉普拉斯運(yùn)算符，▽為梯度運(yùn)算符，?為向量點(diǎn)乘，k是波數(shù)，▽與▽ 運(yùn) 算符均通過(guò)傅里葉變換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即
▽ { ? } = F H {i2 uF { ? }，i2 vF { ? }} (9) 其中F代表傅里葉變換，（u，v)是與空間坐標(biāo)（x，y)相對(duì)應(yīng)的頻域坐標(biāo)，i為虛數(shù)單位； 第五步：將相位$ (x，y)通過(guò)式（10)轉(zhuǎn)換為樣品的物理高度/厚度h(x，y)
其中A為光波波長(zhǎng)，An為樣品與周圍介質(zhì)的折射率之差。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述利用單幀光強(qiáng)傳輸定量相位顯微系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與重建方 法，其特征在于第一步的步驟如下：利用CCD相機(jī)（17)采集一副光強(qiáng)圖像，該圖像左右兩側(cè) 分別為聚焦的，與一副具有A z的離焦距離的兩幅子圖像所組成的，A z通過(guò)改變空間光調(diào) 制器（15)上所顯示的角譜傳遞函數(shù)Haz圖案所控制：
其中U，n)為空間光調(diào)制器所在平面的空間坐標(biāo)，A為光波波長(zhǎng)，k為波數(shù)，i為虛 數(shù)單位。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104344793SQ201410594934
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】陳錢, 左超, 馮世杰, 孫佳嵩, 胡巖, 陶天陽(yáng), 顧國(guó)華, 張玉珍, 喻士領(lǐng), 張良, 張佳琳 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)