CN100451607C - 位相物体扫描成像方法及其处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位相物体扫描成像方法及其处理装置，根据双点源光束干涉原理，在两极大光点附近放置平移扫描台及位相样品，利用测量干涉条纹的周期及错位量，通过对位相物体逐点扫描，而得到位相物体的位相分布。本方法的位相分辨率高，精度达到λ/50或π/25，易于实现位相物体的假彩色化，而且通过计算机的图像处理技术实现位相物体位相或光程的重构，可实现测量及显示过程的自动化。本发明的处理装置设计紧凑，调节方便，易于观察，成本较低。本方法适用于位相变化范围较大的位相物体和部分吸收或弱散射的位相物体，另外由于本方法能得到位相物体的厚度分布或折射率分布，因此也可用于薄膜厚度或折射率的定量测量。

Description

位相物体扫描成像方法及其处理装置

技术领域

本发明属于位相物体扫描成像领域，尤其涉及位相物体扫描成像方法及其处理装置。

背景技术

生物及医学样品的观察、显示和记录一直是人们探讨和研究的课题，特别是对透明或弱吸收透明物体或生物活体样品的成像，仍在不断探索之中。常见的显微术和扫描成像技术主要针对有吸收或反射的样品，或把透明的物体染色后再观察或显示，应用受到限制。现有技术虽然发展了适用于位相物体显像和观察的相衬法、暗场法和刀口法等，但这些方法仅局限于位相物体的位相变化小于1的情况，对位相变化较大的物体的应用不理想。

发明内容

针对现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种位相物体扫描成像方法及其处理装置，本方法通过对位相物体进行逐点扫描，采用双光束干涉的原理获取物体各点位相，再借助计算机图像处理技术实现位相物体的位相分布重构，使位相分布与亮度或灰度或颜色分布有对应关系。

本方法能自动完成位相物体位相分布的测量及其图像重构或显示，位相大小与显示的图像强度有线性关系，位相变化范围达2π，位相分辨率为

或

可实现透明物体或弱吸收透明物体以至部分吸收或弱散射物体的成像及观察。

本方法包括以下步骤：

(1)由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理形成一束理想的平行光；

(2)平行光经双面镜反射后，形成两束有较小夹角θ的平行光，通过凸透镜在其频谱面上形成两个极大光点，并在远处出现双光束干涉条纹区，在干涉区放置条纹接收及测量装置，获取位相物体某点的位相；

(3)在凸透镜的频谱面上放置由步进电机控制的两维微动平移扫描样品台，将位相物体置于样品台上，调节位相物体位置，使其中一个极大光点通过位相物体，先后测量光点未通过和通过位相物体时干涉条纹的错位量和周期；

(4)逐点扫描位相物体，以干涉条纹的错位量为计算依据，利用图像处理技术，实现位相物体位相分布的重构和显示。

上述方法中，步骤(1)中光束处理机构包括扩束镜、针孔滤波器和准直透镜，它们沿光束前进方向依次共轴(光轴)排列。单色光经光束处理机构处理，形成平行光的过程如下：单色光首先经过扩束镜扩束，经过一个针孔滤波器实现低通滤波，再经过准直透镜形成平行光。

步骤(2)中平行光经双面镜反射后形成两束有较小夹角θ的平行光，夹角θ可通过调节双面反射镜的夹角来改变，双光束在凸透镜频谱面上形成两极大光点，其干涉条纹区的范围较大，还可通过放置成像透镜的方法来减少干涉条纹观察区与位相物体之间的距离，使装置紧凑，便于安放条纹接收和测量装置。

在步骤(3)中，两维微动平移扫描样品台具有如下功能：手动及自动扫描兼顾。手动调节用于大范围的位相物体位置(包括沿光轴方向)的调节及定位，自动扫描由计算机控制细分的步进电机实现，对位相物体选定区域进行逐点扫描，步距可在1μm～100μm内调节，扫描范围大于10mm。位相物体严格位于凸透镜的频谱面上，这样在双光束干涉条纹区出现按正弦规律变化的干涉条纹，其间隔或周期可由条纹接收和测量装置测量。为了减少误差，对承放位相物体的载波片的不平度及折射率也有要求。由载波片引起的光程或位相起伏要求小于或

由于位相物体及载波片都是透明的，先让两极大光点同时通过载波片，用条纹接收及测量装置测量干涉条纹的周期；然后沿垂直于光轴方向移动位相物体，使其中一个较大光点透过位相物体，而另一个较大光点仍透过载波片，这时，干涉条纹会发生位移，再用条纹接收和测量装置测量条纹的错位量。当较大光点在位相物体的范围内扫描，各点的条纹错位量不一样，它的变化反映了物体的位相和光程分布。

在步骤(4)中，位相物体上某点的位相φ(x，y)与干涉条纹的错位量α(x，y)及条纹周期t的关系为：

$\mathrm{\φ}(x,y)=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\α}(x,y)}{t}---\left(1\right)$

在(1)式中α(x，y)反映了物体位相分布情况。根据光的干涉理论和简单的计算，两次测量位相物体引入的光程改变为

$\mathrm{\Δ}(x,y)=d(x,y)[n(x,y)-1]=\frac{\mathrm{\α}(x,y)}{t}\mathrm{\λ}---\left(2\right)$

可见α(x，y)也反映了物体的光程分布Δ(x，y)，(2)式中d(x，y)和n(x，y)分别是表示物体的厚度分布和折射率分布，

若n(x，y)＝n₀，则

$\mathrm{\Δ}(x,y)=d(x,y)(n_0-1)=\frac{\mathrm{\α}(x,y)}{t}\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

α(x，y)反映了位相物体的厚度分布d(x，y)。

若d(x，y)＝d₀，则

$\mathrm{\Δ}(x,y)=d_{0}n(x,y)-d_0=\frac{\mathrm{\α}(x,y)}{t}\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

α(x，y)与物体的折射率分布n(x，y)成正比，反映了位相物体的折射率分布。因此，一般来说，α(x，y)反映了物体内部折射率及厚度联合作用的位相分布情况。若令α(x，y)与亮度I(x，y)成线性关系，即

$I(x,y)=\mathrm{K\α}(x,y)=\frac{\mathrm{Kt}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\Φ}(x,y)---\left(5\right)$

(5)式中K为比例常数。这样，亮度分布I(x，y)线性地反映了位相物体的位相Φ(x，y)的分布或光程Δ(x，y)分布，实现了位相与亮度的转化和位相物体的图像重构和显示。

为了提高测量α(x，y)的精度，还要利用各种图像获取及处理技术，如对干涉图的对比度增强、边缘锐化、曲线拟合、条纹位移判读、图像的合成及重构。

本发明方法的位相物体重构像最小横向分辨率主要由凸透镜的孔径决定。据瑞利判据

$\mathrm{\δ}=1.22\frac{\mathrm{\λf}}{D}---\left(6\right)$

(6)式中，δ为最小分辨距离，λ为照明单色光波长，f和D分别为凸透镜的焦距和直径。

实际显示的图像分辨率距离要比δ大，也与两维微动平移扫描样品台的实际步进分辨率有关。

为实现本发明方法，必须采用专门设计的位相物体扫描成像处理装置。本发明的位相物体扫描成像处理装置包括光源、凸透镜、条纹接收及测量装置，还包括扩束镜、针孔滤波器、准直透镜、双面镜、两维微动平移扫描样品台、步进电机和计算机；沿光束前进方向，依次共轴(光轴)排列着光源、扩束镜、针孔滤波器、准直透镜、双面镜、凸透镜、两维微动平移扫描样品台和条纹接收及测量装置，各部件由光具座或光学平台固定，相邻部件之间的距离和位置可以调节；条纹接收及测量装置与计算机联接，计算机、步进电机、两维微动平移扫描样品台依次联接。

由于干涉条纹区的范围较大，所以还可通过在两维微动平移扫描样品台与条纹接收及测量装置之间放置成像透镜的方法来减少干涉条纹观察区与位相物体之间的距离，使装置紧凑，便于安放条纹接收和测量装置。

在上述装置中，扩束镜和准直透镜的相互距离等于它们的焦距之和，由双面镜反射的两光束夹角θ和凸透镜的焦距f有如下的关系：x＝θf，式中x为频谱面上两极大光点的距离。

本发明的原理是：由双面镜产生的双光束通过透镜形成两个极大光点，在频谱面上放置两维微动平移扫描台及位相物体，使其中一个极大点通过位相物体，在双光束的干涉区测量干涉条纹的错位量和周期，得到位相物体的位相分布，通过计算机的图像处理技术实现位相物体位相或光程的重构，获得位相物体的两维成像。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)由于自动扫描由计算机控制细分的步进电机实现，步距可在1μm～100μm内调节，扫描范围大于10mm，因此本方法的位相分辨率高，精度达到

或

(2)本方法适用于位相变化范围较大的位相物体和部分吸收或弱散射的位相物体，位相分布与图像亮度分布能保持良好的线性关系；

(3)本方法能得到位相物体的厚度分布或折射率分布，并可用于薄膜厚度或折射率的定量测量；

(4)本发明易于实现位相物体的假彩色化，而且通过计算机的图像处理技术实现位相物体位相或光程的重构，可实现测量及显示过程的自动化；

(5)本发明的处理装置设计紧凑，调节方便，易于观察，成本较低。

附图说明

图1是本发明的位相物体扫描成像方法的过程方框图；

图2是本发明的位相物体扫描成像处理装置的第一种实施方式的结构示意图(除光具座或光学平台外)；

图3是本发明的位相物体扫描成像处理装置的第二种实施方式的结构示意图(除光具座或光学平台外)；

图4是本发明的位相物体扫描成像处理装置的第三种实施方式的结构示意图(除光具座或光学平台外)。

图中：1-光源  2-扩束镜  3-针孔滤波器  4-准直透镜  5-双面镜  6-凸透镜  7-两维微动平移扫描样品台  8-条纹接收及测量装置  9-步进电机10-计算机  11-位相物体

图3中：12为成像透镜    图4中：13为凸透镜

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明方法包括如下步骤：

(1)由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理形成一束理想的平行光；(2)平行光经双面镜反射后，形成两束有较小夹角θ的平行光，通过凸透镜在其频谱面上形成两个极大光点，并在远处出现双光束干涉条纹区，在干涉区放置条纹接收及测量装置，获取位相物体某点的位相；(3)在凸透镜的频谱面上放置由步进电机控制的两维微动平移扫描样品台，将位相物体置于样品台上，调节位相物体位置，使其中一个极大光点通过位相物体，先后测量光点未通过和通过位相物体时干涉条纹的错位量和周期；(4)逐点扫描位相物体，以干涉条纹的错位量为计算依据，利用图像处理技术，实现位相物体位相分布的重构和显示。

图2是本发明的位相物体扫描成像处理装置的一种典型实施方式，该装置包括光源1、扩束镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、双面镜5、凸透镜6、两维微动平移扫描样品台7、条纹接收及测量装置8、步进电机9和计算机10；沿光束前进方向，依次共轴(光轴)排列着光源1、扩束镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、双面镜5、凸透镜6、两维微动平移扫描样品台7、条纹接收及测量装置8，其相互位置保证由光源1发射的一束单色光经扩束镜2、针孔滤波器3和准直透镜4处理，形成一束平行光，经双面镜5反射后形成两束有较小夹角θ的平行光入射凸透镜6，在凸透镜6的频谱面上出现两个极大光点，并通过放置于两维微动平移扫描样品台7上的位相物体11，在条纹干涉区内置条纹接收及测量装置8，各部件由光具座或光学平台固定，相邻部件之间的距离和位置可以调节；条纹接收及测量装置7与计算机10联接，计算机10、步进电机9、两维微动平移扫描样品台7依次联接。

扩束镜2和准直透镜4的相互距离等于它们的焦距之和，由双面镜5反射的两光束夹角θ和凸透镜6的焦距f有如下的关系：x＝θf，式中x为频谱面上两极大光点的距离。

光源1是单色光源，可采用各类小功率激光器，如He-Ne激光器和半导体激光器，也可以采用传统的光源经滤色片或单色仪分光获得，如白炽灯、氙灯和汞灯等；准直透镜4和扩束镜2构成倒望远镜系统，获得一束平行光；针孔滤波器3可由黑色的金属片打上直径为几个微米到几十个微米的小孔而制成，使平行光无干扰且光斑更加均匀；双面镜5由镀膜玻璃或金属片制成，它们的夹角可以微调，获得两束有小夹角的平行光；凸透镜6可以由玻璃、纤维或其他透明材料制成；两维微动平移扫描样品台7由计算机10及步进电机9驱动，可以沿x及y方向扫描或微动，其扫描精度及方式由计算机控制；条纹接收及测量装置8由一维线阵或两维面阵光电探测器或摄像头(如CCD或SSPD等)和调节与固定机构组成；整个位相物体扫描成像系统可设计成小型的专用智能仪器，以便安装、调整及使用。

本装置光路可按下述步骤进行调整：首先调节光束与光具座或光学平台平行，使扩束镜2、准直透镜4和凸透镜6共轴；调节扩束镜2与准直透镜4的相互位置，插入针孔滤波器3，获得一束均匀的平行光，调节双面镜5的夹角，使凸透镜6频谱面上的两个极大光点的距离适合，在干涉区放置条纹接收及测量装置8；最后在两维微动平移扫描样品台7上放置位相物体11，由计算机自动完成扫描过程并进行数据处理。

图3是本发明的装置的第二种实施方式，比图2多了一个成像透镜12。即在两维微动平移扫描样品台7与条纹接收及测量装置8之间放置成像透镜12，可方便调节干涉条纹的大小并对条纹进行预处理，使装置紧凑，便于安放条纹接收和测量装置。

图4是本发明的装置的第三种实施方式，比图2少了一个凸透镜6，并把准直透镜4换成凸透镜13，凸透镜13既有变换作用，又有聚光的作用，相当于图1中准直透镜4和凸透镜6的作用。本实施方式更加简单、紧凑和小型化。

上述方法及三种实施例都是根据双点源光束干涉原理，在两极大光点附近放置平移扫描台及位相样品，利用测量干涉条纹的周期及错位量，通过对位相物体逐点扫描，而得到位相物体的位相分布或光程分布。

总之，本发明的实施不局限于上述方案，只要根据双点源光束干涉原理，在两极大光点附近放置平移扫描台及位相样品，利用测量干涉条纹的周期及错位量，通过对位相物体逐点扫描，而得到位相物体的位相分布或光程分布的方法、装置与系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种位相物体扫描成像方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理形成一束理想的平行光；

第二步，平行光经双面镜反射后，形成两束有较小夹角θ的平行光，通过凸透镜在其频谱面上形成两个极大光点，并在远处出现双光束干涉条纹区，在于涉区放置条纹接收及测量装置，获取位相物体某点的位相；

第三步，在凸透镜的频谱面上放置由步进电机控制的两维微动平移扫描样品台，将位相物体置于样品台上，调节位相物体位置，使其中一个极大光点通过位相物体，先后测量光点未通过和通过位相物体时干涉条纹的错位量和周期；

第四步，逐点扫描位相物体，以干涉条纹的错位量为计算依据，利用图像处理技术，实现位相物体位相分布的重构和显示。

2.根据权利要求1所述的位相物体扫描成像方法，其特征在于所述光束处理机构包括扩束镜、针孔滤波器和准直透镜，它们沿光束前进方向依次共轴排列。

3.一种位相物体扫描成像处理装置，包括光源、凸透镜、条纹接收及测量装置，其特征在于还包括扩束镜、针孔滤波器、准直透镜、双面镜、两维微动平移扫描样品台、步进电机和计算机；沿光束前进方向，依次共轴排列着光源、扩束镜、针孔滤波器、准直透镜、双面镜、凸透镜、两维微动平移扫描样品台和条纹接收及测量装置，各部件由光具座或光学平台固定，相邻部件之间的距离和位置可以调节；所述条纹接收及测量装置与计算机联接，计算机、步进电机、两维微动平移扫描样品台依次联接。

4.根据权利要求3所述的位相物体扫描成像处理装置，其特征在于扩束镜和准直透镜的相互距离等于它们的焦距之和。

5.根据权利要求3所述的位相物体扫描成像处理装置，其特征在于双面镜反射的两光束夹角θ和凸透镜的焦距f有这样的关系：x＝θf，式中x为凸透镜频谱面上两极大光点的距离。

6.根据权利要求3所述的位相物体扫描成像处理装置，其特征在于在两维微动平移扫描样品台与条纹接收及测量装置之间放置成像透镜。

7.根据权利要求6所述的位相物体扫描成像处理装置，其特征在于扩束镜和准直透镜的相互距离等于它们的焦距之和。

8.根据权利要求6所述的位相物体扫描成像处理装置，其特征在于双面镜反射的两光束夹角θ和凸透镜的焦距f有这样的关系：x＝θf，式中x为凸透镜频谱面上两极大光点的距离。

9.一种位相物体扫描成像处理装置，包括光源、凸透镜、条纹接收及测量装置，其特征在于还包括扩束镜、针孔滤波器、双面镜、两维微动平移扫描样品台、步进电机和计算机；沿光束前进方向，依次共轴排列着光源、扩束镜、针孔滤波器、凸透镜、双面镜、两维微动平移扫描样品台和条纹接收及测量装置，各部件由光具座或光学平台固定，相邻部件之间的距离和位置可以调节；所述条纹接收及测量装置与计算机联接，计算机、步进电机、两维微动平移扫描样品台依次联接。

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