CN104089573B - 基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统，包括相差显微镜，设在所述相差显微镜的物镜后焦面的为共轭面的偏振方向与补偿面的偏振方向正交的偏振板，在相差显微镜的成像面后面设有空域相移干涉模块。空域相移干涉模块由相位调整装置、分光透镜组、四分之一波片15、偏振分束器以及图像传感器构成。本发明只需要在现有相差显微镜的前提下更换配有相板的物镜，可实现真正的实时测量，可以定量地测量物体，并且可以实现无损地实时测量物体三维信息。

Description

基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统

技术领域

本发明涉及一种光学测量仪器，特别涉及一种基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统。

背景技术

我们知道，普通显微镜成像只是使得光的振幅变化(亮度)和波长变化(颜色)得以被观察，但活的微小生物体大多是无色透明的，当光线通过时，波长和振幅变化不显著，这样在明场镜检查下就难于观测清晰。为了克服这一困难，人们采用了如染色等措施，使得被检物体的颜色及亮度发生变化。但这种方法大部分时候用于非活体状态，应用到活体时效果不是特别理想。当然，缩小聚光镜的孔径光阑，以增加明暗对比，但这样细微结构难于被分辨，同时亮度随之降低。利用暗场、荧光或偏振镜检术，虽然可以观察到活体标本，但效果一般。而采用相衬显微术，则可以使得无色透明活体标本的细微结构可以清晰可见。这种显微镜最大特点是可以观察未经染色的标本和活体细胞。

相差显微镜(phase contrast microscope)又称相衬显微镜，是近代显微镜的重要成就。1935年荷兰学者泽尼克(P.Zernike)提出了相衬原理，至1941年由德国蔡司公司诞生了世界上第一台相衬显微镜。它是光学信息处理概念下第一个产品，因而获得了1953年的诺贝尔物理学奖。

相衬显微镜的成像原理是由于光源通过环状光阑后汇聚成的光束在经过被检物体时，由于各部分的光程不同，光线发生不同程度的偏斜(衍射)。而透明光阑的共轭面与相位板重合。使得未发生偏斜的直射光通过共轭面，发生偏斜的衍射光经过补偿面。由于相位板上的共轭面和补偿面性质不同，他们分别使得通过这两部分的光线产生一定的相位差，两组光再经过透镜汇聚，使得直射光和衍射光发生光的干涉，变相位差变为振幅差。相衬显微镜中物光的零频和高频分量分别充当了一般干涉中的参考光和物光，他们经过了完全相同的光路，因此装置对振动不敏感。

近些年来，借助于计算机的普及，全息干涉术也有了长足的进步。一个最重要的部分就是相移干涉术(Phase-shifting Interferometry，PSI)。PSI不是一种具体的光学硬件结构，而是一种可以用在各种测量条件下的数据获取和数据分析方法。PSI具有相当高的测量重复精度、精度和稳定度。

目前PSI根据获取光强信号的方式大致分为两种：第一种是时域方法，通过改变物光和参考光之间路径差或其他办法产生一个相移。例如美国伊力诺依大学的GabrielPopescu教授所提出的一种基于相衬显微镜的光路：采用空间光调制器(SLM)代替相衬显微镜的相位板，使得参考光(直射光)的相位分别产生0°，90°，180°，270°的偏移，之后利用四步相移算法计算出物体相位分布。

第二种是空域方法，相移由空间位移瞬间形成，或者通过波片之类产生一个固定的相移。空域方法的优势在于它们在一定时间内不需要保持信号稳定，数据采集时间仅仅取决于探测器的积分时间，这就为动态测量提供了有力支持。

使用多图像传感器实现空域同时相移时，通常先将产生干涉的两束光变为偏振方向互为垂直的正交偏振光，通过1/2波片后形成两个相位差为180°的干涉光场，该干涉光场由分光镜BS分为传输方向相互垂直的两部分，一部分由偏振分束镜(PBS)分为两束，分别被两个图像传感器采集后成为相移量为0°和180°的相移干涉图，另一部分再通过一个1/4波片后形成相移量为90°和270°两个干涉光场，由偏振分束镜(PBS)分为两束，分别被两个图像传感器采集后成为相移量为90°和270°的相移干涉图。根据相移算法的要求，通常需要在三个或四个相移通道上采用三到四个图像传感器。

当同时利用相衬显微镜的参考光物光共路的特性以及PSI技术，不仅使得动态定量测量物体变成可能。而且可以在现有技术和器械基础上做适当修改即可完成定量测量。这样可以大大降低光学元件不一致对结果的影响，而且也容易保持干涉的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统，可以定量地测量物体，并且可以实现无损地实时测量物体三维信息。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统，包括相差显微镜，其特征在于：设在所述相差显微镜的物镜后焦面的为共轭面的偏振方向与补偿面的偏振方向正交的偏振板，在相差显微镜的成像面后面设有空域相移干涉模块。

在上述基础上，所述空域相移干涉模块包括顺着光学路径布设的

相位调整装置，置于相差显微镜的成像面后面，用以将两束正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场；

分光透镜组，用以将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；

四分之一波片，设在其中一分路上，用以将线偏振光变成圆偏振光；

偏振分束器，设在每一分路的出光透镜后，用以将偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；以及

图像传感器，分别设在经偏振分束器分成的至少三路光学路径的成像面上。

可优选地，所述相位调整装置为半波片。

在上述基础上，所述分光透镜组包括顺着光学路径布设的

第一傅立叶透镜，置于相位调整装置后面；

非偏振分束器，置于第一傅立叶透镜后面，用以将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；

第二傅立叶透镜，分别设在经非偏振分束器分成的每一分路光学路径上，与第一傅立叶透镜构成4f系统，四分之一波片则设在其中一路的非偏振分束器与第二傅立叶透镜之间，用以将线偏振光变成圆偏振光。

相位调整装置、分光透镜组、四分之一波片、偏振分束器以及图像传感器构成了空域相移干涉模块。相位调整装置将正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场，非偏振分束器(分光棱镜)使这两个干涉光场分离为传播方向相互垂直、偏振方向相互正交的空间相移干涉光场，偏振分束器与1/4波片共同使得几个干涉光场之间的相移量为90°。我们通过这三幅干涉图进行恢复相位分布。

采用本发明所带来的有益效果：

(1)本发明只需要在现有相差显微镜的前提下更换配有偏振板的物镜，以及在出光口部分添加空域相移干涉模块即可实现定量测量。

(2)本发明与其他测量方法相比具有非染色，无接触，实时成像等优点。且成像精度高，计算速度快，实现真正的实时测量。

(3)本发明所提出干涉模块及偏振板制作简单，并且可以与现有相差显微镜集成，有着明显的性能和价格优势。

(4)本发明可以实现对物体的层析，通过相关的算法，可以进一步增强精度。

附图说明

图1为本发明基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统的原理结构图；

图2为本发明的相差显微镜的偏振板的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及的系统将参考光和物光的偏振方向正交，之后通过半波片和1/4波片，获得了相移量分别为0，90，180，270度的干涉光场。三个或四个光电图像传感器同时记录几个通道的图像。之后通过算法计算得到物体的相位信息。

实施方式说明中，光束传输过程中的空间坐标系规定为：光束沿系统光轴传输的方向为z方向，x方向垂直于入射面和z方向，y方向平行于入射面且与z方向垂直，x、y、z三个方向成右手坐标系。

如图1所示，相差显微镜由光源及其调整单元、环状光阑、偏振板以及合轴调节望远镜构成，各部分的构成和功能如下：

光源部分采用卤素灯1，避免了使用具有高度时间相干性的激光会出现的激光散斑。由于白光本身相当短的相干长度(大约是1.2微米)，成像的空间背景噪声就被控制在亚纳米量级。调整单元部分由聚光透镜2、视场光阑3组成。聚光透镜2负责把卤素灯光汇聚，视场光阑3负责控制入射光量。

环状光阑4采用目前相差显微镜上使用的环状光阑，作用就是为了使得卤素灯光通过环状光阑4之后可以造成一个环形光，后经过聚光透镜5可以形成一个光锥照射到待测样品6上。环状光阑4是由大小不同的环状孔组成的，直径和孔宽是与不同物镜7相匹配的。

偏振板8放置在物镜7后焦面，在环状光阑4的共轭面上。偏振板(相板)8包含两个部分，如图2所示，一个是共轭面23，另一个是补偿面24，共轭面8.1的偏振方向与补偿面8.2的偏振方向正交。

合轴调节望远镜与相差显微镜上的相同，是为了聚光镜下的环状光阑4的中心与物镜7光轴完全在一条直线上，这样使得光阑的亮环和偏振板的环状部分重合(共轭重合)，才能使得直射光和衍射光的偏振方向不同，才好使得后面的相移部分产生效果。

空域相移干涉模块由相位调整装置、分光透镜组、四分之一波片15、偏振分束器17以及图像传感器20,21,22构成。相位调整装置，置于相差显微镜的成像面后面，用以将两束正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场。在本实施例中，采用半波片12作为相位调整装置。分光透镜组可将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路，并在其中一分路上设有四分之一波片，用以将线偏振光变成圆偏振光。在本实施例中，分光透镜组包括顺着光学路径布设的第一傅立叶透镜13、非偏振分束器14以及第二傅立叶透镜16,19，第一傅立叶透镜13置于半波片12后面。非偏振分束器14置于第一傅立叶透镜13后面，用以将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路。第二傅立叶透镜16、19分别设在经非偏振分束器14分成的每一路光学路径上，与第一傅立叶透镜13构成4f系统。四分之一波片15则设在其中一路的非偏振分束器14与第二傅立叶透镜16之间，用以将线偏振光变成圆偏振光。偏振分束器17、18分别设在第二傅立叶透镜16、19的后面，用以将偏振光分解为传输方向相互垂直的两路。图像传感器20、21、22设在经偏振分束器17、18分成的至少三路光学路径的成像面上。三个傅立叶透镜13、16、19构成两个4f系统，使得最后可以在摄像机的图像传感器上成像。半波片12将正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场，非偏振分束器14(分光棱镜)使这两个干涉光场分离为传播方向相互垂直、偏振方向相互正交的空间相移干涉光场，偏振分束器17、18与四分之一波片15共同使得几个干涉光场之间的相移量为90°。我们通过这三幅干涉图进行恢复相位分布。

工作原理：

由卤素灯1发出的白光经聚光透镜2汇聚成一束后，进而被视场光阑3限制了光束的粗细，然后光束经过环状光阑4形成环形光束，环形光束上一点的光经过聚光透镜5后成为平行光线光线通过载物台上的样品6时，因样品6内各个质点的折射率不同而发生衍射，即分为未偏向波和偏向波。未偏向波通过物镜7聚焦于偏振板8的共轭面23，偏向波通过物镜7汇聚到偏振板8的补偿面24。由于偏振板8中的共轭面23和补偿面24的偏振方向正交，直射光(作为参考光)和衍射光(作为物光)在后面的共光路部分不能发生干涉。

两束光经过合轴调节望远镜的透镜9和反射镜10在成像面11处成像，传统的相差显微镜的摄像头即应放置在此处。本发明在成像面11后面放置空域干涉模块，即两束偏振方向正交的光经过半波片12后改变了偏振方向，变为x方向和y方向均含参考光波和物光波的正交偏振光，而且两个偏振方向干涉条纹之间的相移量为180°，但两束光各自的偏振方向依然是正交的，后经过第一傅立叶透镜13，被非偏振分束器14将这个正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两个正交偏振光，后面的两个第二傅立叶透镜16、19的前焦点与第一傅立叶透镜13的后焦点重合，构成了两个4f系统，4f系统在这里的作用仅仅是增长光路。在其中的一个4f系统中，加入了快轴方向与x方向夹角为45°的四分之一波片15，它将两束线偏振光变成了圆偏振光。两个4f系统后面各放置一个偏振分束器17、18，这样，可以使得物光和参考光在同一偏振方向(x或y)的光透射，实现干涉。并且，这样使得原本两路光分成了4路。由于相移算法的限制，起码需要三幅干涉图。所以，在这里最少需要三个摄像机完成后续操作所需要的干涉图数量。通过光电图像传感器20、21、22分别采集记录，即可在三个光学路径获得相移量为0°、90°和180°的三幅相移干涉条纹图。

由于白光的相干长度很短，经过上述步骤计算得出的相位分布只是样品在物镜焦平面的相位分布，要得到样品整体的位相分布，需要沿着z轴小幅度移动样品，实现对样品的层析显微。重复多次测量。最后根据算法得到样品的三维相位分布。

Claims (2)

1.一种基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统，包括相差显微镜，其特征在于：设在所述相差显微镜的物镜后焦面的为共轭面的偏振方向与补偿面的偏振方向正交的偏振板，在相差显微镜的成像面后面设有空域相移干涉模块，所述空域相移干涉模块包括顺着光学路径布设的

相位调整装置，置于相差显微镜的成像面后面，用以将两束正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场；

分光透镜组，用以将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；

四分之一波片，设在其中一分路上，用以将线偏振光变成圆偏振光；

偏振分束器，设在每一分路的出光透镜后，用以将偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；以及

图像传感器，分别设在经偏振分束器分成的至少三路光学路径的成像面上；

所述分光透镜组包括顺着光学路径布设的

第一傅立叶透镜，置于相位调整装置后面；

非偏振分束器，置于第一傅立叶透镜后面，用以将正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两路；

第二傅立叶透镜，分别设在经非偏振分束器分成的每一分路光学路径上，与第一傅立叶透镜构成4f系统，四分之一波片则设在其中一路的非偏振分束器与第二傅立叶透镜之间，用以将线偏振光变成圆偏振光。

2.根据权利要求1所述的基于正交偏振光的多通道白光共路干涉显微层析系统，其特征在于：所述相位调整装置为半波片。