CN104111257A - 一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统及方法，充分利用共轴系统的稳定性，将样品放在经过扩束准直的光束中，物光与参考光共光路，一可旋转角度的反射镜将参考光束改变方向，使物光与参考光束重迭相遇，变化反射镜角度可产生对应的同轴、离轴和轻微离轴干涉，其相位干涉图经后置显微镜显微放大后在CCD传感器上产生数字干涉图像。对此干涉图像进行相应的相位恢复和解构运算可得到相位体样品的空间结构形态。本发明在使用过程中有效地减少测量过程中产生的噪音，并且通过改变可旋转反射镜的角度，改变物光束和参考光束之间的夹角，适用于相位体的干涉相位显微成像，其中包括传统的同轴干涉、离轴干涉以及轻微离轴干涉，特别适用于生物细胞形态检测与特征识别的科学研究和临床应用领域。
Description
技术领域
本发明属于相位显微成像技术领域，具体涉及一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像技术。
背景技术
众多生物样品，如活细胞，大部分是无色透明的，而且表现为相位物体。为了使这些相位物体清晰可见，一般需要将相位信息转换为强度分布，为此相位显微成像技术应运而生。近十几年来，各种定量相位显微成像技术相继被提出，为生物细胞的显微观察与动力学行为的研究提供了强有力的工具。相位显微成像技术大部分是基于光的干涉原理，所以此类技术也常被称为干涉相位显微成像技术。
根据物光束和参考光束之间有无夹角及夹角大小，可将数字全息定量相位显微成像技术分为同轴全息、离轴全息及轻微离轴三类。同轴全息：物光束与参考光束传播方向平行于同一轴，其中再现像和共轭像因构成不可分离的孪生像导致不能观察到清晰的原始像，但它对光源的相干性要求不高，对系统的稳定性要求也不高。典型的有由Gabriel Popescu教授研究小组于2004年提出并发展起来的傅里叶相位显微技术(Fourier Phase Microscopy,FPM)。离轴全息：物光与参考光成一定的夹角相干涉投射到记录平面上，离轴全息可以消除同轴全息中共轭像的干扰，还能使成像光波不与零级衍射光波重叠，使成像不受背景光的干扰。典型的有希尔伯特相位显微技术(HPM)。轻微离轴全息：其频谱中再现象、共轭像、零级衍射像的频谱不是完全分开的，而存在部分重叠，相比传统离轴干涉需要更小的CCD空间带宽，相比同轴干涉需要更少的测量，优化了空间分辨率。
如专利技术CN20110374950.7(用于希尔伯特相位成像的系统和方法)，它是基于典型的马赫-曾德尔干涉光路，并采用希尔伯特积分变换处理干涉图像而实现相位成像。该技术具有单次拍摄的特性，采样时间只受记录装置(CCD)的限制可以在毫秒级或更短的时间内精确的定量出纳米级光程变化，从而对于透明结构的动态过程进行量化，但在光路中为了避免显微物镜所引起的球面二次相位误差在样品臂与参考臂上增加了相同的显微物镜，但是光学器件的增加，一定程度上会导致噪声的变大。
本发明充分利用共轴光路的稳定特征，发明了一种可依据检测技术要求的需要，任意选择同轴全息、离轴全息和轻微离轴全息的显微干涉成像方法，应用该装置得到相位干涉图，再进行相应的相位恢复和解构运算可得到相位体样品的空间结构形态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共光路系统下的相位显微干涉成像系统及方法，以同时适用于同轴与离轴干涉以及轻微离轴干涉，在成像过程中极大程度的减小噪声，实现相位物体快速准确成像。
为了解决以上技术问题，本发明采用共光路成像系统，基于后放大干涉的原理，具体技术方案如下：
一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统，其特征在于：包括激光器(1)、第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)、样品(5)、载物台(6)、第一柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)和计算机(12)；
所述激光器(1)、第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)、第一柱面透镜(7)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)的中心都处于同一光轴上，依次放置，其中第一透镜(2)和第二透镜(4)组成扩束系统，针孔空间滤波器(3)置于第一透镜(2)和第二透镜(4)的共焦点处；
所述第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(9)完全相同，具有相同焦距，它们之间的摆放位置相距2倍焦距，可保证经过扩束准直系统的光束在第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(9)之间汇聚，然后在第二柱面透镜(9)后平行，形成柱面场；
所述可旋转反射镜(8)放置在系统中心轴处，与第一柱面透镜(7)相距1倍焦距，可以沿顺时针方向旋转，使得参考光和物光重迭，保证参考光方向发生变化，使参考光能与物光相遇发生干涉，并且通过改变可旋转反射镜(8)的旋转角度的大小，从而改变参考光与物光之间的夹角，选择测量的方式是同轴干涉、离轴干涉或是轻微离轴干涉；
所述载物台(6)是透明装置，垂直于系统中心轴，放置于系统中心轴上方，可保证经过样品的光束可以透过载物台向前传输；
光束沿着所述激光器(1)的输出方向依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、样品(5)、载物台(6)、第一柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)；
沿中轴线将光路分为上下两部分：上部分为物光，依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、载物台(6)上的样品(5)、柱面透镜(7)、柱面透镜(9)；下部分为参考光，依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、柱面透镜(9)，物光和参考光重迭经过显微镜头(10)形成放大的干涉图像A，所述干涉图像A由CCD(11)系统产生数字干涉图像，并储存在计算机(12)上。
根据所述的一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统的方法，其特征在于采用共光路成像系统，利用后放大干涉方法，具体包括以下步骤：
步骤一，由激光器(1)发出的激光束经第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统扩束；
步骤二，使中轴线上方光束通过样品(5)和载物台(6)，后依次经第一柱面透镜(7)、第二柱面透镜(9)形成物光束；中轴线下方光线通过第一柱面透镜(7)，后传输至可旋转反射镜(8)，经所述可旋转反射镜(8)的反射光束，再经柱面透镜(9)形成参考光束；利用可旋转反射镜(8)改变反射角度，从而产生同轴、离轴和轻微离轴干涉；
步骤三，使所述物光束和参考光束相遇产生干涉，经过显微镜头(10)形成放大的干涉图像A；
步骤四，使干涉图像A经过CCD(11)系统产生数字干涉图像B，对此数字干涉图像B进行相位恢复和解构运算，得到相位体样品的相位分布，从而获知相位体样品的空间形态。
本发明的工作原理
本发明装置的主要工作原理是基于双光束干涉形成干涉条纹，由干涉图进行相位恢复及其样品厚度分布解构来实现相位显微成像的目的，具体如下：
激光器(1)发出激光束，光束依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统，沿中轴线将光束分为上下两部分：上部分为物光，物光束依次通过样品(5)和载物台(6)、柱面透镜(7)、柱面透镜(9)；下部分为参考光，参考光束依次通过柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、柱面透镜(9)，物光和参考光重迭经过显微镜头(10)形成放大的干涉图像，该图像由CCD(11)系统产生数字干涉图像，并储存在计算机(12)上。对此干涉图像进行相应的相位恢复和解构运算，可以得到相位体样品的相位分布，从而获知相位体样品的空间形态。
本发明具有有益效果
1. 本发明采用共光路系统保证了发明系统可靠性与稳定性，并且减少了使用过程中的噪声，确保后期样品解构的准确性；2. 本发明通过旋转可旋转反射镜，同轴干涉和离轴干涉可自由转换，还包括能够有效利用CCD空间带宽的轻微离轴干涉；3. 本发明运用柱面透镜可保证光束的平行，使光路更加稳定；4. 本发明将显微物镜位于干涉系统之后，可减少相位噪声。因此，本发明系统应用面广，具有很好的使用价值。
附图说明
图1是本发明基于共光路系统下的相位显微干涉成像技术及方法对应的光路示意图。
图中：1.激光器；2.第一透镜；3.针孔空间滤波器；4.第二透镜；5.样品；6.载物台7.第一柱面透镜；8.可旋转反射镜；9.第二柱面透镜；10.显微镜头；11.CCD；12.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明基于共光路系统下的相位显微干涉成像技术及方法对应的光路如图1所示。
激光器1发出水平方向的光束，向前传输通过有第一透镜2、真空滤波器3与第二透镜4组成的扩束准直系统后，中心轴以上的透射光束继续水平向前传输通过样品5和载物台6，再通过第一柱面透镜7，作为样品光；中心轴以下的光束水平向前传输，通过第一柱面透镜7会聚，然后通过可旋转反射镜8改为在中心轴下方传输的光线，此光束未经过样品而作为参考光，与样品光相遇产生干涉；若调整可旋转反射镜8的转向，改变参考光的传播方向，与样品发生同轴、离轴或是轻微离轴干涉；干涉后的图样经过第二柱面透镜后，经干涉系统后的显微镜头10放大，在CCD11上形成干涉图样，最后通过对应相位的恢复运算就可实现定量相位成像，这个过程可在计算机12上通过对应软件系统操作完成。
Claims (2)
1.一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统，其特征在于：包括激光器(1)、第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)、样品(5)、载物台(6)、第一柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)和计算机(12)；
所述激光器(1)、第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)、第一柱面透镜(7)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)的中心都处于同一光轴上，依次放置，其中第一透镜(2)和第二透镜(4)组成扩束系统，针孔空间滤波器(3)置于第一透镜(2)和第二透镜(4)的共焦点处；
所述第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(9)完全相同，具有相同焦距，它们之间的摆放位置相距2倍焦距，可保证经过扩束准直系统的光束在第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(9)之间汇聚，然后在第二柱面透镜(9)后平行，形成柱面场；
所述可旋转反射镜(8)放置在系统中心轴处，与第一柱面透镜(7)相距1倍焦距，可以沿顺时针方向旋转，使得参考光和物光重迭，保证参考光方向发生变化，使参考光能与物光相遇发生干涉，并且通过改变可旋转反射镜(8)的旋转角度的大小，从而改变参考光与物光之间的夹角，选择测量的方式是同轴干涉、离轴干涉或是轻微离轴干涉；
所述载物台(6)是透明装置，垂直于系统中心轴，放置于系统中心轴上方，可保证经过样品的光束可以透过载物台向前传输；
光束沿着所述激光器(1)的输出方向依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、样品(5)、载物台(6)、第一柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、第二柱面透镜(9)、显微镜头(10)、CCD(11)；
沿中轴线将光路分为上下两部分：上部分为物光，依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、载物台(6)上的样品(5)、柱面透镜(7)、柱面透镜(9)；下部分为参考光，依次通过由第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)和第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统、柱面透镜(7)、可旋转反射镜(8)、柱面透镜(9)，物光和参考光重迭经过显微镜头(10)形成放大的干涉图像A，所述干涉图像A由CCD(11)系统产生数字干涉图像，并储存在计算机(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于共光路系统下的相位显微干涉成像系统的方法，其特征在于采用共光路成像系统，利用后放大干涉方法，具体包括以下步骤：
步骤一，由激光器(1)发出的激光束经第一透镜(2)、针孔空间滤波器(3)、第二透镜(4)组成的透镜扩束准直系统扩束；
步骤二，使中轴线上方光束通过样品(5)和载物台(6)，后依次经第一柱面透镜(7)、第二柱面透镜(9)形成物光束；中轴线下方光线通过第一柱面透镜(7)，后传输至可旋转反射镜(8)，经所述可旋转反射镜(8)的反射光束，再经柱面透镜(9)形成参考光束；利用可旋转反射镜(8)改变反射角度，从而产生同轴、离轴和轻微离轴干涉；
步骤三，使所述物光束和参考光束相遇产生干涉，经过显微镜头(10)形成放大的干涉图像A；
步骤四，使干涉图像A经过CCD(11)系统产生数字干涉图像B，对此数字干涉图像B进行相位恢复和解构运算，得到相位体样品的相位分布，从而获知相位体样品的空间形态。
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