CN104344793A - 单帧光强传输定量相位显微系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单帧光强传输定量相位显微系统及其方法，利用迈克尔逊结构实现分光，并采用空间光调制器进行数字离焦，从而可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，将采集到的一系列光强分布通过求解光强传输方程，可实现相位信息的定量获取。本发明可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，大大提高了系统的采集速度以及准确度，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。

Description

单帧光强传输定量相位显微系统及其方法

技术领域

本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程的动态定量显微成像装置及其方法。

背景技术

相位恢复是光学测量与成像技术的一个重要课题，无论在生物医学还是工业检测领域，相位成像技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量近半个世纪的进展，最经典的相位测量方法应该非干涉测量法莫属。然而，干涉测量法的缺点也十分明显：干涉测量一般需要高度相干性的光源(如激光)，从而需要较为复杂的干涉装置；额外的参考光路的引入导致对于测量环境的要求变得十分苛刻；高相干性的光源引入的散斑相干噪声限制了成像系统的空间分辨率与测量精度。

不同与干涉测量，另一类非常重要的相位测量技术并不需要借助干涉，它们统称为相位恢复。由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅/强度十分容易。因此，可以将由强度分布来恢复(估算)相位这一过程考虑为一个数学上的“逆问题”，即相位恢复问题。相位恢复方法还可细分为迭代法与直接法。光强传输方程法是相位恢复方法中的一种典型的直接法。光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，其阐明了沿着光轴方向上光强度的变化量与光轴垂直的平面上光波的相位的定量关系。在光强轴向微分以及光强分布已知的情况下，通过数值求解光强传输方程可直接获取相位信息。相比与干涉法与迭代相位恢复法，其主要优点包括：(1)非干涉，仅仅通过测量物面光强直接求解相位信息，不需要引入额外参考光；(2)非迭代，通过直接求解微分方程获得相位；(3)可以很好的应用于白光照明，如传统明场显微镜中的科勒照明(illumination)；(4)无需相位解包裹，直接获取相位的绝对分布，不存在一般干涉测量中的2π相位包裹问题；(5)无须复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，振动不敏感。

光强传输方程法需要采集不同离焦面上的光强信息。为了采集这些离焦光强图像，通常需要采用一个4f系统对物体进行成像([1]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).)，光路结构如图1所示。其中光源经过扩束准直后照射物平面上的待测物体，经过傅里叶变换透镜L₁在透镜后焦面，即傅里叶变换平面(频谱面)形成物体的傅里叶变换频谱，经过频谱滤波后通过傅里叶变换透镜L₂，在像面形成物体的像。由于4f系统中物象呈严格共轭关系，所以通过移动物平面或者移动图像平面(相机)都可以获得物体离焦面上的光强信息。这两种方式在本质上是等价的，但考虑横向与轴向放大率之间的关系，物面离焦距离与相面离焦距离之间的比例会相差f₂ ²/f₁ ²的比例系数。

图1所示的4f系统相比于单个透镜的成像系统，最大的特点在于其远心光路结构。传统非远心成像系统仅仅采用透镜L₁进行成像，在成像面会产生额外的球面像差，这将会导致光学系统的放大率随着离焦距离的变化而改变，从而使问题复杂化。其实这个问题在显微镜的设计中早已被考虑到了。远心光路的成像结构在显微镜中又称为无限远校正光学系统，如图2所示。无限远校正光学系统中，标本通过物镜的光线不再由物镜成像，而是作为无限远的平行光束进入镜筒透镜(tube lens)，由镜筒透镜成像。由于物镜与镜筒透镜之间为平行光线，其具有下述优点：改变成像面距离，倍率不会改变；物镜与成像透镜之间插入平行平板元件(如偏振光学元件，滤波片等)，也能保持齐焦，成像不会发生偏移。对比图1与图2，可建立如下联系图1的准直透镜等价于无穷远校正显微镜中的聚光镜，而透镜L₁等价于显微镜中的显微物镜，透镜L₂等价于显微镜中的镜筒透镜，显微镜内部参数之间的关系如图右侧所示。其中镜筒透镜焦距范围取决于不同的制造商，一般在160至200毫米之间。所以本质上而言，无穷远校正显微镜本身就是一套理想的远心成像系统，所以可直接将显微镜采集的光强图像用于光强传输方程相位恢复。只需要简单地移动显微镜的载物台，或者移动显微镜相机接口处的相机平面，就可以获得不同聚焦面上的等倍率的离焦光强图像了。

算法的非迭代性是光强传输方程法固有的一大优势，然而该方法本身需要获得光强的轴向微分，从而需要采集两个或多个与光轴垂直的平面上的光强分布，正如前面介绍的系统，这一般需要通过移动待测物体或者相机实现。这无可避免地降低了数据采集的速度，使该方法难以应用于高速、动态、甚至实时测量场合，从而丧失了其相对于迭代相位恢复方法的最大优势。针对此问题，近年来，关于改进光强传输方程法强度记录方式的研究也层出不穷，它们共同的目的是避免强度图像采集中所引入的机械移动：如通过体全息分束形成多幅强度图像([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).)，通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取三幅光图像([3]L.Waller,S.S.Kou,C.J.R.Sheppard,and G.Barbastathis,"Phase from chromaticaberrations,"Opt.Express 18,22817-22825(2010).)，通过微流体设备使样品自动离焦([4]S.S.Gorthi and E.Schonbrun,"Phase imaging flow cytometry using a focus-stackcollecting microscope,"Opt.Lett.37,707-709(2012).)等。尽管这些方法可以避免采取强度图像所引入的机械移动，但相位重建的准确度上仍然较低，且需要特殊的成像元件，如体全息与流式细胞仪，降低了这些系统的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单帧光强传输定量相位显微系统及其方法，以解决基于光强传输方程的定量相位显微成像问题，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单帧光强传输定量相位显微系统，包括显微成像系统，所述的显微成像系统包括集光镜、聚光镜孔径光阑、聚光镜、待测样品、显微物镜、第一反射镜、与镜筒透镜，其中集光镜将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑，聚光镜孔径光阑大小可调，控制照明的通光孔径，光通过聚光镜孔径光阑发散后又被聚光镜收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜收集，并经过镜筒透镜放大后成像在显微镜相机端口的图像平面；该相位显微系统还包括一个包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统，该分光系统包括光阑、第一透镜L₁、第二透镜L₂、非偏振分束器、第二反射镜、空间光调制器以及单色CCD相机，第一透镜L₁和第二透镜L₂的焦距f＝f₁＝f₂；

所述的显微镜相机端口的图像平面的光经过光阑限制通过孔径后，首先经过第一透镜L₁，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束与反射光束在各自的傅里叶平面处分别被空间光调制器与第二反射镜所反射后通过第二透镜L₂成像在CCD相机上；第一透镜L₁到显微镜图像平面的端口的距离为f1，第二透镜L₂到CCD相机成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的沿光轴距离是f1+f2；

第二反射镜放置于4f系统的反射傅里叶平面，空间光调制器放置于4f系统的透射傅里叶平面，即位于光路中的第一透镜L₁和第二透镜L₂之间，它们距离第一透镜L₁的轴向距离均为f1，距离第二透镜L₂的轴向距离均为f2。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明可以仅采用一个相机，单帧同时采集两幅具有不同离焦量的光强图像。两幅图像之间的相对离焦量可以通过改变空间光调制器上所显示的自由空间角谱传输函数来实现。由于采集过程中不需要任何机械移动与调整，且仅需要单个相机单次曝光，所以本系统可以非常稳定、高速地恢复出定量相位。(2)本发明仅采用单次图像采集实现定量相位成像、不使用任何机械移动装置、并可适用于传统明场显微镜。这令传统光强传输相位成像拓展到可对快速移动的动态物体进行测量。由于所采系统基于传统明场显微镜，并采用部分相干照明，所以其相比于干涉法具有更高的空间分辨率，并避免了散斑噪声。(3)本发明测量时间得到大大降低。该方法为微光学元件的三维面形检测提供了一种简单准确、全视场、无损的快速定量检测方法。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是传统光强传输方程所采用的实验装置原理图——4f成像系统。

图2是无限远校正光学显微镜的原理图与内部参数之间的关系图。

图3是本发明基于光强传输方程的动态定量显微成像系统中的单帧光强传输定量相位显微系统原理图。

图4是图3的单帧光强传输定量相位显微系统中包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统中沿轴向一光线的传播路径示意图。

图5(a)是微透镜阵列的实验的单帧采集的原始图像。

图5(b)是求解光强传输方程重建得到的连续相位分布图；

图5(c)是由图5(b)经过数值计算得到的包裹相位分布图；

图5(d)是数值全息显微得到的包裹相位分布图；

图5(e)是图5(c)中黑色方框所对应的单个微透镜的三维分布图；

图5(f)是通过共聚焦显微镜测量得到的三维形貌图；

图5(g)是微透镜高度截面的对比图(对应于图5(c)，图5(d)，图5(f)中线段所标示位置)。

具体实施方式

结合图3，本发明的单帧光强传输定量相位显微系统，由两部分构成，一部分为显微成像系统1，另一部分是一个包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统2，这两部在图中分分别由虚线框标出。所述的显微成像系统1包括集光镜3、聚光镜孔径光阑4、聚光镜5、待测样品6、显微物镜7、第一反射镜8、与镜筒透镜9，其中集光镜3将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑4，聚光镜孔径光阑4大小可调，控制照明的通光孔径，光通过聚光镜孔径光阑4发散后又被聚光镜5收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜7收集，并经过镜筒透镜9放大后成像在显微镜相机端口的图像平面10；包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统2包括光阑11、第一透镜L₁12、第二透镜L₂16、非偏振分束器13、第二反射镜14、空间光调制器15以及单色CCD相机17，第一透镜L₁12和第二透镜L₂16的焦距f＝f₁＝f₂；

所述的显微镜相机端口的图像平面10的光经过光阑11限制通过孔径后，首先经过第一透镜L₁12，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束与反射光束在各自的傅里叶平面处分别被空间光调制器15与第二反射镜14所反射后通过第二透镜L₂16成像在CCD相机17上；第一透镜L₁12到显微镜图像平面10的端口的距离为f1，第二透镜L₂16到CCD相机17成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的沿光轴距离是f1+f2；

第二反射镜14放置于4f系统的反射傅里叶平面，空间光调制器15放置于4f系统的透射傅里叶平面，即位于光路中的第一透镜L₁12和第二透镜L₂16之间，它们距离第一透镜L₁12的轴向距离均为f1，距离第二透镜L₂16的轴向距离均为f2。

本发明的第二反射镜14与空间光调制器15相对光轴均存在一个微小的倾角(α≈2°-5°)，因此两束经过反射的光线将分别具有±α的角位移，通过第二透镜L₂16之后，2α的角位移将转化为2f sinα的横向位移；紧贴在显微镜图像平面10后放置了一个光阑11，以保证最后CCD相机17所拍摄到的两幅子图像互不重叠。本发明可以在空间光调制器15之前还放置一线偏振片。

上述的包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统2是系统的核心部分，包括光阑11、第一透镜L₁12、第二透镜L₂16、非偏振分束器13、反射镜14、空间光调制器15(Holoeye Pluto,分辨率1920×1080，像元尺寸8μm，其已经配置为2π范围的相位调制，并被标定为线性的电光响应特性。)以及单色CCD相机17(The Imaging Source DMK41AU02,1280×960,4.65μm pixel size,15fps)，第一透镜L₁11和第二透镜L₂16的焦距f＝f₁＝f₂＝150mm。

本发明单帧光强传输定量相位显微系统的成像过程如下：显微镜相机端口的图像平面10的光经过光阑11限制通过孔径后，首先经过第一透镜L₁12，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束与反射光束在各自的傅里叶平面处分别被空间光调制器15与反射镜14所反射后通过第二透镜L₂16成像在CCD相机17上。具体光路安排为：第一透镜L₁12到显微镜图像平面10的端口的距离为f1＝150mm，第二透镜L₂16到CCD相机17成像平面的端口的距离为f2＝150mm，两透镜之间的沿光轴距离是f1+f2＝300mm。

第二反射镜14与空间光调制器15分别放置于4f系统的两个傅里叶平面(反射与透射)，即位于光路中的第一透镜L₁12和第二透镜L₂16之间，它们距离第一透镜L₁12的轴向距离均为f1＝150mm，距离第二透镜L₂16的轴向距离均为f2＝150mm。注意这里举例说明，选取L₁和L₂的焦距是相同的，但是实际上他们可以选用不同的焦距，这里为了方便起见以f＝f₁＝f₂＝150mm说明。为了实现单帧采集到两幅不同离焦量的光强图像，第二反射镜14与空间光调制器15相对光轴均存在一个微小的倾角α≈3°，因此两束经过反射的光线将分别具有±α的角位移，通过第二透镜L₂16之后，2α的角位移将转化为2f sinα的横向位移，如图4中所示。为了保证两幅子图像互不重叠并最大化地填充CCD相机17的传感器区域，紧贴在显微镜图像平面10后放置了一个光阑11。此外空间光调制器上显示一个对应于角谱自由空间传输函数的相位图案(即图5(c)中黑色方框中显示的图像)，这将使透射图像产生一个Δz的轴向位移。此外在空间光调制器15之前还可以放置一线偏振片(未在图中画出)，以使其空间光调制器工作在高效相位调制状态，并可用于平衡左右两幅图像的平均光强。这里选取L₁和L₂的焦距是相同的以举例说明，但是实际上他们可以选用不同的焦距，这里为了方便起见以f＝f₁＝f₂＝150mm说明。

下面来通过物理光学分析整个系统的成像过程：考虑到第一透镜L₁12的傅里叶变换的作用，4f系统傅里叶平面(即空间光调制器15与第二反射镜14所在平面)的光波复振幅U(ξ,η)将与显微镜图像平面10上的复振幅u(x,y)的傅里叶变换成比例，其中向量(ξ,η)＝(u/λf,v/λf)，(u,v)代表相应对于显微镜图像平面10空间坐标(x,y)的空间频率坐标，λ为光波波长。通过第二反射镜14后，反射光线的复振幅可以表示为：

$G_r(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp (-i2\mathrm{\π}\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}})---\left(14\right)$

其中i为虚数单位。在空间光调制器15一侧，不但将其相对光轴移动-α的角度，并在其上显示自由空间的角谱传递函数，所以经过空间光调制器反射光线的复振幅可以表示为：

$G_t(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp \left(i2\mathrm{\π}\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}\right)H_{\mathrm{\Δz}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})---\left(15\right)$

其中角谱传递函数H_Δz为

$H_{\mathrm{\Δz}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\exp \left(\mathrm{ik\Δz}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\λ\ξ}\right)}^2-{\left(\mathrm{\λ\η}\right)}^2}\right)---\left(16\right)$

其中Δz为离焦距离(这里可以对Δz选取不同的值，但是一般来说该量不应过大(如几个微米)，以保证后续差分估计的精度)，k为波数。如图4所示，通过第二透镜L₂16之后，两束光之间2α的角位移将转化为2f sinα的横向位移。所以最终CCD相机17成像平面上的复振幅分布分别为

U_r(x,y)＝u(x+f sinα,y)  (17)

U_t(x,y)＝u_Δz(x-f sinα,y)  (18)最终在CCD相机17成像平面的左右平面分别采集到具有不同离焦距离的光强图像(I_t(x,y)＝|U_t(x,y)|²与I_r(x,y)＝|U_r(x,y)|²)，这两幅光强图像一副是聚焦的，一副具有Δz的离焦距离，所以实现了单次曝光采集两幅不同聚焦平面上的光强分布。

本发明利用单帧光强传输定量相位显微系统进行数据采集与重建方法，步骤如下：

第一步：利用CCD相机17采集一副光强图像，该图像左右两侧分别为聚焦的，与一副具有Δz的离焦距离的两幅子图像所组成的，这里可以对Δz选取不同的值，但是一般该值不应过大(如2-10微米)，以保证差分估计的精度。具体是利用CCD相机17采集一副光强图像，该图像左右两侧分别为聚焦的，与一副具有Δz的离焦距离的两幅子图像所组成的，Δz通过改变空间光调制器15上所显示的角谱传递函数H_Δz图案所控制：

$H_{\mathrm{\Δz}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\exp \left(\mathrm{ik\Δz}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\λ\ξ}\right)}^2-{\left(\mathrm{\λ\η}\right)}^2}\right)$

其中(ξ,η)为空间光调制器所在平面的空间坐标，λ为光波波长，k为波数，i为虚数单位。

第二步：直接将采集到图像以中间为参考点，左右一分为二，剪裁得到的两半分别为I_t(x,y)与I_r(x,y)两幅子图像，当光学系统完美对准的理想情况下，这两幅图像应该是完全对应的，即完美对齐且尺寸相同，但实际中可能存在一定的系统误差，所以采用图像配准方法(如互相关，傅里叶相位相关法等现有技术)对两子图进行图像配准，并保证尺寸完全一致，处理后最终得到聚焦、离焦两幅光强图像，分别记作I(x,y)与I_Δz(x,y)。

第三步：将采集到的聚焦、离焦光强图像I(x,y)与I_Δz(x,y)按公式(6)进行数值差分，得到光强轴向微分

$\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\≈\frac{I(x,y)-I_{\mathrm{\Δz}}(x,y)}{\mathrm{\Δz}}---\left(6\right)$

第四步：由光强轴向微分与聚焦光强图像I(x,y)，通过公式(7)求解光强传输方程，得到相位φ(x,y)，

$\mathrm{\φ}(x,y)=-k{\▿}^{-2}\▿\·\left[I^{-1}(x,y){\▿\▿}^{-2}\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\right]---\left(7\right)$

式中▽^-2是逆拉普拉斯运算符，▽为梯度运算符，·为向量点乘，k是波数，▽与▽^-2运算符均通过傅里叶变换进行实现，即

${\▿}^{-2}\{\·\}=F^{-1}\left\{F\right\{\·\left\}\frac{1}{-4{\mathrm{\π}}^2(u^2+v^2)}\right\}---\left(8\right)$

▽{·}＝F^-1{i2πuF {·},i2πvF {·}}  (9)

其中F代表傅里叶变换，(u,v)是与空间坐标(x,y)相对应的频域坐标，i为虚数单位。

第五步：将相位φ(x,y)通过式(10)转换为样品的物理高度/厚度h(x,y)

其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差，一般对于暴露在空气中的样品，介质为空气，其折射率为1，注意在之前的叙述中一直是针对透射显微镜的结构，即光波穿过样本6然后被物镜7收集成像。实际中，单帧光强传输定量相位显微系统仍然适用于反射显微镜的结构，即光波被样本反射然后被物镜收集成像的情况也是适用的(这也可直接将显微镜系统1更换为反射结构的显微镜实现)。

通过上述步骤可以看出，单帧光强传输定量相位显微系统仅采用一个相机，单帧同时采集两幅具有不同离焦量的光强图像。两幅图像之间的相对离焦量可以通过改变空间光调制器15上所显示的自由空间角谱传输函数来实现。由于采集过程中不需要任何机械移动与调整，且仅需要单个相机单次曝光，所以系统可以非常稳定、高速地恢复出定量相位图像，且成像速度仅仅由成像设备的采集速度所决定。

为了测试单帧光强传输定量相位显微系统重建相位的准确性，我们对一个已知尺寸的平凸微透镜阵列进行了测量(SUSS MicroOptics,透镜间距为30μm)，图5(a)给出了系统单帧采集到的原始光强图像，其左右两侧分别对应两幅不同离焦距离的光强图：左侧为聚焦图像，右侧为经过空间光调制器15控制的离焦图像。两平面间的离焦距离为8μm。图5(b)给出了经过求解光强传输方程得到的相位分布。注意通过光强传输方程直接得到的就是连续相位，不存在2π包裹现象，所以不需要任何相位解包裹操作。图5(c)给出了经过数值反算回的2π范围内的包裹相位分布。图5(e)给出了经过相位厚度转换后对应图5(c)中黑色方框中的单个微透镜的三维形貌分布。为了评估重建相位的准确性，采用一迈克尔逊结构的数字全息显微系统(波长650nm,放大率43×)对此微透镜阵列中相同区域进行了测量，所得结果还与白光扫描共聚焦显微镜(Sensofar PLμ)进行了比较，结果如图5(d)与图5(f)所示。各组结果中微透镜高度的横截面(对应于图5(c)，图5(d)，图5(f)中线段所标示位置)对比于图5(g)。通过单帧光强传输定量相位显微系统测得的透镜高度为2.46μm，与共聚焦显微镜的测量结果2.47μm吻合地很好，这验证了本发明提出的系统测量的准确性。数字全息显微系统给的结果稍微偏大(2.54μm)，并且结果中存在激光散斑噪声。相比之下本发明提出系统采用部分相干光照明(显微镜自带的科勒照明)，所以不存在任何相干噪声。本发明结果拟合得到的曲率半径为407μm，相比数字全息的结果(386μm)，共聚焦显微镜结果(389μm)，以及厂家参考值(390μm±5％)稍微偏大。这微小的偏差可能是由于数值微分的不准确性、或者是4f系统中存在的像差所导致的。

Claims (5)

1.一种单帧光强传输定量相位显微系统，包括显微成像系统(1)，所述的显微成像系统(1)包括集光镜(3)、聚光镜孔径光阑(4)、聚光镜(5)、待测样品(6)、显微物镜(7)、第一反射镜(8)、与镜筒透镜(9)，其中集光镜(3)将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑(4)，聚光镜孔径光阑(4)大小可调，控制照明的通光孔径，光通过聚光镜孔径光阑(4)发散后又被聚光镜(5)收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜(7)收集，并经过镜筒透镜(9)放大后成像在显微镜相机端口的图像平面(10)；其特征在于该相位显微系统还包括一个包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统(2)，该分光系统(2)包括光阑(11)、第一透镜L₁(12)、第二透镜L₂(16)、非偏振分束器(13)、第二反射镜(14)、空间光调制器(15)以及单色CCD相机(17)，第一透镜L₁(12)和第二透镜L₂(16)的焦距f＝f₁＝f₂；

所述的显微镜相机端口的图像平面(10)的光经过光阑(11)限制通过孔径后，首先经过第一透镜L₁(12)，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束与反射光束在各自的傅里叶平面处分别被空间光调制器(15)与第二反射镜(14)所反射后通过第二透镜L₂(16)成像在CCD相机(17)上；第一透镜L₁(12)到显微镜图像平面(10)的端口的距离为f1，第二透镜L₂(16)到CCD相机(17)成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的沿光轴距离是f1+f2；

第二反射镜(14)放置于4f系统的反射傅里叶平面，空间光调制器(15)放置于4f系统的透射傅里叶平面，即位于光路中的第一透镜L₁(12)和第二透镜L₂(16)之间，它们距离第一透镜L₁(12)的轴向距离均为f1，距离第二透镜L₂(16)的轴向距离均为f2。

2.根据权利要求1所述的单帧光强传输定量相位显微系统，其特征在于第二反射镜14与空间光调制器15相对光轴均存在一个微小的倾角α，因此两束经过反射的光线将分别具有±α的角位移，通过第二透镜L₂(16)之后，2α的角位移将转化为2f sinα的横向位移；紧贴在显微镜图像平面(10)后放置了一个光阑(11)，以保证最后CCD相机(17)所拍摄到的两幅子图像互不重叠。

3.根据权利要求1所述的单帧光强传输定量相位显微系统，其特征在于在空间光调制器(15)之前还放置一线偏振片。

4.一种利用单帧光强传输定量相位显微系统进行数据采集与重建方法，其特征在于步骤如下：

第一步：利用CCD相机(17)采集一副光强图像，该图像左右两侧分别为聚焦的，与一副具有Δz的离焦距离的两幅子图像所组成的；

第二步：直接将采集到图像以中间为参考点，左右一分为二，剪裁得到的两半分别为I_t(x,y)与I_r(x,y)两幅子图像，采用图像配准方法对两子图进行图像配准，并保证尺寸完全一致，处理后最终得到聚焦、离焦两幅光强图像，分别记作I(x,y)与I_Δz(x,y)；

第三步：将采集到的聚焦、离焦光强图像I(x,y)与I_Δz(x,y)按公式(6)进行数值差分，得到光强轴向微分

$\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}\≈\frac{I(x,y)-I_{\mathrm{\Δz}}(x,y)}{\mathrm{\Δz}}---\left(6\right)$

第四步：由光强轴向微分与聚焦光强图像I(x,y)，通过公式(7)求解光强传输方程，得到相位φ(x,y)，

$\mathrm{\φ}(x,y)=-k{\▿}^{-2}\▿\·[I^{-1}(x,y)\▿{\▿}^{-2}\frac{\∂I(x,y)}{\∂z}]---\left(7\right)$

式中▽^-2是逆拉普拉斯运算符，▽为梯度运算符，·为向量点乘，k是波数，▽与▽^-2运算符均通过傅里叶变换进行实现，即

${\▿}^{-2}\{\·\}=F^{-1}\left\{F\right\{\·\left\}\frac{1}{-{4\mathrm{\π}}^2(u^2+v^2)}\right\}---\left(8\right)$

▽{·}＝F ^-1{i2πuF {·},i2πvF {·}}   (9)

其中F代表傅里叶变换，(u,v)是与空间坐标(x,y)相对应的频域坐标，i为虚数单位；

第五步：将相位φ(x,y)通过式(10)转换为样品的物理高度/厚度h(x,y)

其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差。

5.根据权利要求4所述利用单帧光强传输定量相位显微系统进行数据采集与重建方法，其特征在于第一步的步骤如下：利用CCD相机(17)采集一副光强图像，该图像左右两侧分别为聚焦的，与一副具有Δz的离焦距离的两幅子图像所组成的，Δz通过改变空间光调制器(15)上所显示的角谱传递函数H_Δz图案所控制：

$H_{\mathrm{\Δz}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\exp \left(\mathrm{ik\Δz}\sqrt{1-{\left(\mathrm{\λ\ξ}\right)}^2-{\left(\mathrm{\λ\η}\right)}^2}\right)$

其中(ξ,η)为空间光调制器所在平面的空间坐标，λ为光波波长，k为波数，i为虚数单位。