CN105242397A - 一种相干自适应光学像差校正系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干自适应光学像差校正系统，包括激光光源，反光镜，依次设置在反光镜的入射光路上的中性光密度滤光片、半波片和扩束镜，空间光调制器，反光镜的反射光作为空间光调制器的入射光，通过反光镜控制空间光调制器的入射光与其反射光之间的角度。本发明通过调控两束相干光中某一束光的相位，来实现对两束光的相干加强和相干减弱的操控，从而实现了显微系统的像差校正；无需在样品中植入参考光源，且像差校正的速度快，非常适用于活体样品的深层像差校正成像。

Description

一种相干自适应光学像差校正系统

技术领域

本发明属于光学显微成像技术领域，更具体地，涉及一种相干自适应光学像差校正系统。

背景技术

我们知道，在对生物细胞进行活体成像时，常常由于生物样品表面的不平整性和样品内部折射率分布不均匀性，使系统引入了较大的像差，最终导致获得的图片质量较差。目前，已有的像差校正方法为自适应光学像差校正，这是一种传统的像差校正方法，它需要在生物样品中植入参考光源(一般为荧光珠等荧光材料)，这样对生物样品有较大的伤害，且限制了该方法在活体成像上的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种相干自适应光学像差校正系统，其目的在于通过调控两束相干光中某一束光的相位，来实现对两束光的相干加强和相干减弱的操控，从而实现了显微系统的像差校正；旨在解决深层组织细胞活体成像质量差的技术问题。

本发明提供了一种相干自适应光学像差校正系统，包括：激光光源，反光镜M，依次设置在所述激光光源与所述反光镜之间且位于所述反光镜的入射光路上的用于控制激光光强的中性光密度滤光片、用于控制激光的偏振方向的半波片和用于调整激光光束直径的扩束镜，空间光调制器，依次设置在所述空间光调制器的反射光路上的用于调整反射光束直径的透镜组、对调整后的激光进行聚焦后用于激发样品的第二物镜L2、用于收集样品发出的信号光的第一物镜L1、用于对第一物镜L1收集的信号光进行聚焦的透镜L7和用于采集聚焦后的信号光并进行实时成像的CCD，以及用于控制所述空间光调制器和所述CCD并确保空间光调制器灰度图加载更新速率与所述CCD的采集速率同步的控制模块；所述反光镜的反射光作为所述空间光调制器的入射光，通过所述反光镜控制所述空间光调制器的入射光与其反射光之间的夹角。

更进一步地，所述空间光调制器的入射光与其平面法线方向之间的夹角为3°～9°。

更进一步地，所述夹角优选为6°。

更进一步地，所述空间光调制器的液晶层中液晶分子为平行排列，其排列方向与空间光调制器的液晶面板长边的方向一致。

更进一步地，所述空间光调制器SLM的入射光的偏振方向与所述空间光调制器的液晶面板长边的方向一致。

更进一步地，所述扩束镜包括依次设置的第一透镜L3和第二透镜L4；经过所述扩束镜扩束后的光束的直径等于所述空间光调制器的液晶面板的窄边尺寸。

更进一步地，经过扩束镜前、后的光束满足如下关系r0*f4＝r1*f3；r0为扩束前光束的光斑半径，r1为扩束后光束的光斑半径，f3为所述第一透镜的焦距，f4为所述第二透镜的焦距，2r1为空间光调制器的液晶面板的窄边尺寸。

更进一步地，所述透镜组包括依次设置的第三透镜L5和第四透镜L6，依次经过所述第三透镜L5和第四透镜L6后的光束的直径等于所述第二物镜L2的光瞳直径。

更进一步地，所述激光光源产生波长为633nm的激光。

本发明通过调控两束相干光中某一束光的相位，来实现对两束光的相干加强和相干减弱的操控，从而实现了显微系统的像差校正；无需在样品中植入参考光源，且像差校正的速度快，因此非常适合用于活体样品的深层像差校正成像。

附图说明

图1是本发明实施例提供的相干自适应光学像差校正系统的光路结构图；

图2是模拟在自由空间中参考光与调制光之间的相干示意图；

图3是空间光调制器相位加载分区示意图；

图4中(a)为第一次像差校正过程中采集的点阵图，(b)为通过点阵图得到的光斑强度随时间的变化曲线图，(c)为经过傅里叶变换后得到的强度频域图，(d)为相位频域图；

图5中(a)是第二次进行像差校正过程中产生的点阵图，(b)为最后校正完成的点阵图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种相干自适应光学像差校正的方法和系统，旨在解决深层组织细胞活体成像像差的问题。尤其适用于深层生物细胞的活体显微成像。

本发明实施例提供了一种相干自适应光学像差校正系统，包括：

激光光源，用于产生激光，激光波长为633nm；

中性光密度滤光片(Neutraldensityfilter，NDF)，用于接收所述激光并控制所述激光的光强；具体地，可以通过旋转滤波片来控制激光的光强，滤波片可以为圆轮状的，通过旋转轮子就可以控制光的强度。

半波片，用于控制光的偏振方向；半波片即二分之一玻片，二分之一玻片可以是圆盘状的，刻度是0-360°，控制的最好方法是通过缓慢转动二分之一玻片在CCD上得到最强的光斑时，此时的二分之一玻片的角度为最佳角度。

透镜组合(L3和L4)，用于扩束，使激光光束的直径大小刚好能与空间光调制器(Spatiallightmodulator，SLM)的液晶面窄边的尺寸大小一致；若初始的光斑半径为r0，扩束后光斑的半径为r1，两个透镜的焦距分别为f3、f4.他们之间满足r0*f4＝r1*f3的关系式。其中2*r1即为SLM的窄边尺寸。其中，SLM的液晶面板的所有尺寸均是已知的。

反光镜(M)，用于控制空间光调制器SLM的入射光和反射光之间的夹角，确保两束光之间的夹角在12°，这样可以最大限度提高液晶面的反射效率，降低光的损耗。

空间光调制器(SLM)，用于产生我们需要的灰度图，来实现对光的相干性进行调控。

透镜组合(L5和L6)，用于调整经过SLM反射后光束的直径大小，确保经过调整后的光束大小刚好能覆盖第二物镜(L2)的光瞳(其中，光瞳的大小是固定已知的，通过前面的换算公式就可以知道L5，L6用多大的焦距比较合适)，这样可以最大限度地发挥物镜的性能。

第一物镜(L1)，用于收集样品发出的信号光；

第二物镜(L2)，对调整后的激光进行聚焦后激发样品；

透镜(L7)，用于对第一物镜(L1)收集的信号光进行聚焦；

CCD，采集聚焦后的信号光，并进行实时成像；

控制模块，用于控制空间光调制器SLM和CCD，确保空间光调制器灰度图加载更新速率与CCD的采集速率同步。具体地，可以通过MATLAB软件实现，MATLAB中有控制SLM和CCD的模块，在编写程序时直接调用就可以。

本发明实施例，首先依次对SLM相位调制度进行测量、伽马校正和液晶面分区，影响SLM调制特性的主要因素包括：波长、入射光的偏振态以及入射角。同样的灰度信号，波长越短，SLM引起的相位延迟越大。本发明实施例所用的液晶层中液晶分子为平行排列，排列方向与SLM面板长边的方向一致，实际应用中为了获得最大的相位调整度，应该调整入射光的偏振方向与长边方向一致。

此外，在使用中应该保持入射光束以尽可能小的入射角(入射角最佳为6度)入射SLM液晶面，原则上入射光束与SLM平面法线方向的夹角应该控制在6°以内。伽马校正，主要是对SLM的调整特性进行优化，优化的目的是使SLM产生良好的纯相位调制，使相位调制度随256(0～255)灰阶度信号线性地从0变到2π。

伽马校正完成后，需要确认SLM液晶面的分区方式，本发明实施例中将SLM的液晶面分成3×3的9个区域，每个区域都赋值一个频率(ω_i)，然后让这9个区域的相位随时间周期性变化。由于这九个区域将入射的光束分成9束，每一束都会与其它的8束形成相干，因此随着时间的变化，相干减弱和相关加强也成周期性变化。

本发明实施例中，在进行相干自适应光学像差校正时，点亮激光器，调节NDF使激光强度降到满足我们要求的范围内(CCD采集的所有光斑都不要溢出为准，最亮的地方灰度值为255即可)，旋转半波片的角度使激光的偏振方向与液晶面的长边平行(旋转二分之一玻片，在CCD上得到光斑强度最强的时候，就是玻片调到最佳的时候，因为SLM在光路中位置是固定的，因此只用调二分之一玻片即可。)，接着调节透镜组(L3和L4)使激光的光束放大变粗，将激光光束放大到使其直径与液晶面的宽边一致即可，放大后的光束经过SLM的液晶面的调整和反射后，经过透镜组合(L5和L6)的调整，使光束的大小调整到与物镜(L2)的光瞳大小相当为佳，在物镜(L2)的焦面上放置一块散射性强的透明样品(厚度约为100μm)，经过物镜(L1)聚焦后的光斑经过样品后会发生散射，然后用物镜(L1)来收集散射后的光，在物镜(L1)的后面再加一块透镜L7，对物镜(L1)收集的散射光进行聚焦成像，在透镜L7的焦点上放置CCD，采集信号并进行焦点成像，在整个像差校正过程中，我们通过自己编的程序AO-Imaging来同步控制SLM和CCD(具体地，可以在MATLAB中同时调用CCD的控制模块和SLM的控制模块，且保持频率一致即刻实现)，然后将采集的焦点图像，进行强度统计，再经过傅里叶变换处理，最后找到SLM液晶面上9个区域在相干加强时的最佳相位角，即我们进行像差校正时需要预补偿的相位。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用限于本发明。

如图1所示，为本发明实施例提供的相干自适应光学像差校正系统的结构光路图。整个光路包括633nm激光器、光强衰减器NDF、半波片、透镜组合(L3和L4)、反光镜、空间光调制器、透镜组合(L5和L6)、激光聚焦物镜L2、信号采集物镜L1、聚焦透镜L7、成像设备CCD以及电脑。在本光路中，首先激光器产生633nm的激光后，经过NDF衰减至合适的强度(即最亮点的灰度不超过255)，再经过半波片调整激光的偏振方向，确保其偏振方向与液晶面的长度方向一致，这样SLM才会对激光的灰度调制能力达到最大，激光经过半波片后，为了保证激光的光斑能最大限度的利用SLM的液晶面，需要利用一对透镜组合(L3和L4)来放大激光的光束，使光斑的直径与SLM液晶面的宽度保持一致，放大后的激光光束通过反射镜来控制SLM液晶面与入射光的入射角，一般情况下，入射光的入射角为3°-9°，保持在6°左右为最佳，而这个系统的重点为SLM液晶面的设置和控制，这个我们将做后面重点介绍。激光光束经过SLM液晶面反射后，再通过一组透镜组合(L5和L6)来调整激光光束的大小，确保经过调整后的激光光束大小刚好充满物镜L2的光瞳，这样才能充分利用物镜的性能，经过物镜聚焦后的光斑经过散射样品散射后被样品后方的物镜L1收集，然后再通过透镜L7聚焦后，由CCD采集成像。

在本发明中最重要也是最核心的思想是怎样利用SLM实现相干自适应光学(COAT)像差校正，其基本思想如图2所示，一束激光经过分光镜后，一部分直接透射，另一部分反射，透射的光作为参考光源直接经过凹透镜后发散出射，而反射的光则经过相位调制(Φ)后再经过凹透镜发散出射，两束光源于同一激光器，因此为相干光，当两束平行光经过发散后在空间某一点相交(如图2中的a点，该点的光强由于相干效应受到调制相位Φ的影响，可以产生相干加强或相干减弱，因此可以通过调制相位来控制a点的光强大小，可以用如下公式表示。

$I\left(t\right)=|E\left(t\right){|}^2=E_1^2+E_2^2+2E_1{E}_{2}cos({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)$

式中ω₁t即为调制相位角Φ，θ₁和θ₂为相干光束的初始相位角。同理在本系统中我们可以将SLM的液晶面分成两部分，一部分灰阶设置为零，另一部分灰阶随时间变化可调，因此经过SLM的激光光束则会一部分被反射，另一边则会经过相位调制后再反射，而系统中的样品为散射介质，因此对两部分光的作用相当于图2中的凹透镜，两部分光进入介质后都会发散，并存在相干点，通过SLM对液晶面灰阶的调制，可以实现相干点的相干加强和相干减弱。散射后的光斑经过物镜收集后，通过高灵敏CCD采集校正后的光斑，并实时统计光斑的强度，采集多张图片，再通过傅里叶变换分析图片的强度信息，就可以直接找出SLM中所施加的调制频率和相位角。

为了能让COAT像差校正能力更强，效果更明显，我们可以将SLM的液晶面分成多块区域进行验证。如图3所示，空间光调制器液晶面相位加载分区示意图，我们将SLM分成如图所示的9块区域，分别给每块区域赋值不同的频率，同时通过高灵敏CCD采集图像，记录图像强度信息，然后统计强度，通过傅里叶变换找出各块区域的频率和相位角。在这个实验中我们采取交叉赋值调制频率的办法，来提高COAT像差校正效果。首先我们给灰色区域赋值5个不同的频率(ω1、ω2、ω3、ω4和ω5)，随时间变化，采集图像500副(如图4a所示)，统计强度(如图4b所示)，通过傅里叶变换找到各个区域的频率值(如图4c所示)，然后根据频率值，找到各个区域最佳的相位角(Φ1、Φ2、Φ3、Φ4和Φ5)，如图4d所示。接着，保持图3中已获得灰色区域的最佳相位角不变，给其他四块白色区域赋值不同的频率(ω6、ω7、ω8和ω9)，随时间变化，采集图像500副(如图5a所示)，统计强度，通过傅里叶变换找到各自的最佳相位角(Φ6、Φ7、Φ8和Φ9)。则此时九个区域的各自相位角都已找到，即为SLM在COAT像差校正后提供的最佳相位分布。从图4a的点阵图中我们可以看到，光束经过散射介质后光斑出现非常明显的变弱变大的现象，当ω1、ω2、ω3、ω4和ω5随时间变化时，光斑强度出现有规律的周期变化，如图4b所示，通过傅里叶变换分别找到频率ω1、ω2、ω3、ω4、ω5，然后通过频率找到各种对应的相位角Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、Φ5(如图4d所示)，图5a是保持相位角Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、Φ5不变，用相同的方法找Φ6、Φ7、Φ8和Φ9得到的点阵图，从图5a中我们可以看到整体的光斑质量要优于图4a，且出现周期性的变化，这主要是因为Φ1、Φ2、Φ3、Φ4和Φ5已经找到最佳校正相位，并对整个光斑有一定的校正作用，当ω6、ω7、ω8和ω9随时间周期调制，通过傅里叶变换将Φ6、Φ7、Φ8和Φ9最佳相位角找到后，整个SLM液晶面的最佳相位分布已经完成。最后得到像差校正后的光斑点阵图，如图5b所示。对比图4a，图5b的点阵图的聚焦效果很好，基本接近没有发生散射的点阵图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，包括：

激光光源，

反光镜M，

依次设置在所述激光光源与所述反光镜之间且位于所述反光镜的入射光路上的用于控制激光光强的中性光密度滤光片、用于控制激光的偏振方向的半波片和用于调整激光光束直径的扩束镜，

空间光调制器，

依次设置在所述空间光调制器的反射光路上的用于调整反射光束直径的透镜组、对调整后的激光进行聚焦后用于激发样品的第二物镜L2、用于收集样品发出的信号光的第一物镜L1、用于对第一物镜L1收集的信号光进行聚焦的透镜L7和用于采集聚焦后的信号光并进行实时成像的CCD，以及

用于控制所述空间光调制器和所述CCD并确保空间光调制器灰度图加载更新速率与所述CCD的采集速率同步的控制模块；

所述反光镜的反射光作为所述空间光调制器的入射光，通过所述反光镜控制所述空间光调制器的入射光与其反射光之间的角度。

2.如权利要求1所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述空间光调制器的入射光与其平面法线方向之间的夹角为3°～9°。

3.如权利要求2所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述夹角为6°。

4.如权利要求1所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述空间光调制器的液晶层中液晶分子为平行排列，其排列方向与所述空间光调制器的液晶面板长边的方向一致。

5.如权利要求4所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述空间光调制器的入射光的偏振方向与所述空间光调制器的液晶面板长边的方向一致。

6.如权利要求1所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述扩束镜包括依次设置的第一透镜L3和第二透镜L4；经过所述扩束镜扩束后的光束的直径等于所述空间光调制器的的液晶面板的窄边尺寸。

7.如权利要求6所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，经过扩束镜前、后的光束满足如下关系r0*f4＝r1*f3；r0为扩束前光束的光斑半径，r1为扩束后光束的光斑半径，f3为所述第一透镜的焦距，f4为所述第二透镜的焦距，2r1为所述空间光调制器的液晶面板的窄边尺寸。

8.如权利要求1所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述透镜组包括依次设置的第三透镜L5和第四透镜L6，依次经过所述第三透镜L5和第四透镜L6后的光束的直径等于所述第二物镜L2的光瞳直径。

9.如权利要求1所述的相干自适应光学像差校正系统，其特征在于，所述激光光源产生波长为633nm的激光。