CN105467571A - 一种白光同轴干涉相移显微镜系统和显微成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种白光同轴干涉相移显微镜系统，其包括显微镜装置和相位成像装置，相位成像装置包括光源、第一透镜、透射式纯振幅空间光调制器、第二透镜、第三透镜、反射式纯相位空间光调制器、第四透镜以及相机，透射式纯振幅空间光调制器加载有一个和图像的频谱相匹配的图样用于降低低频信息的光强，以使低频信息和高频信息的光强相当；反射式纯相位空间光调制器的入射角度＜10°；反射式纯相位空间光调制器上加载有相移量不同的多个图样以调制所述低频信息。本发明还提供了基于白光同轴干涉相移显微镜系统的显微成像方法。

Description

一种白光同轴干涉相移显微镜系统和显微成像方法

技术领域

本发明显微成像技术领域，尤其涉及一种白光同轴干涉相移显微镜系统和显微成像方法。

背景技术

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，这样在明场显微镜检查下就难于观察清晰。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，但这样细微结构又难于被分辨，同时亮度随之降低。

近年来，由于计算机的普及，全息干涉术也有了长足的进步。其中一个最重要的部分就是相移干涉术(Phase-shiftingInterferometry，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。

近年来出现了结合空间光调制器和显微镜完成对细胞和病理切片相位恢复的技术，均是利用透镜的傅里叶变换特性使得低频信息和高频信息分离，又使用空间光调制器对低频信息单独调制。然而，在这些方法中，两路干涉光光强严重不匹配，造成最后相干成像时，由相移产生的光强变化非常小，如果使用昂贵的sCMOS相机来提高信噪比，则成本大大增加。

发明内容

本发明的目的在于，解决白光同轴干涉相移显微镜系统中干涉调制度低的问题。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。

一种白光同轴干涉相移显微镜系统，其包括显微镜装置和相位成像装置，所述相位成像装置包括光源、第一透镜、透射式纯振幅空间光调制器、第二透镜、第三透镜、反射式纯相位空间光调制器、第四透镜以及相机，所述光源发出的光依次经过所述显微镜装置、第一透镜、透射式纯振幅空间光调制器、第二透镜、第三透镜、反射式纯相位空间光调制器以及第四透镜后，形成的图像由所述相机接收；所述透射式纯振幅空间光调制器加载有一个和所述图像的频谱相匹配的图样用于降低低频信息的光强，以使所述低频信息和高频信息的光强相当；所述反射式纯相位空间光调制器的入射角度＜10°；所述第一、第二透镜组成一个四倍焦距系统，所述第二、第三透镜组成一个四倍焦距系统，所述第三、第四透镜组成一个四倍焦距系统；所述反射式纯相位空间光调制器上加载有相移量不同的多个图样以调制所述低频信息。

本发明一实施例中，所述反射式纯相位空间光调制器上依次加载的相移量为0，

本发明一实施例中，所述显微镜装置的显微镜成像面与所述第一透镜的前焦面重合，所述透射式纯振幅空间光调制器位于所述第一透镜的后焦面，所述反射式纯相位空间光调制器位于所述第三透镜的后焦面；所述相机位于所述第四透镜的后焦面。

本发明一实施例中，所述光源为卤素灯。

本发明一实施例中，所述显微镜装置沿光路行进方向依次包括集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜；所述光源发出的光线首先进入所述集光镜；待测样品位于所述聚光镜和所述显微物镜之间。

本发明一实施例中，所述显微物镜为40倍物镜时，所述孔径光阑的数值孔径为0.09。

基于前述任一显微镜系统的显微成像方法包括以下步骤：

所述显微镜装置形成的物像由所述第一透镜进行傅立叶变换后，低频信息和高频信息在所述透射式纯振幅空间光调制器上分开；

在所述透射式纯振幅空间光调制器上加载一个和图像频谱相匹配的图样，以降低所述低频信息的光强，使所述低频信息和所述高频信息的光强相当；

在所述反射式纯相位空间光调制器上加载相移量不同的多个图样以调制干涉光路。

本发明一实施例中，利用四步相移法调制所述干涉光路。

相较于现有技术，本发明利用透射式纯振幅空间光调制器控制参考光光强，可以将干涉对比度调至最大，进而不再需要昂贵的sCMOS来获得高信噪比的信号，减少了成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的白光同轴干涉相移显微镜系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的加载在反射式纯相位空间光调制器上的四幅图样。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，图1是本发明实施例提供的白光同轴干涉相移显微镜系统的结构示意图，其包括相位成像装置100和显微镜装置200。

相位成像装置100包括光源12、第一透镜L1、透射式纯振幅空间光调制器14、第二透镜L2、第三透镜L3、反射式纯相位空间光调制器16、第四透镜L4以及相机18。

光源12采用卤素灯，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。

显微镜装置200沿光路行进方向依次包括集光镜21、孔径光阑22、聚光镜23、显微物镜24、反射镜25和镜筒透镜26。

光源12位于显微镜装置200的一端，其发出的光线首先进入集光镜21，然后被孔径光阑22约束。优选的，在本系统中，为了保证光束的空间相干性，需要将孔径光阑22尽量缩小，举例来说，当显微物镜24放大倍数为40倍时，应该将孔径光阑22的数值孔径控制在0.09左右。从孔径光阑22发出的光经过聚光镜23后照射到待测样品S上，待测样品S下方的显微物镜24对待测样品S进行放大，经过反射镜25后，光束被转向，被镜筒透镜26成像到显微镜成像面P1。

光束继续依次进入第一透镜L1、透射式纯振幅空间光调制器14、第二透镜L2、第三透镜L3、反射式纯相位空间光调制器16以及第四透镜L4后，形成的图像由相机18接收。本实施例里，相机12使用普通CCD(图像传感器)。

第一透镜L1置于显微镜成像面P1后面，距离成像面P1为它本身的焦距f1，即显微镜成像面P1位于第一透镜L1的前焦面。

透射式纯振幅空间光调制器14放置在第一透镜L1的后焦面上，用来对经过傅里叶变换后的光进行分区域强度调制，低频信息和高频信息在透射式纯振幅空间光调制器14上分开(虚线光路表示低频信息，实线光路表示高频信息)。透射式纯振幅空间光调制器14上加载有一个和图像的频谱相匹配的图样用于降低低频信息的光强，达到低频信息的光强和高频信息的光强相当的效果，这样就使得后面的干涉部分达到调制度最大。

第二透镜L2置于透射式纯振幅空间光调制器14的后方，与第一透镜L1组成四倍焦距(4f)系统。

第三透镜L3置于第二透镜L2后方，与第二透镜L2组成4f系统，即第二透镜L2的后焦面和第三透镜L3的前焦面重合。

反射式纯相位空间光调制器16置于第三透镜L3的后焦面。由于纯相位空间光调制器入射角度为正入射时效果最好，但为了不再减少光强损失，选择不增加分光装置，所以光束照射到本实施例的反射式纯相位空间光调制器16上的入射角要尽可能小，要确保小于10度。

反射式纯相位空间光调制器16上加载有相移量不同的多个图样以调制低频信息的光，进而调制干涉光路。加载的图样如图2所示，图2中依上左、上右、下左、下右的顺序共有四个图样，相移量依次为0，

对于一般的纯相位空间光调制器而言，在其上加载256灰阶产生2π的相移。对于校正过的空间光调制器而言，灰阶和相移量是线性对应的，在实际应用中，空间光调制器有可能受到某种条件限制不能完全达到2π的相移量，所以在本实施例提供的白光同轴干涉相移显微镜系统中，采用四步相移法，最大只需要即可，图2中每幅图样中间圆点的灰度变换就可以通过空间光调制器转化为相移量。也可以根据实际需要采用其他相移法调制光路。

第四透镜L4置于反射式纯相位空间光调制器16的反射光路上，与第三透镜L3构成4f系统。

相机18置于第四透镜L4的后焦面上，对样品进行成像。

四个透镜构成三个4f系统，使得最后可以在相机18的CCD上成像。透射式纯振幅空间光调制器14控制参考光(低频信息光)的振幅，反射式纯相位空间光调制器16控制参考光的相位，通过在反射式纯相位空间光调制器16上加载不同灰度值的图样，完成对干涉光路的调制，然后在相机18上获得不同相移量时的干涉图，进而计算得到相位分布。

相较于现有技术，本发明利用透射式纯振幅空间光调制器控制参考光光强，可以将干涉对比度调至最大，进而不再需要昂贵的sCMOS来获得高信噪比的信号，减少了成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种白光同轴干涉相移显微镜系统，其包括显微镜装置和相位成像装置，其特征在于：

所述相位成像装置包括光源、第一透镜、透射式纯振幅空间光调制器、第二透镜、第三透镜、反射式纯相位空间光调制器、第四透镜以及相机，所述光源发出的光依次经过所述显微镜装置、第一透镜、透射式纯振幅空间光调制器、第二透镜、第三透镜、反射式纯相位空间光调制器以及第四透镜后，形成的图像由所述相机接收；

所述透射式纯振幅空间光调制器加载有一个和所述图像的频谱相匹配的图样用于降低低频信息的光强，以使所述低频信息和高频信息的光强相当；

所述反射式纯相位空间光调制器的入射角度＜10°；

所述第一、第二透镜组成一个四倍焦距系统，所述第二、第三透镜组成一个四倍焦距系统，所述第三、第四透镜组成一个四倍焦距系统；

所述反射式纯相位空间光调制器上加载有相移量不同的多个图样以调制所述低频信息。

2.如权利要求1所述的白光同轴干涉相移显微镜系统，其特征在于：所述反射式纯相位空间光调制器上依次加载的相移量为0，π，

3.如权利要求1所述的白光同轴干涉相移显微镜系统，其特征在于：所述显微镜装置的显微镜成像面与所述第一透镜的前焦面重合，所述透射式纯振幅空间光调制器位于所述第一透镜的后焦面，所述反射式纯相位空间光调制器位于所述第三透镜的后焦面；所述相机位于所述第四透镜的后焦面。

4.如权利要求1所述的白光同轴干涉相移显微镜系统，其特征在于：所述光源为卤素灯。

5.如权利要求1所述的白光同轴干涉相移显微镜系统，其特征在于：所述显微镜装置沿光路行进方向依次包括集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜；所述光源发出的光线首先进入所述集光镜；待测样品位于所述聚光镜和所述显微物镜之间。

6.如权利要求1所述的白光同轴干涉相移显微镜系统，其特征在于：所述显微物镜为40倍物镜时，所述孔径光阑的数值孔径为0.09。

7.基于权利要求1～6中任一所述的显微镜系统的显微成像方法包括以下步骤：

所述显微镜装置形成的物像由所述第一透镜进行傅立叶变换后，低频信息和高频信息在所述透射式纯振幅空间光调制器上分开；

在所述透射式纯振幅空间光调制器上加载一个和图像频谱相匹配的图样，以降低所述低频信息的光强，使所述低频信息和所述高频信息的光强相当；

在所述反射式纯相位空间光调制器上加载相移量不同的多个图样以调制干涉光路。

8.如权利要求7所述的显微成像方法，其特征在于：利用四步相移法调制所述干涉光路。