CN106568392B - 一种双波长相位显微成像系统和方法、以及对应相位恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波长相位显微成像系统和方法、以及对应相位恢复方法，采用马赫‑曾德尔干涉光路来实现双波长同轴相移干涉显微系统，利用光纤耦合器和准直器形成双波长同轴平行光，其经过分光镜后，利用PZT改变参考光的相移值，所形成的物光和参考光在CCD上共形成5个双波长同轴相移干涉图。利用相移技术和相减程序，可获得只含有单个波长的无背景强度的干涉图样，无须其它附加技术，采用特定相移值可求解每个波长的包裹相位图，然后求解出合成波长相位图，进而求解出相位物体的三维微观形貌。本发明在相位显微成像方面有着广泛的实用价值与应用前景，特别是光学透明的相位物体，如生物细胞相位显微成像以及干涉度量等应用领域。
Description
技术领域
本发明属于相位显微成像以及数字干涉术技术领域，具体涉及一种双波长相位显微成像系统和方法、以及对应的相位恢复方法。
背景技术
光学透明的相位物体，如生物细胞，可凭借相位信息与干涉强度之间转换的定量相位成像技术对其进行非接触、无损伤和快速的高分辨率成像。为此，各种定量相位显微成像技术应运而生，为相位物体的三维静态、动态形貌观察和细胞动力学行为特征等研究提供了强有力的工具。
在利用单波长数字全息术进行成像时，由于通过反正切函数再现的成像物体的相位分布都折叠在(-π,π]之间，尤其是当相位物体的最大光程差大于所用光波波长时，其相位图会产生包裹条纹。因此，针对不同的成像物体，需要编写特定的解包裹算法程序才能获得真实的相位信息。但是，针对表面结构复杂、梯度变化较大和高纵横比的相位物体，一些解包裹程序不仅会变得更加复杂和费时，而且有可能会失效。最近，凭借通过两个波长的相位图相减，双波长数字全息术可获得合成波长相位图而得到了广泛的研究，尤其是在定量相位成像、厚度和折射率的同时测量、温度场测量和三维表面微观形貌测量等领域。与单波长数字全息技术相比，双波长数字全息技术不仅可以扩大测量范围，而且在一定尺度范围内，相位解包裹方法更简单和快捷。一般来说，双波长干涉术技术可分为双波长离轴干涉术和双波长同轴干涉术技术。双波长离轴干涉术技术虽然能够实现对相位物体的实时动态成像，但是在从单个离轴干涉图提取每个波长的相位信息时，需要使用傅里叶正变换、窗口过滤和傅里叶逆变换等技术必然会导致噪声的扩大和测量精度的降低，而且不能充分利用CCD的分辨率和空间带宽。在现有双波长同轴干涉术技术中，一种方法是：首先通过相移技术分别获取每个波长的相位图，然后通过求解两相位图的差值来形成合成波长相位图，增加了测量过程的复杂性；另外一种方法是：首先从非相干叠加双波长干涉图中分离出每个波长的强度信息后,通过相减程序才能获得合成波长相位图，由于需要采用特定相移值和额外附加技术，直接增加了算法的复杂程序和降低了测量精度。
综上所述，有必要设计一种干涉光路简单、系统复杂性低和可靠性高的双波长相位显微成像系统及其相应的相位快速恢复方法，来提高双波长同轴干涉术技术的测量精度和处理速度。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种双波长相位显微成像系统和方法、以及对应的相位恢复方法，该成像系统能充分利用CCD的空间带宽，增加相位成像的稳定性和精确性，能够节约处理时间。
本发明的技术方案是：一种双波长相位显微成像系统，包括沿着并排分布的第一激光器和第二激光器的输出方向依次连接的光纤耦合器、准直器和第一分光棱镜；所述第一分光棱镜将激光分为物光和参考光，沿物光方向依次放置第二反射镜、光学透明的相位物体和显微物镜，沿参考光方向依次放第二分光棱镜、第一反射镜和PZT相移器，物光和参考光两条光路汇聚到第三分光棱镜上，且在CCD上形成一系列双波长同轴相移干涉图。
一种根据所述双波长相位显微成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，使波长为λ1的第一激光器和波长为λ2的第二激光器发出的光束同时通过光纤耦合器和准直器后，形成双波长同轴平行光入射到双波长相位显微成像系统中；
第二步，所述双波长同轴平行光经过第一分光棱镜后，分成经第二反射镜、光学透明的相位物体和显微物镜后形成的物光和经第二分光棱镜、第一反射镜和PZT相移器后形成的参考光2条光路，汇聚到第三分光棱镜后，在CCD上形成一系列双波长同轴相移干涉图；
第三步，所述参考光通过PZT相移器使每个波长的参考光改变2次特定相移后，与经透射光学透明的相位物体后形成的每个波长的物光形成非相干叠加干涉。
一种根据所述的一种双波长相位显微成像系统的对应相位恢复方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，记录双波长同轴相移干涉图，
第n幅双波长同轴相移干涉图可表达为：
其中，x和y分别为空间坐标，a(x,y)为总的背景强度，bλ1(x,y)，bλ2(x,y)分别为波长λ1和λ2的幅值，分别为光学透明相位物体在波长λ1和λ2的空间变化相位，δλ1,n，δλ2,n分别为波长λ1和λ2的相移值，n为双波长同轴相移干涉图数，此外，在所述双波长相位显微成像系统中，波长与相移值之间的关系为：δλ1,n/δλ2,n＝λ2/λ1＞1 (2)；下面的相位恢复过程中，都省略了公式(1)中的空间坐标。
第二步，通过采用相移技术和相减程序，计算干涉图I1与式(1)中的干涉图In两干涉图之差消除背景强度，
其中，I1为δλ1,1＝δλ2,1＝0的干涉图样，bλ1，bλ2分别为波长λ1和λ2的幅值；
第三步，通过对δλ1,n进行2π和4π相移，依据式(2)，对应的δλ2,n相移值分别为2πλ1/λ2和4πλ1/λ2；
第四步，将第三步中的δλ1,n和δλ2,n代入式(3)，计算只含有波长λ2的消除背景值的干涉强度，
其中，Iλ2,1为δλ1,n＝2π和δλ2,n＝2πλ1/λ2的干涉强度，Iλ2,2为δλ1,n＝4π和δλ2,n＝4πλ1/λ2的干涉强度；
第五步，如定义并对式(4)和(5)进行变形，
Iλ2,1/2bλ2sin(πλ1/λ2)＝sin(Φλ2) (6)
Iλ2,2/2bλ2sin(2πλ1/λ2)＝sin(Φλ2+πλ1/λ2) (7)；
第六步，根据式(6)和(7)，求解波长λ2的包裹相位图，
重复第三、四和五步，可类似的求解波长λ1的包裹相位图，
其中，Iλ1,1为δλ1,n＝2πλ2/λ1和δλ2,n＝2π的干涉强度，Iλ1,2为δλ1,n＝4πλ2/λ1和δλ2,n＝4π的干涉强度；
第七步，根据式(8)和(9)，求解合成波长的相位图，
第八步，求解在光学方向上的相位物体厚度或微观形貌
其中，Λ为λ1λ2/(λ2-λ1)，n1和nm分别为相位物体和环境介质的折射率。
上述方案中，利用相移技术和相减程序分离出只含有单个波长的无背景强度的干涉强度图样，无需其它附加技术，采用特定相移值可求解每个波长的包裹相位图。
上述方案中，通过每个波长的包裹相位图相减，在一定尺度范围内，可求解出无包裹的合成波长相位图，进而求解出相位物体的微观形貌或厚度。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、本发明基于典型的马赫-曾德尔干涉光路来实现双波长相位显微成像，具有共光路特征，高可靠性和稳定性，实验可重复进行；
2、本发明在整个相位恢复过程中，利用相移技术和代数运算即可分离出只含有单个波长的无背景强度的干涉强度图样，无需其它附加技术，采用特定相移值可求解每个波长的包裹相位图；
3、本发明通过每个波长的包裹相位图相减，在一定尺度范围内，可求解出无包裹的合成波长相位图，进而解构出相位物体的微观形貌或厚度；
4、本发明采用的是双波长同轴相移干涉系统，能提高空间带宽利用率、相位显微成像系统的分辨率、测量精度和处理速度。因此，本发明可成为双波长同轴相移干涉术中的标准相位恢复方法，应用面广，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明一实施方式的光路示意图。
图中，1：第一激光器；2：第二激光器；3：光纤耦合器；4：准直器；5：第一分光棱镜；6：第二分光棱镜；7：第一反射镜；8：相移器；9：第二反射镜；10：相位物体；11：显微物镜；12：第三分光棱镜；13：CCD。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
结合图1，本发明的一种双波长相位显微成像技术是通过典型的马赫-曾德尔干涉光路来实现的。
一种双波长相位显微成像系统，包括沿着并排分布的第一激光器1和第二激光器2的输出方向依次连接的光纤耦合器3、准直器4和第一分光棱镜5；所述第一分光棱镜5将激光分为物光和参考光，沿物光方向依次放置第二反射镜9、光学透明的相位物体10和显微物镜11，沿参考光方向依次放置第二分光棱镜6、第一反射镜7和PZT相移器8，物光和参考光两条光路汇聚到第三分光棱镜12上，且在CCD13上形成一系列双波长同轴相移干涉图。
一种根据所述双波长相位显微成像系统的成像方法，包括以下步骤：两个波长的第一激光器1和第二激光器2发出的光束同时通过光纤耦合器3和准直器4后，形成双波长同轴平行光，经过第一分光棱镜5后，形成经第二反射镜9、光学透明的相位物体10和显微物镜11后形成的物光和经第二分光棱镜6、第一反射镜7和相移器8后形成的参考光，再次汇聚到第三分光棱镜12后，在CCD13上采集到1幅双波长同轴相移干涉图。通过相移器8使每个波长的参考光改变2次特定相移值后，与物光干涉，可连续采集4幅双波长非相干叠加干涉图。采用对应的相位恢复算法，从5个双波长干涉图，可快速获得每个波长的相位图，进而形成合成波长相位图，可反演出相位物体的三维形貌，从而完成双波长相位显微成像。
本发明的一种双波长相位显微成像系统对应的相位恢复方法，具体实施如下：
第n幅双波长同轴相移干涉图可表达为
其中，x和y分别为空间坐标，a(x,y)为总的背景强度，bλ1(x,y)，bλ2(x,y)分别为波长λ1和λ2的幅值，分别为光学透明相位物体在波长λ1和λ2的空间变化相位，δλ1,n，δλ2,n分别为波长λ1和λ2的相移值，n为双波长同轴相移干涉图数。
此外，在所述双波长相位显微成像系统中，波长与相移值之间的关系为
δλ1,n/δλ2,n＝λ2/λ1＞1 (2)
通过采用相移技术和相减程序，计算干涉图I1与式(1)中的干涉图In两干涉图之差消除背景强度
其中，I1为δλ1,1＝δλ2,1＝0的干涉图样，bλ1，bλ2分别为波长λ1和λ2的幅值；
通过对δλ1,n进行2π和4π相移，依据式(2)，对应的δλ2,n相移值分别为2πλ1/λ2和4πλ1/λ2。
将δλ1,n和δλ2,n代入式(3)，计算只含有波长λ22的消除背景值的干涉强度，
其中，Iλ2,1为δλ1,n＝2π和δλ2,n＝2πλ1/λ2的干涉强度，Iλ2,2为δλ1,n＝4π和δλ2,n＝4πλ1/λ2的干涉强度；
如定义并对式(4)和(5)进行变形
Iλ2,1/2bλ2sin(πλ1/λ2)＝sin(Φλ2) (6)
Iλ2,2/2bλ2sin(2πλ1/λ2)＝sin(Φλ2+πλ1/λ2) (7)
根据式(6)和(7)，波长λ2的包裹相位图可通过下式计算
可类似的计算波长λ1的包裹相位图
其中，Iλ1,1为δλ1,n＝2πλ2/λ1和δλ2,n＝2π的干涉强度，Iλ1,2为δλ1,n＝4πλ2/λ1和δλ2,n＝4π的干涉强度；
根据式(8)和(9)，计算合成波长的相位图
计算在光学方向上的相位物体厚度或微观形貌
其中，Λ为λ1λ2/(λ2-λ1)，n1和nm分别为相位物体和环境介质的折射率。
上述对应相位恢复方法中利用相移技术和相减程序分离出只含有单个波长的无背景强度的干涉强度图样，无需其它附加技术，采用特定相移值可求解每个波长的包裹相位图。
上述对应相位恢复方法中，通过每个波长的包裹相位图相减，在一定尺度范围内，可求解出无包裹的合成波长相位图，进而求解出相位物体的微观形貌或厚度。
本发明的工作原理如下：两个波长的激光器发出的光束同时通过光纤耦合器3和准直器4后，形成双波长同轴平行光，经过第一分光棱镜5后，形成经第二反射镜9、光学透明的相位物体10和显微物镜11后形成的物光和经第二分光棱镜6、第一反射镜7和相移器8后形成的参考光，再次汇聚到第三分光棱镜12后，在CCD13上形成双波长同轴相移干涉图。通过相移器8使每个波长的参考光改变2次特定相移值后，与物光干涉，形成一系列双波长非相干叠加干涉图。采用对应的相位恢复算法，从5个双波长干涉图，可快速获得每个波长的相位图，进而形成合成波长相位图，可反演出相位物体的三维形貌，从而完成双波长相位显微成像。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种双波长相位显微成像系统的对应相位恢复方法，其特征在于，所述双波长相位显微成像系统，包括沿着并排分布的第一激光器(1)和第二激光器(2)的输出方向依次连接的光纤耦合器(3)、准直器(4)和第一分光棱镜(5)；所述第一分光棱镜(5)将激光分为物光和参考光，沿物光方向依次放置第二反射镜(9)、光学透明的相位物体(10)和显微物镜(11)，沿参考光方向依次放置第二分光棱镜(6)、第一反射镜(7)和PZT相移器(8)，物光和参考光两条光路汇聚到第三分光棱镜(12)上，且在CCD(13)上形成一系列双波长同轴相移干涉图；
所述双波长相位显微成像系统的对应相位恢复方法包括以下步骤：
第一步，记录双波长同轴相移干涉图，
第n幅双波长同轴相移干涉图可表达为：
其中，x和y分别为空间坐标，a(x,y)为总的背景强度，bλ1(x,y)，bλ2(x,y)分别为波长λ1和λ2的幅值，分别为光学透明相位物体在波长λ1和λ2的空间变化相位，δλ1,n，δλ2,n分别为波长λ1和λ2的相移值，n为双波长同轴相移干涉图数，此外，在所述双波长相位显微成像系统中，波长与相移值之间的关系为：δλ1,n/δλ2,n＝λ2/λ1＞1 (2)；
第二步，通过采用相移技术和相减程序，计算干涉图I1与式(1)中的干涉图In两干涉图之差消除背景强度，
其中，I1为δλ1,1＝δλ2,1＝0的干涉图样，bλ1，bλ2分别为波长λ1和λ2的幅值；
第三步，通过对δλ1,n进行2π和4π相移，依据式(2)，对应的δλ2,n相移值分别为2πλ1/λ2和4πλ1/λ2；
第四步，将第三步中的δλ1,n和δλ2,n代入式(3)，计算只含有波长λ2的消除背景值的干涉强度，
其中，Iλ2,1为δλ1,n＝2π和δλ2,n＝2πλ1/λ2的干涉强度，Iλ2,2为δλ1,n＝4π和δλ2,n＝4πλ1/λ2的干涉强度；
第五步，如定义并对式(4)和(5)进行变形，
Iλ2,1/2bλ2sin(πλ1/λ2)＝sin(Φλ2) (6)
Iλ2,2/2bλ2sin(2πλ1/λ2)＝sin(Φλ2+πλ1/λ2) (7)；
第六步，根据式(6)和(7)，求解波长λ2的包裹相位图，
重复第三、四和五步，可类似的求解波长λ1的包裹相位图，
其中，Iλ1,1为δλ1,n＝2πλ2/λ1和δλ2,n＝2π的干涉强度，Iλ1,2为δλ1,n＝4πλ2/λ1和δλ2,n＝4π的干涉度；
第七步，根据式(8)和(9)，求解合成波长的相位图，
第八步，求解在光学方向上的相位物体厚度或微观形貌
其中，Λ为λ1λ2/(λ2-λ1)，n1和nm分别为相位物体和环境介质的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种双波长相位显微成像系统的对应相位恢复方法，其特征在于，利用相移技术和相减程序分离出只含有单个波长的无背景强度的干涉强度图样，无需其它附加技术，采用特定相移值可求解每个波长的包裹相位图。
3.根据权利要求1所述的一种双波长相位显微成像系统的对应相位恢复方法，其特征在于，通过每个波长的包裹相位图相减，在一定尺度范围内，可求解出无包裹的合成波长相位图，进而求解出相位物体的微观形貌或厚度。
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