CN107036972B - 一种各向异性物质的双模成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种各向异性物质的双模成像方法及装置，方法包括：对各向异性物质进行偏振‑共焦显微扫描成像，获取原始图像；采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像，改进的斯托克斯参量测量法将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值，然后根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像。本发明采用了改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，适用性更广；消除了物体空间结构对透射光强的调制，干扰更小；以偏振态作为成像物理量，更加直观且全面。本发明可广泛应用于成像技术领域。

Description

一种各向异性物质的双模成像方法及装置

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其是一种各向异性物质的双模成像方法及装置。

背景技术

偏振成像技术广泛应用于生物医学成像、遥感天文成像、目标识别以及三维偏振积分成像等各个领域。生物组织的偏振特性会随着其结构功能的变化发生改变，因此可以通过偏振成像技术对生物组织的特性进行研究。传统的偏振成像技术探测的是样品的透射光强，透射光同时包含了样品的结构信息与空间信息，因此传统偏振成像方法只能对透明的各向异性物质(其透射系数为1)进行偏振成像，而对于具有复杂空间结构的各向异性物质来说，其偏振分布信息将被空间结构信息所掩盖，导致无法获取样品的纯偏振分布信息，造成传统偏振成像方法不再适用。传统偏振成像方法最终所获得的实际上是样品偏振分布图像与空间结构图像的混合图像，也就是说传统偏振成像方法对样品偏振特性成像的观察研究实际上受到了样品空间结构(如散射系数与吸收系数)成像的干扰。另外，传统偏振成像方法也只能以透射光偏振态中的某个投影作为成像物理量进行成像，并没有实现完全偏振态成像，不够直观和全面。

此外，传统的偏振成像装置大多结构复杂，测量速度慢，操作不够方便，且成像效果较差，无法满足各向异性物质偏振成像的高要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一目的在于：提供一种适用性广、干扰小、直观和全面的，各向异性物质的双模成像方法。

本发明的第二目的在于：提供一种结构简单、测量速度快、操作方便和成像效果好的，各向异性物质的投射式双模成像装置。

本发明的第三目的在于：提供一种结构简单、测量速度快、操作方便和成像效果好的，各向异性物质的反射式双模成像装置。

本发明所采取的技术方案是：

一种各向异性物质的双模成像方法，包括以下步骤：

对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像；

采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像，所述改进的斯托克斯参量测量法将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值，然后根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像。

进一步，所述对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像这一步骤，其包括：

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质进行X方向与Y方向的二维平面扫描，得到各向异性物质的单层二维原始图像；

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质在Z方向进行逐层扫描，得到各向异性物质的Z方向图像；

将各向异性物质的单层二维原始图像和Z方向图像进行逐层融合处理，得到各向异性物质的三维重构图像。

进一步，所述采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像这一步骤，其包括：

确定改进的斯托克斯参量测量法中描述偏振态的斯托克斯参数；

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值；

根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像；

将各向异性物质的偏振特性分布图像从原始图像中去除，得到各向异性物质的空间结构分布图像。

进一步，所述描述偏振态的斯托克斯参数对应的斯托克斯矢量表达式为：

其中，s为经过偏振-共焦显微扫描系统的偏振片时偏振光对应的斯托克斯矢量，S为偏振光经过各向异性物质时对应的斯托克斯矢量，s₀、s₁、s₂和s₃分别为s对应的4个斯托克斯参数，S₀、S₁、S₂和S₃分别为S对应的4个斯托克斯参数，I_0°、I_90°、I_+45°、I_-45°、I_R和I_L分别表示经过偏振片后的光波的X偏振分量、Y偏振分量、45°方向偏振分量、-45°方向偏振分量、右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强值，A为偏振-共焦显微扫描系统仪器矩阵，A^-1为系统仪器矩阵A的逆矩阵，I为偏振-共焦显微扫描系统4路探测器的光强矩阵，I₀、I₁、I₂和I₃分别为4路探测器探测的光强值。

进一步，所述将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值这一步骤，其包括：

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色，所述RGB三基色的计算公式为：

其中，S₀'(x,y)、S₁'(x,y)、S₂'(x,y)和S₃'(x,y)为各向异性物质入射光的斯托克斯参数，S₀"(x,y)、S₁"(x,y)、S₂"(x,y)和S₃"(x,y)为各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数，g(x,y)为各向异性物质的投射系数或反射系数，R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)分别为RGB三基色的红色、绿色和蓝色分量；

将各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数值分为256个灰阶，然后根据RGB三基色计算出相应的色度值作为偏振色度值。

进一步，所述根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像这一步骤，其具体为：

根据偏振色度值从单层二维原始图像中提取出各向异性物质的二维偏振特性分布图像，然后结合Z方向图像得到各向异性物质的三维偏振特性分布图像。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种各向异性物质的双模成像装置，包括光源、位移扫描平台和计算机处理部件，所述光源的右侧自左往右依次设有偏振发生器组件、显微物镜、样品架、样品、第一凸透镜、分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接。

进一步，所述探测器采用CCD相机。

本发明所采取的第三技术方案是：

一种各向异性物质的双模成像装置，包括光源、偏振发生器组件、半透半反镜、位移扫描平台和计算机处理部件，所述偏振发生器组件位于光源的正上方，所述半透半反镜位于偏振发生器组件的正上方，所述半透半反镜的左侧自右往左依次设有显微物镜、样品和样品架，所述半透半反镜的右侧自左往右依次设有分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接。

进一步，所述探测器采用CCD相机。

本发明的方法的有益效果是：采用了改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，改进的斯托克斯参量测量法将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色，然后根据偏振色度值从偏振分布图像与空间结构图像的混合图像中提取出偏振特性分布图像，在样品为各向异性物质时仍能获得样品的纯偏振分布信息，适用性更广；改进的斯托克斯参量测量法通过偏振色度值消除了物体空间结构对透射光强的调制，实现了偏振信息和空间结构信息的完全分离，干扰更小；基于偏振色度值，以偏振态作为成像物理量，不再以透射光偏振态中的某个投影作为成像物理量，更加直观且全面地反映了样品的完全偏振特性分布。

本发明的投射式双模成像装置的有益效果是：包括光源、位移扫描平台、计算机处理部件、偏振发生器组件、显微物镜、样品架、样品、第一凸透镜、分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，通过投射式结构光路实现了各向异性物质的结构成像与偏振特性成像双模成像，结构简单、测量速度快、操作方便和成像效果好，满足了各向异性物质偏振成像的高要求。

本发明的反射式双模成像装置的有益效果是：包括光源、位移扫描平台、计算机处理部件、偏振发生器组件、显微物镜、样品架、样品、半透半反镜、分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，通过反射式结构光路实现了各向异性物质的结构成像与偏振特性成像双模成像，结构简单、测量速度快、操作方便和成像效果好，满足了各向异性物质偏振成像的高要求。

附图说明

图1为本发明一种各向异性物质的双模成像方法的整体流程图；

图2为本发明一种各向异性物质的双模成像装置的第一实施例结构示意图；

图3为本发明一种各向异性物质的双模成像装置的第二实施例结构示意图；

图4为采用本发明的方法及装置对洋葱细胞进行动态监测的过程图像。

具体实施方式

参照图1，一种各向异性物质的双模成像方法，包括以下步骤：

对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像；

采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像，所述改进的斯托克斯参量测量法将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值，然后根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像。

进一步作为优选的实施方式，所述对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像这一步骤，其包括：

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质进行X方向与Y方向的二维平面扫描，得到各向异性物质的单层二维原始图像；

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质在Z方向进行逐层扫描，得到各向异性物质的Z方向图像；

将各向异性物质的单层二维原始图像和Z方向图像进行逐层融合处理，得到各向异性物质的三维重构图像。

进一步作为优选的实施方式，所述采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像这一步骤，其包括：

确定改进的斯托克斯参量测量法中描述偏振态的斯托克斯参数；

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值；

根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像；

将各向异性物质的偏振特性分布图像从原始图像中去除，得到各向异性物质的空间结构分布图像。

进一步作为优选的实施方式，所述描述偏振态的斯托克斯参数对应的斯托克斯矢量表达式为：

其中，s为经过偏振-共焦显微扫描系统的偏振片时偏振光对应的斯托克斯矢量，S为偏振光经过各向异性物质时对应的斯托克斯矢量，s₀、s₁、s₂和s₃分别为s对应的4个斯托克斯参数，S₀、S₁、S₂和S₃分别为S对应的4个斯托克斯参数，I_0°、I_90°、I_+45°、I_-45°、I_R和I_L分别表示经过偏振片后的光波的X偏振分量、Y偏振分量、45°方向偏振分量、-45°方向偏振分量、右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强值，A为偏振-共焦显微扫描系统仪器矩阵，A^-1为系统仪器矩阵A的逆矩阵，I为偏振-共焦显微扫描系统4路探测器的光强矩阵，I₀、I₁、I₂和I₃分别为4路探测器探测的光强值。

进一步作为优选的实施方式，所述将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值这一步骤，其包括：

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色，所述RGB三基色的计算公式为：

其中，S₀'(x,y)、S₁'(x,y)、S₂'(x,y)和S₃'(x,y)为各向异性物质入射光的斯托克斯参数，S₀"(x,y)、S₁"(x,y)、S₂"(x,y)和S₃"(x,y)为各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数，g(x,y)为各向异性物质的投射系数或反射系数，R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)分别为RGB三基色的红色、绿色和蓝色分量；

将各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数值分为256个灰阶，然后根据RGB三基色计算出相应的色度值作为偏振色度值。

进一步作为优选的实施方式，所述根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像这一步骤，其具体为：

根据偏振色度值从单层二维原始图像中提取出各向异性物质的二维偏振特性分布图像，然后结合Z方向图像得到各向异性物质的三维偏振特性分布图像。

参照图2，一种各向异性物质的双模成像装置，包括光源、位移扫描平台和计算机处理部件，所述光源的右侧自左往右依次设有偏振发生器组件、显微物镜、样品架、样品、第一凸透镜、分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接。

进一步作为优选的实施方式，所述探测器采用CCD相机。

参照图3，一种各向异性物质的双模成像装置，包括光源、偏振发生器组件、半透半反镜、位移扫描平台和计算机处理部件，所述偏振发生器组件位于光源的正上方，所述半透半反镜位于偏振发生器组件的正上方，所述半透半反镜的左侧自右往左依次设有显微物镜、样品和样品架，所述半透半反镜的右侧自左往右依次设有分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接。

进一步作为优选的实施方式，所述探测器采用CCD相机。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例一

为了消除物体的空间结构信息对光强的调制，获得具有复杂空间结构的各向异性物质的全部偏振结构信息，本发明提出一种新的成像方法，该方法基于改进的斯托克斯参量测量法，以光的偏振态作为成像物理量进行偏振成像，消除了物体空间结构对透射光强的调制，可获得成像物体的全部偏振信息，更加直观且全面地反映样品偏振特性分布，优化了传统偏振成像方法的不足，实现了各向异性物质的结构成像与偏振特性成像双模成像；并结合共焦扫描成像技术，提出了可实现细胞水平的偏振态显微成像研究的方法。

本发明的双模显微成像方法，包括以下步骤：

第一步，对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像数据。

本发明的偏振-共焦显微方法，结合共焦显微扫描系统，对样品进行X-Y平面二维扫描后经处理得到样品的单平面二维双模成像；结合Z方向逐层扫描，再经过图像融合处理获得样品的三维重构图像，再经进一步处理即可得到样品的三维空间上的偏振态分布与结构分布图像。

第二步，对原始图像数据进行双模成像处理，获取各向异性物质的偏振特性分布与空间结构分布成像。本发明引入了新的成像物理量-偏振色度值来表征物体偏振态分布，消除了物体空间结构分布的影响，可获取物体的全部偏振特性。本发明定义的斯托克斯矢量的表达式如下：

其中，s为经过偏振-共焦显微扫描系统的偏振片时偏振光对应的斯托克斯矢量，S为偏振光经过各向异性物质时对应的斯托克斯矢量，s₀、s₁、s₂和s₃分别为s对应的4个斯托克斯参数，S₀、S₁、S₂和S₃分别为S对应的4个斯托克斯参数，I_0°、I_90°、I_+45°、I_-45°、I_R和I_L分别表示经过偏振片后的光波的X偏振分量、Y偏振分量、45°方向偏振分量、-45°方向偏振分量、右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强值，A为偏振-共焦显微扫描系统仪器矩阵，A^-1为系统仪器矩阵A的逆矩阵，I为偏振-共焦显微扫描系统4路探测器的光强矩阵，I₀、I₁、I₂和I₃分别为I中4路探测器探测的光强值。由式(1)可知，与经过偏振片时偏振光对应的斯托克斯矢量s相对应，s₀表示经过偏振片后的光波的X偏振分量和Y偏振分量的总光强，即共焦显微扫描系统单次二维扫描时偏振光的总光强；s₁表示经过偏振片后的光波的X偏振分量和Y偏振分量的光强之差；s₂表示经过偏振片后的光波的45°方向偏振分量和-45°方向偏振分量的光强之差，s₃表示经过偏振片后的光波的右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强之差。同理，与偏振光经过各向异性物质时对应的斯托克斯矢量相对应，S₀表示经过各向异性物质时光波的X偏振分量和Y偏振分量的总光强，即共焦显微扫描系统单次二维扫描时的总光强；S₁表示经过各向异性物质时光波的X偏振分量和Y偏振分量的光强之差；S₂表示经过各向异性物质时光波的45°方向偏振分量和-45°方向偏振分量的光强之差，S₃表示经过各向异性物质时光波的右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强之差。

由式(1)可得，本发明偏振-共焦显微扫描系统的光路可分别提取光束的斯托克斯矢量信息。单次二维扫描时可由四路探测器(其位于偏振-共焦显微扫描系统样品投射或反射光线的出射光路上，如图2和3的探测器11所示)同步获取的数据，然后进行进一步处理得到样品同一位置的透射光或反射光的S₀"(x,y)、S₁"(x,y)、S₂"(x,y)和S₃"(x,y)四个信息的分布图像，其中，S₀"(x,y)由定义得知表示光波的总光强，因此S₀"(x,y)的分布图像即样品空间结构的分布图像；通过计算机处理部件进行进一步的处理，利用偏振色度值原理将原始数据消除其空间结构的影响后获得样品的偏振态分布图像。进行两次处理后再结合Z方向图像，最终可得到样品的空间结构分布图像与偏振态分布图像，实现双模成像。

本发明的偏振色度值将描述偏振态的三个斯托克斯矢量转换为RGB三基色，旨在去除物体空间结构对出射光斯托克斯参量的调制，实现物体的偏振成像与结构成像双模成像。

本发明将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三色，定义三基色为：

其中，S₀'(x,y)、S₁'(x,y)、S₂'(x,y)和S₃'(x,y)表示入射光的斯托克斯参数，S₀"(x,y)、S₁"(x,y)、S₂"(x,y)和S₃"(x,y)表示透射光或反射光的斯托克斯参数，g(x,y)为样品的投射系数或反射系数，其由具体的光路系统决定。由(2)式可知，本发明获取的样品偏振信息消除了空间结构分布g(x,y)的影响，从而可以仅获得具有复杂空间结构的各向异性物质的偏振特性分布图像。而斯托克斯参数的取值在[-1,1]之间，把每个参数值分为256个灰阶可得到相应的色度值，这些色度值被定义为偏振色度值。偏振色度值已消除了空间结构分布影响，完全表征了偏振态，且偏振色度值与像素点是一一对应的，因而可以通过偏振色度值的空间分布直观和全面地表征偏振态的空间分布，获得各向异性物体的完全偏振特性图像，并结合共焦扫描技术，最终得到细胞水平的偏振双模显微成像。

本实施例的方法具有以下的优点：

(1)可利用偏振色度值的空间分布来更加直观且全面表征物体偏振特性的分布，提供样品更丰富的信息，改善优化了传统偏振成像方法的不足。

(2)可将样品的偏振信息与空间结构信息完全分离，同时获取样品的偏振态分布成像与空间结构成像结果，实现了双模成像。

(3)可利用偏振双模成像法进行样品的应力分布测量等材料特性研究，比传统应力分布成像法等方法具有更丰富的信息，在研究各向异性样品时具有独特的研究优势。

(4)可以有效结合共焦扫描技术，对样品进行细胞水平的偏振态成像，实现了高分辨率偏振特性的可视化双模成像。

实施例二

参照图2，本发明的第二实施例：

为配合本发明的双模成像方法，本实施例提出了一种各向异性物质的投射式双模成像装置。如图2所示，该投射式双模成像装置包括光源1、偏振发生器组件2、显微物镜3、样品架4、样品5、第一凸透镜61、分束组合部件7、偏振分析器件8、第二凸透镜9、位移扫描平台10、探测器11和计算机处理部件12。其中，光源1可采用激光器。样品5固定于样品架4上。第一凸透镜61为一般凸透镜。分束组合部件7为与偏振无关的部件。第二凸透镜9为大凸透镜。探测器11可采用CCD相机。

本实施例光源1发出的光束经过扫描共焦系统的偏振发生器组件2后进入显微物镜3聚焦到样品5的表面，使物点与探测点满足共轭关系；接着，使样品5的透射光通过第一凸透镜61，以平行光的方式通过分束组合部件7和偏振元件(包括偏振分析器件8和第二凸透镜9)后聚焦到相应的探测器11上，实现物点斯托克斯参量的共焦测量。

本实施例投射式双模成像装置的具体光路及工作过程如下：

光源1发出光经过偏振发生器组件2和显微物镜3后，聚焦并通过固定于样品架4上的样品5，然后经过第一凸透镜61后，形成出射的待测偏振光束。出射的待测偏振光束经过分束组合器件7后被分成光强相等的四束光，这四束光同时经过偏振分析器件8和第二凸透镜9后，到达探测器11，由探测器11采集后形成图像数据，并将图像数据保存到计算机处理部件12中进行图像处理与重建。同时，计算机处理部件12同步控制位移扫描平台10进行扫描，以获取样品的空间结构与偏振态双模图像。

本实施例装置的光路调节与测量过程为：首先装上激光光源1(波长λ＝623.8nm、功率P＝2mW)，借助两个等高的光阑进行调节，使激光光源1发出的光束与光学平面或者光具座平行，然后按照图2搭建好偏振系统(其中，偏振分析器件8中的第一路到第四路的偏振片光轴方向分别为0°、45°、90°、135°，第四路中放置的λ/4波片的轴与第四路偏振片的方位角成45°)；接着，进行定标实验确保偏振系统的准确性，然后加入共焦扫描系统，共焦扫描系统由聚焦光学元件(包括偏振发生器2，显微物镜3，第一凸透镜61)、扫描系统(包括样品架4，二维或三维扫描平台10)和计算机处理部件12组成。此外，共焦扫描系统还可根据实际需进行相应的调整。

本实施例的投射式双模成像装置测量速度快、操作方便、成像效果好、获得的信息丰富并且容易实现自动化控制。

实施例三

参照图3，本发明的第三实施例：

为配合本发明的双模成像方法，本实施例提出了一种各向异性物质的反射式双模成像装置。如图3所示，该投射式双模成像装置包括光源1、偏振发生器组件2、显微物镜3、样品架4、样品5、半透半反镜62、分束组合部件7、偏振分析器件8、第二凸透镜9、位移扫描平台10、探测器11和计算机处理部件12。其中，光源1可采用激光器。样品5固定于样品架4上。半透半反镜62，既可以将偏振发生器组件2的偏振光反射给显微物镜3，又可将显微物镜3经样品5反射后的偏振光透射给分束组合部件7。分束组合部件7为与偏振无关的部件。第二凸透镜9为大凸透镜。探测器11可采用CCD相机。

本实施例光源1发出的光束经过扫描共焦系统的偏振发生器2和半透半反镜62反射后进入显微物镜3聚焦到样品5的表面，使物点与探测点满足共轭关系；接着，样品5的反射光经过显微物镜3后透过半透半反镜62，以平行光的方式通过分束组合部件7和偏振元件(包括偏振分析器件8和第二凸透镜9)后聚焦到相应的探测器11上，实现物点斯托克斯参量的共焦测量。

本实施例投射式双模成像装置的具体光路及工作过程如下：

光源1发出光经过偏振发生器组件2和半透半反镜62反射后进入显微物镜3，由显微物镜3聚焦并经固定于样品架4上的样品5反射。而样品5的反射光则经过显微物镜3和半透半反镜62后，形成出射的待测偏振光束。出射的待测偏振光束经过分束组合器件7后被分成光强相等的四束光，这四束光同时经过偏振分析器件8和第二凸透镜9后，到达探测器11，由探测器11采集后形成图像数据，并将图像数据保存到计算机处理部件12中进行图像处理与重建。同时，计算机处理部件12同步控制位移扫描平台10进行扫描，以获取样品的空间结构与偏振态双模图像。

本实施例装置的光路调节与测量过程为：首先装上激光光源1(波长λ＝623.8nm、功率P＝2mW)，借助两个等高的光阑进行调节，使激光光源1发出的光束与光学平面或者光具座平行，然后按照图3搭建好偏振系统(其中，偏振分析器件8中的第一路到第四路的偏振片光轴方向分别为0°、45°、90°、135°，第四路中放置的λ/4波片的轴与第四路偏振片的方位角成45°)；接着，进行定标实验确保偏振系统的准确性，然后加入共焦扫描系统，共焦扫描系统由聚焦光学元件(包括偏振发生器2，显微物镜3，半透半反镜62)、扫描系统(包括样品架4，二维或三维扫描平台10)和计算机处理部件12组成。此外，共焦扫描系统还可根据实际需进行相应的调整。

本实施例的反射式双模成像装置测量速度快、操作方便、成像效果好、获得的信息丰富并且容易实现自动化控制。

图4是采用本发明的方法及装置对洋葱细胞进行动态监测的过程图像。图4中，从左往右依次为每隔两小时监测到的洋葱细胞的分布图像，第一行为洋葱细胞形态结构分布的变化图像，第二行为洋葱细胞偏振态分布的变化图像。从图4可以观察到洋葱细胞活性变化过程中形态结构与偏振态的变化，说明本发明的装置与偏振态双模成像方法相比于传统的偏振成像法，能够获得样品更加丰富的信息。

本发明提出了一种新型的偏振态双模成像新方法及装置，该方法可以将各向异性物体的偏振特性分布图像与空间结构图像完全分离，因而可以同时获得物体的偏振特性分布图像和空间结构图像，可用于获取具有复杂空间结构的各向异性物质的纯偏振分布信息与空间结构分布信息。本发明的方法首先引入一个可测量的物理量--偏振色度值来表征光的偏振态，将描述偏振态的斯托克参量转换成RGB三基色，并在此基础上提取各向异性物质的纯偏振特性分布信息，从而实现偏振色度值与偏振态以及像素点之间的一一对应；然后结合偏振-共焦显微技术对样品进行二维成像和三维成像，获得各向异性物体的偏振特性分布和空间结构的混合图像，再采用图像分离办法，把偏振特性分布图像与空间结构图像从混合图像中完全分离出来，从而获得各向异性物体的双模成像结果。该方法在具有复杂空间结构的各向异性物体的偏振成像方面具有很大的应用前景。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种各向异性物质的双模成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像；

采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像，所述改进的斯托克斯参量测量法将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值，然后根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像；

所述对各向异性物质进行偏振-共焦显微扫描成像，获取原始图像这一步骤，其包括：

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质进行X方向与Y方向的二维平面扫描，得到各向异性物质的单层二维原始图像；

结合偏振-共焦显微扫描系统的扫描平台，对各向异性物质在Z方向进行逐层扫描，得到各向异性物质的Z方向图像；

将各向异性物质的单层二维原始图像和Z方向图像进行逐层融合处理，得到各向异性物质的三维重构图像；

所述描述偏振态的斯托克斯参数对应的斯托克斯矢量表达式为：

其中，s为经过偏振-共焦显微扫描系统的偏振片时偏振光对应的斯托克斯矢量，S为偏振光经过各向异性物质时对应的斯托克斯矢量，s₀、s₁、s₂和s₃分别为s对应的4个斯托克斯参数，S₀、S₁、S₂和S₃分别为S对应的4个斯托克斯参数，I_0°、I_90°、I_+45°、I_-45°、I_R和I_L分别表示经过偏振片后的光波的X偏振分量、Y偏振分量、45°方向偏振分量、-45°方向偏振分量、右旋偏振分量和左旋偏振分量的光强值，A为偏振-共焦显微扫描系统仪器矩阵，A^-1为系统仪器矩阵A的逆矩阵，I为偏振-共焦显微扫描系统4路探测器的光强矩阵，I₀、I₁、I₂和I₃分别为4路探测器探测的光强值；

所述RGB三基色的计算公式为：

其中，S₀'(x,y)、S₁'(x,y)、S₂'(x,y)和S₃'(x,y)为各向异性物质入射光的斯托克斯参数，S₀"(x,y)、S₁"(x,y)、S₂"(x,y)和S₃"(x,y)为各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数，g(x,y)为各向异性物质的投射系数或反射系数，R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)分别为RGB三基色的红色、绿色和蓝色分量。

2.根据权利要求1所述的一种各向异性物质的双模成像方法，其特征在于：所述采用改进的斯托克斯参量测量法对原始图像进行双模成像处理，以分离出各向异性物质的偏振特性分布图像与空间结构分布图像这一步骤，其包括：

确定改进的斯托克斯参量测量法中描述偏振态的斯托克斯参数；

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值；

根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像；

将各向异性物质的偏振特性分布图像从原始图像中去除，得到各向异性物质的空间结构分布图像。

3.根据权利要求2所述的一种各向异性物质的双模成像方法，其特征在于：所述将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色并计算出相应的色度值作为偏振色度值这一步骤，其包括：

将描述偏振态的斯托克斯参量转换为RGB三基色；

将各向异性物质透射光或反射光的斯托克斯参数值分为256个灰阶，然后根据RGB三基色计算出相应的色度值作为偏振色度值。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种各向异性物质的双模成像方法，其特征在于：所述根据偏振色度值从原始图像提取出各向异性物质的偏振特性分布图像这一步骤，其具体为：

根据偏振色度值从单层二维原始图像中提取出各向异性物质的二维偏振特性分布图像，然后结合Z方向图像得到各向异性物质的三维偏振特性分布图像。

5.一种各向异性物质的双模成像装置，其特征在于：包括光源、位移扫描平台和计算机处理部件，所述光源的右侧自左往右依次设有偏振发生器组件、显微物镜、样品架、样品、第一凸透镜、分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接；

所述计算机处理部件用于执行如权利要求1-3中任一项所述的各向异性物质的双模成像方法。

6.根据权利要求5所述的一种各向异性物质的双模成像装置，其特征在于：所述探测器采用CCD相机。

7.一种各向异性物质的双模成像装置，其特征在于：包括光源、偏振发生器组件、半透半反镜、位移扫描平台和计算机处理部件，所述偏振发生器组件位于光源的正上方，所述半透半反镜位于偏振发生器组件的正上方，所述半透半反镜的左侧自右往左依次设有显微物镜、样品和样品架，所述半透半反镜的右侧自左往右依次设有分束组合部件、偏振分析器件、第二凸透镜和探测器，所述样品固定在样品架的右侧，所述位移扫描平台与样品架连接并位于样品架的上方，所述位移扫描平台还与计算机处理部件连接，所述计算机处理部件还与探测器连接；

所述计算机处理部件用于执行如权利要求1-3中任一项所述的各向异性物质的双模成像方法。

8.根据权利要求7所述的一种各向异性物质的双模成像装置，其特征在于：所述探测器采用CCD相机。