CN109991171B - 一种单击定量双折射显微成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种单击定量双折射显微成像装置及方法，本公开可通过在常规离轴全息成像记录装置中的光源输出端和参考光路中分别插入一个圆偏振片和一个锐角偏振分束器来实现。该方法中引入了一个新的物理量(命名为复双折射参量)来定量描述双折射特性，给出了从一幅单击全息图样中定量计算复双折射参量的计算公式；同时还进一步给出了从复双折射参量中进一步提取双折射相位延迟参量和光轴取向参量的计算公式。实验结果证明了上述实施装置及方法的可行性和有效性，为实验观测动态各向异性材料的双折射特性，特别是超快脉冲激光引起的双折射现象提供了一种新的有效工具。

Description

一种单击定量双折射显微成像装置和方法
技术领域
本公开涉及一种单击定量双折射显微成像装置和方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
双折射是各向异性材料的一种重要光学特性，是由材料分子结构的各向异性引起的。材料的双折射特性通常可由其光轴取向参量(θ)和双折射量(B)(材料对平行光轴和垂直光轴偏振光的折射率之差)来表征，其中双折射量B也常用对应的双折射相位延迟量δ＝2πsB/λ(s为材料厚度)来描述。双折射参量的精确测量技术在软物质物理学，细胞生物学，生物物理学，化学，矿物学和医学等诸多研究领域中都有重要应用，例如，根据测量的双折射信息可以定量诊断由疾病或物理损伤引起的生物组织的结构变化；对人眼视网膜神经纤维层的双折射分析可有助于青光眼的早期诊断；光纤中应力双折射的测量可用于确定偏振模色散量及设计偏振模色散模拟器和补偿器等。动态双折射成像还可用于观察活体细胞中的发育营养物和微管的生长锥等。
近几十年来人们已经研究了多种用于定量观测双折射参量分布的相关技术。但其中多数方法因测量过程中涉及多步记录过程和改变偏振设置环节而难以用于动态样品和迅变过程的测量。
据发明人了解，现有技术中有一种双光源四通道偏振全息成像技术，利用该技术成功实现了各向异性材料的二维(2D)琼斯矩阵参量的单击测量。虽然从测量出的四个琼斯矩阵参量中也可以定量求出上述双折射参量，该技术仍存在一些不足之处。例如，为了获得四通道角分复用偏振全息图，需要在记录光路中引入两个彼此不相干的激光光源和两个正交光栅。最近，Yang和Ge等人分别提出了另外两种方法来实现琼斯矩阵的单击测量。第一种主要采用了空分复用技术来实现琼斯矩阵参量的单击测量。但是在该方法中，因为要从一幅空分复用全息图的不同区域提取出计算琼斯矩阵参量的数据，像素对准偏差和图像传感器的像素响应偏差将导致测量结果的失真。第二种则是利用基于渥拉斯顿棱镜的共路自相干系统和圆偏振光照明来实现双折射参量的单击测量。但该方法给出的计算公式原理上只适用于双折射光轴取向在0到π/2的范围变化的情况，从而限制了该方法的实际应用范围。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种单击定量双折射显微成像装置和方法，本公开能够实现各向异性材料二维双折射参量单击测量和成像，结构简单，可通过在常规离轴全息成像记录装置中的光源输出端和参考光路中分别插入一个圆偏振器和一个锐角偏振分束器来实现。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种单击定量双折射显微成像装置，包括离轴全息成像记录装置，所述离轴全息成像记录装置的光源输出端插入一个圆偏振器；
所述参考光路在分束器前插入一个锐角偏振分束器。
一种单击定量双折射显微成像装置，包括光源、圆偏振器、第一分束器、第二分束器、图像传感器和多个透镜，其中：
所述圆偏振器将光源发出的光的偏振态转换成圆偏振态，所述第一分束器将圆偏振态的光分成两路，一路作为照明光进入物光光路，另一路作为参考光；
所述物光光路包括光学延迟器、第一透镜和第二透镜，所述照明光经过光学延迟器照射到被测样品上，透过样品的光再经过第一透镜和第二透镜的放大后作为物光经第二分束器到达图像传感器的感光面；
所述参考光经过若干透镜放大后通过锐角偏振分束镜后分成具有不同传播方向和正交偏振态的两束分参考光；两束分参考光再经第二分束器到达图像传感器的感光面，与通过物光光路到达该感光面的物光相干叠加形成包含物光两个正交偏振分量的复振幅信息的双通道偏振全息图，所述图像传感器记录所述偏振全息图。
作为一种实施方式，所述光学延迟器包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜垂直设置。
作为一种实施方式，所述参考光依次经过第三反射镜、第三透镜、第四透镜和第四反射镜到达锐角偏振分束镜。
基于上述装置的双折射参数提取方法，包括以下步骤：
获取双通道偏振全息图，对双通道偏振全息图做傅里叶变换运算，得到全息图的空间频谱；
利用空间滤波法从全息图的空间频谱中分别提取出包含被测物波琼斯矢量两个正交的频谱分量，对两个频谱分量进行逆傅立叶变换后计算复双折射参量；
从复双折射参量的模和幅角中提取出所需的双折射相位延迟参量和光轴取向参量，完成双折射参数提取。
作为进一步的限定，计算复双折射参量Γ的具体过程为：
Figure BDA0002021805190000041
其中，Yx和Yy为包含了被测物波琼斯矢量两个正交偏振分量的复振幅信息，附加相位常数φr由下式求出：
Figure BDA0002021805190000042
Yx0＝R0O0u0,Yy0＝jR0O0u0exp(-jφr),它们与被测样品的双折射相位延迟参量δ为零时的取值相对应，从未放置样品时记录的背景全息图中提取出来，其中O0是表征照明光振幅的常数，u0是样品的平均振幅吸收系数，R0是一个由光源发光强度决定的常数，φr是一个由入射光偏振态和偏振分束镜在两束分参考光之间引入的附加相位常数。
作为进一步的限定，复双折射参量的模等于待测样品的双折射相位延迟参量δ的二分之一，复双折射参量的幅角则正好等于双折射光轴取向参量θ的二倍。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的双折射参数提取方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的双折射参数提取方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的实施装置结构简单，可通过在常规离轴全息成像记录装置中的物光光路和参考光路中分别插入一个圆偏振片和一个小角度偏振分束器来实现。
本公开在参数提取过程中，引入了一个称为复双折射参量的新的物理量来定量描述双折射特性，给出了从一幅单击全息图样中定量计算复双折射参量的计算过程；
同时本公开过还进一步给出了从复双折射参量中进一步提取双折射相位延迟量和光轴取向参量的计算过程，实验结果证明了上述实施装置及方法的可行性和实用性，为超快脉冲激光引起的双折射现象提供了一种新的有效工具。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的装置示意图；
图2(a)是本实施例中实验记录的双通道偏振全息图；
图2(b)是本实施例双通道偏振全息图的空间频率分布；
图3是光轴从0度到180度不同取向的四分之一波片双折射相位延迟参量和光轴取向参量的实验测量结果；
图4(a)和图4(b)是实验测得的淀粉颗粒复双折射参量的模和幅角的二维分布；
图4(c)和图4(d)是实验测得的淀粉颗粒双折射相位延迟参量和光轴取向参量的二维分布测量结果。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所述的现有的测量装置适用范围窄，容易造成测量结果的失真，因此，本公开提供一种实现各向异性材料二维双折射参量(包括双折射相位延迟参量和双折射光轴取向参量)单击测量和成像的实施装置和方法。该实施装置结构简单，可通过在常规离轴全息成像记录装置中的光源输出端和参考光路中分别插入一个圆偏振片和一个锐角偏振分束器来实现。该方法中引入了一个新的物理量(命名为复双折射参量)来定量描述双折射特性，给出了从一幅单击全息图样中定量计算复双折射参量的计算公式；同时还进一步给出了从复双折射参量中进一步提取双折射相位延迟参量和光轴取向参量的计算公式。实验结果证明了上述实施装置及方法的可行性和有效性。本公开为实验观测动态各向异性材料的双折射特性，特别是超快脉冲激光引起的双折射现象提供了一种新的有效工具。
如图1所述，从光源S发出的光先通过一个圆偏振器将其偏振态转换成圆偏振态(如右旋圆偏振光)，然后经分束器BS1分成两路：一路作为照明光进入物光光路，另一路作为参考光进入参考光路。进入物光光路的照明光先通过一个由反射镜M1和M2组成的光学延迟器后照射到被测样品O上，透过样品O的光通过透镜L1和透镜L2放大后作为物光经分束器BS2到达图像传感器CCD的感光面。进入参考光路的参考光依次通过反射镜M3、透镜L3、透镜L4、反射镜M4和锐角偏振分束镜PBS后分成具有不同传播方向和正交偏振态的两束分参考光；两束分参考光再经分束镜BS2到达图像传感器CCD的感光面，与通过物光光路到达该感光面的物光相干叠加形成包含物光两个正交偏振分量的复振幅信息的双通道偏振全息图并由图像传感器记录下来。这就构成了一个双通道角分复用偏振全息图记录系统。
假设参考光路中的锐角偏振分光棱镜PBS的分束角为2α，经BS2到达记录平面的两束分参考光的复振幅可以用以下琼斯矢量表示：
Figure BDA0002021805190000071
其中，R0是一个由光源发光强度决定的常数，β是一个由反射镜M3、M4取向决定的常数，λ是光源输出光波的中心波长，φr是一个由入射光偏振态和偏振分束镜PBS在两束分参考光之间引入的附加相位常数。
在物光光路中，假设待测样品的双折射相位延迟参量为δ，其双折射光轴取向参量为θ，则经BS2到达记录平面的物体的琼斯矢量可以写为：
Figure BDA0002021805190000072
其中O0是表征照明光振幅的常数，u0是样品的平均振幅吸收系数。
由公式(1)和公式(2)分别给出的参考光和物光在记录平面上相互干涉形成的双通道偏振全息图Ih的强度分布可以表示为
Figure BDA0002021805190000081
其中
I0＝|rx|2+|ry|2+|ux|2+|uy|2 (4)
和
Figure BDA0002021805190000082
公式(3)和公式(5)中的星号为复共轭运算符。该双通道偏振全息图可由图像传感器CCD记录下来并可输入计算机中进行后续图像处理。图2(b)所示是这种全息图的空间频谱示意图。可以看出，通过常规的空间滤波图像处理算法就可以从一幅全息图中分别提取出(5)式中的Yx和Yy两个量，它们分别包含了被测物波琼斯矢量两个正交偏振分量的复振幅信息。利用所提取出的Yx和Yy两个量，可以用以下公式定义一个复双折射参量Γ：
Figure BDA0002021805190000083
其中附加相位常数φr可由下式求出：
Figure BDA0002021805190000084
公式(7)中，Yx0＝R0O0u0,Yy0＝jR0O0u0exp(-jφr),它们与被测样品的双折射相位延迟参量δ为零时公式(5)中的Yx和Yy的取值相对应，可以从未放置样品时记录的背景全息图中提取出来。
将公式(2)和公式(5)带入公式(6)中，经过简单代数运算可得到以下结果：
Figure BDA0002021805190000091
由(8)式可见，该复双折射参量的模刚好等于待测样品的双折射相位延迟参量δ的二分之一，而该复双折射参量的幅角则正好等于双折射光轴取向参量θ的二倍。由以上分析可见，利用图1所示的光路可以实现公式(3)所示的双通道偏振全息图单击记录，而利用公式(6)-公式(8)则可以从一幅双通道偏振全息图中提取出被测样品的双折射相位延迟参量和光轴方向角参量，从而实现了测量目的。
为了验证本公开的实际可行性，实验建立了图1所示的实验装置。在根据图1视出的实验装置中，光源为一个皮秒脉冲激光器(EksplaPL2250)，它可以发出中心波长为532nm、脉宽为30ps的超短脉冲激光。实验中所用的锐角偏振分束器(PBS)是一个分束角约为2α＝3.0°的方解石渥拉斯顿棱镜。所用图像传感器的像素大小为3.75um×3.75um，像素数为1280×960。图2(a)给出了实验记录的双通道偏振全息图的一个实例。从实验记录的双通道偏振全息图中提取双折射参数的过程主要包括以下三个步骤:
(1)通过对双通道偏振全息图做傅里叶变换运算得到如图2(b)所示的全息图的空间频谱。
(2)利用常规的空间滤波法从全息图的空间频谱中分别提取出Yx和Yy两个频谱分量，并分别对它们做逆傅立叶变换；
(3)利用公式(6)算出待测样品的复双折射参量Γ。
(4)再利用公式(8)就可从复双折射参量Γ的模和幅角中提取出所需的双折射相位延迟参量δ和光轴取向参量θ。
首先用上述装置和方法实际测量了光轴从0度到180度不同取向的四分之一波片(QWP)的双折射参量(其双折射相位延迟量的设计值为π/2)。图3给出了一组该QWP的双折射相位延迟参量和光轴取向参量的实验测量结果，图中三角符号对应测量值，直线表示理论值。实验结果表明，基于本实施例装置和方法的测量值与理论值有很好的一致性。
为证明本实施例在动态样品双折射特性测量中的适用性，进一步测量了在流动液体中的动态淀粉颗粒样品的双折射参量。图4给出了一组实验结果实例。图4中，图4(a)和4(b)分别为实验测量得到的动态淀粉颗粒复双折射参数Γ的模和幅角的二维分布图。图4(c)和4(d)则给出了根据公式(8)从参量Γ中恢复出的淀粉颗粒双折射相位延迟参量和光轴取向参量的二维分布图。该实验结果表明，淀粉颗粒周围的液体成分(本实验中用的是去离子水液体)的复双折射参量Γ的模近似为零，表明该液体为各向同性介质，与实际情况相符；这种情况下，图中的参量Γ的幅角为无意义的随机值。液体中的淀粉颗粒则表现出了很强的双折射特性。实验测量得到的淀粉颗粒的双折射相位延迟参量和光轴取向参量的分布特性与现有文献(S.PerezandE.Bertoft,“Themolecularstructureofstarchcomponentsandtheircontributiontothearchitectureofstarchgranules:acomprehensivereview,”Starch/Starke62,389-420(2010))对淀粉颗粒双折射特性的分析结果相符。
可以看出，本公开提供的装置和方法具有很好的准确性和有效性。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种单击定量双折射显微成像装置，其特征是：包括离轴全息成像记录装置，所述离轴全息成像记录装置的光源输出端插入一个圆偏振器；
从光源发出的光先通过一个圆偏振器将其偏振态转换成圆偏振态，然后经分束器分成两路：一路作为照明光进入物光光路，另一路作为参考光进入参考光路；
所述参考光路在分束器前插入一个锐角偏振分束器。
2.一种单击定量双折射显微成像装置，其特征是：包括光源、圆偏振器、第一分束器、第二分束器、图像传感器和多个透镜，其中：
所述圆偏振器将光源发出的光的偏振态转换成圆偏振态，所述第一分束器将圆偏振态的光分成两路，一路作为照明光进入物光光路，另一路作为参考光；
所述物光光路包括光学延迟器、第一透镜和第二透镜，所述照明光经过光学延迟器照射到被测样品上，透过样品的光再经过第一透镜和第二透镜的放大后作为物光经第二分束器到达图像传感器的感光面；
所述参考光经过若干透镜放大后通过锐角偏振分束镜后分成具有不同传播方向和正交偏振态的两束分参考光；两束分参考光再经第二分束器到达图像传感器的感光面，与通过物光光路到达该感光面的物光相干叠加形成包含物光两个正交偏振分量的复振幅信息的双通道偏振全息图，所述图像传感器记录所述偏振全息图。
3.如权利要求2所述的一种单击定量双折射显微成像装置，其特征是：所述光学延迟器包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜垂直设置。
4.如权利要求2所述的一种单击定量双折射显微成像装置，其特征是：所述参考光依次经过第三反射镜、第三透镜、第四透镜和第四反射镜到达锐角偏振分束镜。
5.基于权利要求1-4中任一项所述的装置的双折射参数提取方法，其特征是：包括以下步骤：
获取双通道偏振全息图，对双通道偏振全息图做傅里叶变换运算，得到全息图的空间频谱；
利用空间滤波法从全息图的空间频谱中分别提取出包含被测物波琼斯矢量两个正交的频谱分量，对两个频谱分量进行逆傅立叶变换后计算复双折射参量；
计算复双折射参量Γ的具体过程为：
Figure FDA0002986187150000021
其中，Yx和Yy为包含了被测物波琼斯矢量两个正交偏振分量的复振幅信息，附加相位常数φr由下式求出：
Figure FDA0002986187150000022
其中，Yx0和Yy0为从尚未放置样品时记录的背景全息图中提取出的Yx和Yy值；
从复双折射参量的模和幅角中提取出所需的双折射相位延迟参量和光轴取向参量，完成双折射参数提取。
6.如权利要求5所述的双折射参数提取方法，其特征是：复双折射参量的模等于待测样品的双折射相位延迟参量δ的二分之一，复双折射参量的幅角则正好等于双折射光轴取向参量θ的二倍。
7.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求5-6中任一项所述的双折射参数提取方法。
8.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求5-6中任一项所述的双折射参数提取方法。
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