CN110514111A - 一种外接式相位定量检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式数字全息显微成像装置与方法，沿光路方向依次包括一维衍射光栅、第一半透半反镜、第一成像透镜、第一反射镜、第二成像透镜、第二反射镜、相机和计算机。本发明将光栅衍射技术和数字全息技术相结合，能够获得全视场内对比度更好的干涉条纹图，能够实现全视场内物体的相位定量测量。本发明可以直接作为光学显微镜的外接设备使用，用于微透镜阵列、生物细胞等微纳结构物体的相位测量，因此具有很强的应用价值和市场前景。
Description
技术领域
本发明属于数字全息显微成像领域，特别涉及一种外接式相位定量检测装置与方法。
背景技术
能够对微小型生物组织实现快速、三维、相位定量成像是生物医学界追求的目标，也是光学测量领域学者所追求的目标。数字全息显微术是将数字全息技术和显微技术相结合的定量显微相位成像技术，最少采用一幅离轴全息图即可精确地获取样品的相位信息和振幅信息，时间分辨率高。数字全息显微成像技术的优势体现在：(1)能够实现对细胞无接触、全场同时成像、无须对细胞进行任何标记，比如荧光染色，纳米颗粒或是辐射，不会对被观测细胞造成任何损伤或是外在影响等优点；(2)能够以纳米量级的高精度实现对相位(透明)细胞动态定量测量，且对环境要求相对较低；(3)能够同时得到细胞的光强(2D)信息和相位(3D)信息。
常用的数字全息显微成像技术通常采用高相干光源(如激光)进行照明，不可避免会产生无法消除的激光散斑和寄生条纹，影响检测分辨率的进一步提高。为了避免散斑噪音的影响，研究人员通常会采用基于低相干光源(例如LED)照明的数字全息显微系统。需要注意的是，由于部分相干光源的相干长度非常短，以LED光源为例，其相干长度通常在二十个微米左右，当使用传统离轴干涉方法进行记录时，由于参考光和物光发生干涉时的区域非常有限，不能得到全视场高对比度的干涉条纹，从而影响全视场的显微测量，同时整个光路调整过程非常繁琐和困难。美国Gabriel Popescu等人提出的衍射相位显微术(Diffraction phase microscopy for quantifying cell structure and dynamics,Optics Letter.2006,31:775-777)融合了离轴光路和共光路的优点，系统稳定性和时间分辨率较好，但由于系统中依旧采用激光作为光源，相位重构结果仍然存在散斑，影响了空间分辨能力。此后，Zhuo Wang等人提出的空间光干涉显微技术(Spatial lightinterference microscopy(SLIM),Optics Express,2011,19(2):1016-1026)通过采用白光作为光源，有效克服了散斑效应，但是该技术需要采集四副具有不同相位差的Gabor全息图才能定量恢复出物体的相位信息，实时性相对较差。
发明内容
本发明提出了一种外接式相位定量检测装置与方法，可以用来对微小物体三维形貌进行定量检测，本发明解决了现有空间光干涉显微技术不适合高动态测量的局限性，同时克服了传统相干光照明或部分相干光照明数字全息成像系统存在相干噪音高和光路调整困难等技术问题。
本发明的技术解决方案为：
一种外接式相位定量检测装置10，其特征在于：
沿光路方向依次包括一维衍射光栅1、第一半透半反镜2、第一成像透镜3、第一反射镜4、第二成像透镜5、第二反射镜6、相机7和计算机11。
所述一维衍射光栅1设置在第一成像透镜3和第二成像透镜5的前焦平面上；
所述第一成像透镜3和第二成像透镜5的焦距相同；
所述的相机7设置在第一成像透镜3和第二成像透镜5的焦平面上；
一种外接式相位定量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，通过调整外接式相位定量检测装置10，使一维衍射光栅1与外部成像系统的像平面IP重合；此时，光束经过一维衍射光栅1后发生多级衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光经被第一半透半反镜2分成两部分，分别为第一透射光束和第一反射光束；
步骤二，第一反射光束经过第二成像透镜5汇聚后，其中0级衍射光被全部散射掉，只有+1级衍射光被第二反射镜6完全反射后，按原路返回，再次经过第二成像透镜5，经第一半透半反镜2透射后，进入相机7；由于+1级衍射光携带有被测物体的相位信息，被称为物光波；
第一透射光束经过第一成像透镜3汇聚后，其中+1级衍射光被全部散射掉，只有0级衍射光被第一反射镜4完全反射后，按原路返回，再次经过第一成像透镜3，经第一半透半反镜2反射后，进入相机7；由于0级衍射光没有携带被测物体的相位信息，被称为参考光波；
步骤三，步骤二中所述的物光波和参考光波在相机7靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由相机7采集，保存到计算机11中；
步骤四，在计算机11中，采用数值重构算法对相机7采集到的离轴全息图进行相位重构，即可得到被测物体的相位信息。
本发明具有的有益效果：
本发明将光栅衍射技术和数字全息技术相结合，能够获得全视场内对比度更好的干涉条纹图，能够实现全视场内物体的相位定量测量；本发明的装置作为外接设备，可以非常灵活地与其他成像设备联合使用，尤其是与传统光学显微镜结合使用，用于微透镜阵列、生物细胞等微纳结构物体的相位测量，因此具有很强的应用价值和市场前景。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明装置与第一外部成像系统结合检测透射式物体的示意图；
图3是本发明装置与第二外部成像系统结合检测反射式物体的示意图；
其中附图标记如下：1-一维衍射光栅，2-第一半透半反镜，3-第一成像透镜，4-第一反射镜，5-第二成像透镜，6-第二反射镜，7-相机，10-外接式相位定量检测装置，11-计算机，14-光源，15-第三成像透镜，16-透射式物体，17-显微物镜，18-第三反射镜，19-第四成像透镜，20-反射式物体，24-第五成像透镜，25-第二半透半反镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的外接式相位定量检测装置10，其特征在于：沿光路方向依次包括一维衍射光栅1、第一半透半反镜2、第一成像透镜3、第一反射镜4、第二成像透镜5、第二反射镜6、相机7和计算机11。
所述一维衍射光栅1，可以为振幅光栅也可以是相位光栅，光栅常数Λ满足Λ≤λMo/3NAo，其中λ为照明光源的中心波长，Mo和NAo分别为显微物镜17的放大倍数和数值孔径。
所述第一成像透镜3、第二成像透镜5，要求为消色差透镜。
所述第一反射镜4和第二反射镜6具有不同的反射效率。
所述第一半透半反镜2可以是立方体分光棱镜，也可以是平面半透半反镜。
所述相机7可以是黑白相机，也可以是为彩色相机，具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量，应满足下式要求
上式中a为成相机7的像素尺寸大小。
本发明的外接式相位定量检测方法，其特征在于：光束进入外接式相位定量检测装置10中后，首先通过一维衍射光栅1发生多级衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光经被第一半透半反镜2分成两部分，分别为第一透射光束和第一反射光束；上述的第一反射光束经过第二成像透镜5汇聚后，其中0级衍射光被全部散射掉，只有+1级衍射光被第二反射镜6完全反射后，按原路返回，再次通过第二成像透镜5后，透过第一半透半反镜2进入相机7；由于+1级衍射光携带有被测物体的相位信息，被称为物光波；上述的第一透射光束经过第一成像透镜3汇聚后，其中+1级衍射光被全部散射掉，只有0级衍射光被第一反射镜4完全反射后，按原路返回，再次经过第一成像透镜3，经第一半透半反镜2反射后进入相机7；由于0级衍射光没有携带被测物体的相位信息，被称为参考光波；上述的物光波和参考光波在相机7靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由相机7采集，保存到计算机11中；最后采用数值重构算法对相机7采集到的离轴全息图进行相位重构，即可得到被测物体的相位信息。具体数值重构方法如下：
假设相机7记录的离轴全息图光强分布可以表示为
采用数值重构算法如方程(2)所示，即可得到被测物体的物光波复数场U(xH,yH,z)。
上式中，符号F和F-1分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，Filter{·}表示频域滤波器，λ表示波长。最后，根据公式(3)和公式(4)可以分别得到被测物体的光强和相位信息：
I(xH,yH)＝|U(xH,yH)|2 (3)
上式中Im表示虚部操作符,Re表示实部操作符。
结合附图2详细说明本发明所提出的第一个优选实施例用于检测透射式物体16的结构示意图：第一外部成像系统主要包括光源14、第三成像透镜15、透射式物体16、显微物镜17、第三反射镜18和第四成像透镜19。测量时，从光源14发出的光束经由第三成像透镜15准直后照射透射式物体16；随后光束经过显微物镜17、第三反射镜18和第四成像透镜19后，在第一外部成像系统的成像平面IP处可以得到透射式物体16被显微放大后的像；通过调整外接式相位定量检测装置10，使一维衍射光栅1与第一外部成像系统的成像平面IP重合，根据本发明的装置与方法，即可重构出透射式物体16的相位信息。
结合附图3详细说明本发明所提出的第二个优选实施例用于检测反射式物体20的结构示意图：第二外部成像系统主要包括光源14、第五成像透镜24、第二半透半反镜25、显微物镜17、第四成像透镜19和反射式物体20。工作时，从光源14发出的光束先后经过第五成像透镜24、第二半透半反镜25和显微物镜17后垂直照射到反射式物体20表面，光束经反射式物体20反射再次通过显微物镜17后，经第二半透半反镜25和第四成像透镜19后，在第二外部成像系统的成像平面IP处可以得到反射式物体20被显微放大后的像；通过调整外接式相位定量检测装置10，使一维衍射光栅1与第二外部成像系统的成像平面IP重合，根据本发明的装置与方法，即可重构出反射式物体20的相位信息。
Claims (7)
1.一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：沿光路方向依次包括一维衍射光栅(1)、第一半透半反镜(2)、第一成像透镜(3)、第一反射镜(4)、第二成像透镜(5)、第二反射镜(6)、相机(7)和计算机(11)。
2.根据权利要求1所述的一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：所述一维衍射光栅(1)设置在第一成像透镜(3)和第二成像透镜(5)的前焦平面上；所述第一成像透镜(3)和第二成像透镜(5)的焦距相同；所述的相机(7)设置在第一成像透镜(3)和第二成像透镜(5)的焦平面上。
3.根据权利要求1所述的一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：所述第一成像透镜(3)和第二成像透镜(5)均为消色差透镜；且第一成像透镜(3)和第二成像透镜(5)的焦距相同。
4.根据权利要求1所述的一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：所述的所述第一反射镜(4)和第二反射镜(6)具有不同的反射效率。
5.根据权利要求1所述的一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：一维衍射光栅(1)，可以为振幅光栅也可以是相位光栅。
6.根据权利要求1所述的一种外接式相位定量检测装置，其特征在于：所述相机(7)可以是黑白相机，也可以是为彩色相机，具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。
7.一种便携式数字全息显微成像装置的成像方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
步骤一，通过调整外接式相位定量检测装置(10)，使一维衍射光栅(1)与外部成像系统的像平面IP重合；此时，光束经过一维衍射光栅(1)后发生多级衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光经被第一半透半反镜(2)分成两部分，分别为第一透射光束和第一反射光束；
步骤二，第一反射光束经过第二成像透镜(5)汇聚后，其中0级衍射光被全部散射掉，只有+1级衍射光被第二反射镜(6)完全反射后按原路返回，再次经过第二成像透镜(5)，经第一半透半反镜(2)透射后，进入相机(7)；由于+1级衍射光携带有被测物体的相位信息，被称为物光波；
第一透射光束经过第一成像透镜(3)汇聚后，其中+1级衍射光被全部散射掉，只有0级衍射光被第一反射镜(4)完全反射后，按原路返回，再次经过第一成像透镜(3)，经第一半透半反镜(2)反射后，进入相机(7)；由于0级衍射光没有携带被测物体的相位信息，被称为参考光波；
步骤三，步骤二中所述的物光波和参考光波在相机(7)靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由相机(7)采集，保存到计算机(11)中；
步骤四，在计算机(11)中，采用数值重构算法对相机(7)采集到的离轴全息图进行相位重构，即可得到被测物体的相位信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191129 |