CN110907403B - 单次直接定量相位成像的实现装置 - Google Patents

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Abstract

一种定量相位成像的实现装置，该装置包括偏振演化模块、偏振测量模块，其中偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合；偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场。本发明提出的定量相位成像的实现装置使用非标记标本的成像方法，克服了激发光对生物细胞的毒性问题，可用于观察活体细胞的演化，同时本装置可使用低相干光源，可以有效抑制激光散斑。

Description

单次直接定量相位成像的实现装置
技术领域
本发明涉及成像技术、干涉成像、相位成像技术领域，尤其涉及一种单次直接定量相位成像的实现装置。
背景技术
定量相位成像(Quantitative Phase Imaging)是一种可以恢复出由透明物体或者弱散射物体散射出的光波前复振幅的方法，目前是干涉成像、光学成像中快速发展的方向。
光场通过非均匀介质会与介质发生相互作用，调制光的波前和振幅，这个过程被称为光的散射。一般只考虑弹性散射，即经过散射之后光的波长不变。由于散射光的振幅和相位中携带有散射物体的内部结构信息，因此可以通过测量散射场来恢复出物体的结构，这个过程称为逆散射问题的解。这是对透明的生物组织或者细胞层析成像的基础。由于细胞内组织有许多高度动态的结构，很难用标记的方法进行研究，所以长期以来对未标记的三维活体样本的层析成像的需求催生了新的相位成像技术。
定量相位成像是用来解决相位测量问题的方法，利用全息方法中测量散射场和参考场的干涉来记录相位信息，改变参考场的相位来最终定量的得到相位信息。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提出一种单次直接定量相位成像的实现装置实现对相位型物体进行定量的相位成像。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种定量相位成像的实现装置，该装置包括偏振演化模块、偏振测量模块，其中
偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合；
偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场。
上述方案中，偏振演化模块包括第一傅里叶透镜7、第二傅里叶透镜9和空间光调制器8。第一傅里叶透镜7、第二傅里叶透镜9组成一个线性光学信息处理系统，空间光调制器8位于第一傅里叶透镜7和第二傅里叶透镜9的共焦面上，沿光路方向，器件顺序为第一傅里叶透镜7、空间光调制器8和第二傅里叶透镜9。
其中，第一傅里叶透镜7用于将光束从x，y空间分布变换到动量空间；
空间光调制器8用于将动量空间中p＝0分量的光偏振旋转任意角度；
第二傅里叶透镜9用于将光束从动量空间变换到x，y空间。
上述方案中，偏振测量模块包括半波片11、四分之一波片10、偏振分束器12和感光器件13，沿光路方向，器件顺序为四分之一波片10、半波片11、偏振分束器12和感光器件13。
其中，半波片11和四分之一波片10用于得到光束在六组测量基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直下的强度图像；
偏振分束器12用于改变光束的相位实现零动量分量的偏振旋转；
感光器件13用于获取图像。
其中，感光器件13为CMOS相机。
上述方案中，定量相位成像的实现装置还包括照明光的制备模块，该照明光的制备模块具有一个光路出口，该光路出口与偏振演化模块的光路入口相连接，用于照明待测物体。
其中，照明光的制备模块包括激光光源1、线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5，沿光路方向，器件顺序为激光光源1、线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5。
其中，激光光源1用于产生入射光线；
线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4用于对入射光线进行扩束；
反射镜5用于对扩束后的光线进行反射。
(三)有益效果
1、本发明提出的定量相位成像实现装置使用非标记标本的成像方法，所以不会产生由于荧光成像引起的光吸收使分子结构的光漂白，克服了激发光对生物细胞的毒性问题，使本发明可用于观察活体细胞的演化。
2、本发明提出的定量相位成像实现装置本发明拥有共光路设计优点，因此成像具有时间相干稳定性。
3、本发明提出的定量相位成像实现装置中光源可使用低相干光源，可以有效抑制激光散斑。
4、本发明提出的定量相位成像实现装置本发明可以进行实时测量，监测目标物体的动态变化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的定量相位成像装置的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的定量相位成像装置的实物模型演示图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的定量相位成像装置的原理示意图，该装置包括：照明光的制备模块、偏振演化模块和偏振测量模块。
其中，照明光的制备模块，具有一个光路出口，该光路出口与偏振演化模块的光路入口相连接，用于实现照明待测物体，包括：激光光源1、线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5。根据光路方向，器件顺序依次为激光光源1、线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5。激光光源1用于产生入射光线，线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4用于对入射光线进行扩束，反射镜5用于对扩束后的光线进行反射。
偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体6信息的光场和偏振进行耦合，包括第一傅里叶透镜7、第二傅里叶透镜9、空间光调制器8或者液晶相位片等像素可控的偏振器件，第一傅里叶透镜7、第二傅里叶透镜9组成一个线性光学信息处理系统，空间光调制器8位于第一傅里叶透镜7、第二傅里叶透镜9的共焦面上，根据光路方向，器件顺序依次为第一傅里叶透镜7、空间光调制器8和第二傅里叶透镜9。
偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场，包括一个半波片11，四分之一波片10，偏振分束器12和感光器件13，其中感光器件13可以是CCD或CMOS等相机。根据光路方向，器件顺序四分之一波片10、半波片11、偏振分束器12。成像光路首先经过偏振演化模块然后进入偏振测量模块。
如图2所示，激光通过线性偏振片2、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4，制备成为水平偏振的平面波，通过观测目标散射之后，由第一傅里叶透镜7将光束x，y空间分布变换到动量空间的分布。在第一傅里叶透镜7的后焦面上，空间光调制器8将动量p＝0部分的光偏振旋转角度θ。具体实现方法是让打在空间光调制器8上光束中心位置的几个像素加载适当的灰度图，改变光束的相位来实现零动量分量的偏振旋转。光束经过空间光调制器8之后，通过第二傅里叶透镜9变换到x，y空间，进入偏振测量模块，通过适当改变半波片11和四分之一波片10的角度，实现基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直测量基的测量，提取在感光器件13上得到的图像结果，可以计算得出波函数的实部和虚部，根据θ(x，y)＝arctan(Reψ/Imψ)计算得出观测物体的相位分布图，其中，二维空间波函数可以写成ψ(x，y)＝A(x，y)eiθ(x，y)＝Reψ+iImψ，其中A(x，y)是复振幅，θ(x，y)便是想要求出的相位分布。
下面对上述定量相位成像装置的原理进行详细说明：
假定照明光束延z轴传播，考虑光束在x-y平面上的分布为系统态|ψ>s＝∫ψ(x，y)|x，y>dxdy，其中ψ(x，y)为待测光场波函数，指针态为光子的偏振，这里偏振初态为
Figure BDA0002277096500000041
|V>分别表示水平偏振和竖直偏振。系统态和指针态耦合之后进行幺正演化，复合态写为：
|Ψ>SP＝U(θ)|ψ>|si>
其中
Figure BDA0002277096500000051
|si>为指针态初态，θ为耦合强度，
Figure BDA0002277096500000052
为{|0>，|1>}基下的泡利矩阵，U(θ)表示对偏振指针和二维空间波函数耦合的复合态进行演化操作。接下来对位置进行测量：
<x|ψ>|sf>＝<x|U(θ)|ψ>|si>
Figure BDA0002277096500000053
<x|ψ>为待测函数，指针态末态为：
Figure BDA0002277096500000054
Figure BDA0002277096500000055
是弱值，对末态做偏振测量，|sf>表示对上述复合态|Ψ>SP进行位置空间的后选择并归一化得到的末态。
Figure BDA0002277096500000056
可以通过适当的初始指针态选取(如|si>＝|H>，|H>表示水平偏振)使得<si|σ1|si>＝0，<si|σ2|si>＝0，所以进行σ1，σ2，σ3测量之后
Figure BDA0002277096500000057
Figure BDA0002277096500000058
Figure BDA0002277096500000059
代入
Figure BDA00022770965000000510
得到待测函数
Figure BDA00022770965000000511
可以看到，待测函数的实部是反比于σ1，σ3测量值，虚部是反比于σ2测量值。
综上所述，本发明定量相位成像装置，实现了使用非标记标本的成像方法，不会产生由于荧光成像引起的光吸收使分子结构的光漂白，克服了激发光对生物细胞的毒性问题，使本发明可用于观察活体细胞的演化。本发明拥有共光路设计优点，因此成像具有时间相干稳定性，并且激光光源1可使用低相干光源，可以有效抑制激光散斑，进行清晰的实时测量，监测目标物体的动态变化。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种定量相位成像的实现装置，其特征在于，该装置包括偏振演化模块、偏振测量模块，其中
偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合；
偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场；
所述偏振演化模块包括：
第一傅里叶透镜(7)、第二傅里叶透镜(9)和空间光调制器(8)，其中，第一傅里叶透镜(7)、第二傅里叶透镜(9)组成一个线性光学信息处理系统，空间光调制器(8)位于第一傅里叶透镜(7)和第二傅里叶透镜(9)的共焦面上，沿光路方向，器件顺序为第一傅里叶透镜(7)、空间光调制器(8)和第二傅里叶透镜(9)；
所述偏振测量模块包括：
半波片(11)、四分之一波片(10)、偏振分束器(12)和感光器件(13)，沿光路方向，器件顺序为四分之一波片(10)、半波片(11)、偏振分束器(12)和感光器件(13)；
其中，水平偏振的平面波，通过待测物体散射之后，由第一傅里叶透镜（7）将光束从x，y空间分布变换到动量空间的分布；在第一傅里叶透镜（7）的后焦面上，空间光调制器（8）将动量p=0分量的光偏振旋转任意角度，其中，让打在空间光调制器（8）上光束中心位置的像素加载灰度图，改变光束的相位来实现零动量分量的偏振旋转，光束经过空间光调制器（8）之后，通过第二傅里叶透镜（9）从动量空间变换到x，y空间，进入偏振测量模块，通过改变半波片（11）和四分之一波片（10）的角度，实现基对角、反对角、左旋、右旋、水平、坚直测量基的测量，提取在感光器件（13）上得到的图像结果。
2.根据权利 要求1所述的定量相位成像的实现装置，其特征在于，
所述半波片(11)和所述四分之一波片(10)用于得到光束在六组测量基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直下的强度图像；
所述偏振分束器(12)用于改变光束的相位实现零动量分量的偏振旋转；
所述感光器件(13)用于获取图像。
3.根据权利 要求2所述的定量相位成像的实现装置，其特征在于，所述感光器件(13)为CMOS相机。
4.根据权利 要求1所述的定量相位成像的实现装置，其特征在于，所述装置还包括照明光的制备模块，该照明光的制备模块具有一个光路出口，该光路出口与偏振演化模块的光路入口相连接，用于照明待测物体。
5.根据权利 要求4所述的定量相位成像的实现装置，其特征在于，所述照明光的制备模块包括激光光源(1)、线性偏振片(2)、第一扩束透镜(3)、第二扩束透镜(4)和反射镜(5)，沿光路方向，器件顺序为激光光源(1)、线性偏振片(2)、第一扩束透镜(3)、第二扩束透镜(4)和反射镜(5)。
6.根据权利 要求5所述的定量相位成像的实现装置，其特征在于，
所述激光光源(1)用于产生入射光线；
线性偏振片(2)、第一扩束透镜(3)、第二扩束透镜(4)用于对入射光线进行扩束；
反射镜(5)用于对扩束后的光线进行反射。
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