CN111220553A - 基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法及系统 - Google Patents

基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯‑汉森效应的微分相衬方法及系统。本发明以相干光或部分相干光为载体，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯‑汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布。略微改变出射偏振态的选择即可在微分场中加入正或负的直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象。分别获取两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，可以准确获得入射的相位场。本发明提供了一种定量检测标本图像光学厚度分布的方法，在医学领域例如侦测未染色细胞的结构及运动方面有着重要应用。

Description

基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法 及系统
技术领域
本发明涉及光学信息处理领域，具体是一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法及系统。
背景技术
相位在光束中有着非常重要的意义，在解释光学衍射、干涉的现象中发挥着重要的作用。光的相位不能被直接测量，大多数仪器测到的是光的强度。在医学领域，微分相衬显微镜广泛用于对未染色细胞的结构和运动的探测，它不仅能观察无色透明的物体，而且图像呈现出浮雕状的立体感，具有相衬镜检术所不能达到的某些优点，观察效果更为逼真。
近年来，由于各个领域对光学器材的要求逐步提升，对微分相衬显微镜的研究也越来越广泛，但现有的微分相衬显微镜设计较为复杂，或利用高成本的仪器设备，或在操作上需要极其繁琐的步骤，因此，提出一种低成本易普及的相衬显微镜不论是在科学研究还是市场应用上都具有十分重大的价值和意义。
传统微分相衬显微镜(DIC)由Nomarski在相差显微镜原理的基础上发明，对比相差显微镜，优点是能显示结构的三维立体投影影像。与相差显微镜相比，其标本可略厚一点，折射率差别更大，故影像的立体感更强。DIC利用的是偏振光，DIC棱镜将一束光分解成偏振方向不同的两束光，二者成一小夹角，在穿过标本相邻的区域后，由于标本的厚度和折射率不同，引起了两束光发生了光程差。再利用DIC滑行器把两束光波合并成一束，利用偏振装置，从而使二者发生干涉。当两束光光程差值为0时，穿过的光达到最大值；光程差值等于波长一半时，没有光穿过检偏器。于是在灰色的背景上，标本结构呈现出亮暗差。通过调节DIC滑行器的纵行微调来改变光程差，光程差可改变影像的亮度。调节DIC滑行器可使标本的细微结构呈现出正或负的投影形象。但DIC具有成本高、结构复杂、不能观测双折射样品以及观测到的相位场不真实等问题，在一些应用上具有很大的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬以及相位恢复的方法及系统，器件为两种不同介质的平行界面。本发明利用光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，以相干光或部分相干光为载体，当线偏振光束斜入射至不同介质间的平面界面上时，由于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，同时测量在界面上满足平面波消光条件偏振状态的透射或反射光场，即一束线偏振平面光束先后经过两块偏振片后，光束被完全消去。在菲涅尔系数及其关于入射角的导数以及入射线偏振相关的一个空间方向上，传递函数为线性并经过零点，意味着出射光场是入射光场关于该方向的空间微分。由于光束分析仪得到的是光场的强度分布，因此丢失了实际光场微分的正负号。此时需要加入偏置，只需要稍微改变出射偏振控制模块的方向(此处偏置方向以传递函数的常数是正数的方向为例)，在改变十分微小的情况下，可忽略由于古斯-汉森角位移所带来的微小形变，即近似为在微分光场分布与微小强度的原光场分布的叠加，在光束分析仪上体现的是与原光场同符号的强度增大，与原光场符号相反的部分强度减小，通过对偏置条件下有无样品强度分布求差，由差值的正负得到每个点上的微分符号，结合微分光场的强度分布以及与入射光场的真实微分的缩放倍数即可得到真实微分光场的分布，通过傅里叶算法运算即可实现对原相位分布的定量重构。本发明提出的微分相衬以及相位恢复的系统由相位信息加载系统、方向微分相衬系统和图像接收系统构成，体现在实际设备上仅由部分相干光源，透镜组，介质平板，偏振控制模块以及光束分析仪等基础光学设备构成，其中介质平板例如玻璃与空气形成的界面即可使用，相比于传统DIC技术大大降低了设备成本，同时设备上光路的构造过程仅由基础成像系统的搭建以及设置界面反射或透射的入射角构成，相比于传统DIC技术所要求的高精度分束合束极大的化简了难度；且器件测量到的是准确相位场，能轻易实现传统DIC的偏置条件，可用于观测双折射样品。
本发明解决问题所采用的技术方案具体如下：
本发明提出的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，用于定量探测标本图像的相位特征，该方法以相干光或部分相干光为载体，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射光场偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布；改变出射光场偏振态的选择即可在微分场中加入正或负的直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象；通过获取至少两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，从而定量获得入射的相位场。
进一步地，光束相干长度应大于波长量级以保证界面上的相干性。
进一步地，在消光条件下，由入射偏振控制器件、不同介质间平面界面、以及出射偏振控制器件构成的器件满足平面波消光条件，即一束平面波经过上述器件后，光束被完全消去，此时器件的传递函数的常数项为零。
进一步地，在消光条件下，器件的出射光场的强度分布与入射光场的空间微分分布的模的平方成正比，器件的传递函数为H＝-(C1kx+C2ky)，其中
Figure BDA0002257561560000031
C2＝δ(rp+rs)sin(γ1-γ2)/2，γ1与γ2分别代表入射光场与出射光场的偏振方向，rs与rp分别为s偏振光与p偏振光在入射角θ的菲涅尔系数，δ为自旋霍尔效应造成的横向位移，kx与ky分别为光束波矢在x方向和y方向的分量。
进一步地，在改变出射光场偏振态的选择从而在微分场中加入正或负的直流偏置时，当偏振态改变十分微小的情况下，可忽略由于古斯-汉森角位移所带来的微小形变。
进一步地，利用消光条件下拍摄到的强度分布与加入偏置时拍摄到的强度分布相减，可以得到入射光场微分分布的正负号，即可获得准确的入射光场的空间微分；利用傅里叶微分重构算法对至少两个方向的准确的入射光场的空间微分进行处理，即可恢复入射的相位场。
进一步地，经过标本图像的光束为单一偏振光束，因此可用于观测双折射样品；根据获得的入射相位场，可以定量检测标本图像的光学厚度分布。
进一步地，该方法的时间带宽不受限制，因此可以用于X射线以及电子束等相干光束或部分相干光束的相位成像。
本发明还提出一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬系统，包括依次连接的相位信息加载系统、方向微分相衬系统和图像接收系统；所述相位信息加载系统以相干光或部分相干光为载体加载标本图像的相位信息，并将其输入方向微分相衬系统进行处理；所述方向微分相衬系统，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射光场偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布；改变出射光场偏振态的选择即可在微分场中加入正或负直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象；所述图像接收系统用于分别获取两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，从而定量获得入射的相位场。
进一步地，所述相位信息加载系统能够产生经过透明物质的相位场，可用于探测透明物质的相位信息。
本发明有益效果如下：本发明所设计的微分相衬以及相位恢复的方法及系统仅由部分相干光源，透镜组，介质平板，偏振控制模块以及光束分析仪等基础光学设备实现，其中介质平板例如玻璃与空气形成的界面即可使用，相比于传统DIC技术大大降低了设备成本，同时设备上光路的构造过程仅由基础成像系统的搭建以及设置界面反射或透射的入射角构成，相比于传统DIC技术所要求的高精度光束分束合束极大的化简了难度；且器件测量到的是准确相位场，能轻易实现传统DIC的偏置条件，同时能测量经过双折射晶体的相位。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2中a为实施例的装置结构图，b为实施例方向微分相衬系统以及偏振片方向的定义；
图3中a为实施例输入空间光调制器的灰度图，b为实施例入射相位分布不经过方向微分相衬系统在光束分析仪上的像；
图4中a为实施例消光条件、偏置条件下偏振片2与偏振片3的对应关系；b为实施例消光条件偏振片2方向对应微分方向的缩放倍数；c为实施例消光条件对应的四个微分方向的传递函数，上方为实验图，下方为理论图；
图5中a为实施例在偏置条件下拍到的强度分布；b为实施例入射相位场沿x轴、y轴真实微分光场的分布，上方为实验图，下方为理论图；c为实施例重构后的入射场相位分布图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，用于定量探测标本图像的相位特征，该方法以相干光或部分相干光为载体，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射光场偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布；改变出射光场偏振态的选择即可在微分场中加入正或负的直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象；通过获取至少两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，从而定量获得入射的相位场。其中，光束相干长度应大于波长量级以保证界面上的相干性。
在消光条件下，由入射偏振控制器件、不同介质间平面界面、以及出射偏振控制器件构成的器件满足平面波消光条件，即一束平面波经过上述器件后，光束被完全消去，此时器件的传递函数的常数项为零。在消光条件下，器件的出射光场的强度分布与入射光场的空间微分分布的模的平方成正比，器件的传递函数为H＝-(C1kx+C2ky)，其中
Figure BDA0002257561560000051
C2＝δ(rp+rs)sin(γ1-γ2)/2，γ1与γ2分别代表入射光场与出射光场的偏振方向，rs与rp分别为s偏振光与p偏振光在入射角θ的菲涅尔系数，δ为自旋霍尔效应造成的横向位移，kx与ky分别为光束波矢在x方向和y方向的分量。
在改变出射光场偏振态的选择从而在微分场中加入正或负的直流偏置时，当偏振态改变十分微小的情况下，可忽略由于古斯-汉森角位移所带来的微小形变。
利用消光条件下拍摄到的强度分布与加入偏置时拍摄到的强度分布相减，可以得到入射光场微分分布的正负号，即可获得准确的入射光场的空间微分；利用傅里叶微分重构算法对至少两个方向的准确的入射光场的空间微分进行处理，即可恢复入射的相位场。
经过标本图像的光束为单一偏振光束，因此可用于观测双折射样品；根据获得的入射相位场，可以定量检测标本图像的光学厚度分布。
如图1所示，本实施例的基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬以及相位恢复的系统，包括：相位信息加载系统，方向微分相衬系统和图像接收系统。其中，相位信息加载系统的输出与方向微分相衬系统的输入相连，方向微分相衬系统的输出与图像接收系统的输入相连。
所述相位信息加载系统，包括部分相干光源、空间光调制器、成像系统。由于该方法的时间带宽不受限制，因此可以用于X射线以及电子束等相干光束或部分相干光束的相位成像，本实施例以可见光为例。可调激光器输出单色连续激光，并通过透镜1汇聚在旋转的毛玻璃上，控制毛玻璃到透镜1后焦面的距离来调节经过毛玻璃后光束的相干长度，经过透镜2使光束准直。利用偏振片1使起偏为线偏振光，其输出端与空间光调制器相连，将空间光调制器控制端所载入的图像信息加载到激光中，产生相位型光场图像。为定量地评估该相衬显微镜的效果，此处空间光调制器的作用为产生已知的相位分布。
所述方向微分相衬系统为利用光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应并通过控制输入光场与透射或反射光场偏振态来实现微分以及加偏置的结构，包括不同介质间的平板界面和偏振控制模块。当线偏振光束斜入射至不同介质间的平面界面上时，由于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的耦合，同时测量在界面上满足平面波消光条件偏振状态的反射光场，在菲涅尔系数以及入射线偏振相关的一个空间方向上，传递函数为线性并经过零点，意味着出射光场是入射光场关于该方向的空间微分。此时加入偏置，略微改变出射偏振态的选择即可在微分场中加入正或负直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象。
所述图像接收系统包括成像系统、光束分析仪以及算法重构模块。微分相衬系统的输出与成像系统相连，经方向微分相衬系统处理后的图像通过成像系统输入至光束分析仪中接收检测。算法重构模块通过对偏置条件下有无样品强度分布求差，由差值的正负结合微分光场的强度分布以及与入射光场的真实微分的缩放倍数即可得到真实微分光场的分布，再利用傅里叶微分重构算法即可实现对入射相位场的重构。
如图2中a所示，为实施例使用空气-玻璃平板结构的微分相衬以及相位恢复的系统观察入射的相位场的装置结构图示。可调激光器输出波长为532nm的单色连续激光，通过准直器输出光束束腰半径约为3.6mm，利用透镜1、旋转散射玻璃与透镜2形成部分相干光的光束半径约为25.4mm，目的是为了形成一个均匀强度分布的部分相干光束，不会干扰到相位场的微分结果。偏振片1用来调控光光场的偏振状态，使其线偏振方向与空间光调制器的液晶面板长轴同向，以符合空间光调制器对入射光偏振态的可调制要求。光场经起偏后，输入至空间光调制器，使空间光调制器控制端所输入的模拟透明细胞的相位信息加载至激光中，并通过由焦距分别为500mm和60mm的双胶合消色差透镜3、4所组成的成像系统，将图像信息完整地输入至方向微分相衬系统。如图2中b所示，方向微分相衬系统由偏振控制模块与不同介质的界面构成。其中偏振片2、偏振片3组成的偏振控制模块用以调控光场的偏振态，光束以45°斜入射至具体为空气-玻璃的平板结构的界面，玻璃器件大小约25mm*25mm，玻璃在532nm波长处的折射率为1.516。且偏振片方向以及微分方向坐标的建立如图所示。首先，选择偏振片2沿y轴方向，并选取对应的反射后经过的偏振片3为x轴方向以满足消光条件。此时在光束反射过程中，介质-介质结构微分器的输出光光场为关于y轴正方向的微分并与成像系统相连，经微分器件处理后的光场图像通过由焦距分别为100mm和200mm的双胶合消色差透镜5、6所组成的成像系统输入至光束分析仪中接收、记录。此时将偏振片3顺时针旋转一个小角度，记录偏置条件下光束分析仪的强度分布。将空间光调制器打入黑屏(模拟无样品情况)，记录强度分布。将偏振片2的方向变为γ1＝60.86°，偏振片3方向为γ2＝60.87°，同上述步骤可获得入射相位场沿x轴真实微分光场的分布。通过傅里叶算法即可完成对入射相位场的重构。
如图3中a所示，为实施例输入空间光调制器的灰度图，从黑到128灰度对应产生的入射相位为0到π。如图3中b所示为实施例入射相位分布不经过方向微分相衬系统，直接由相位信息加载系统输入至图像接收系统所得到的在光束分析仪上的像，可以发现图片对比度极低，几乎看不出原有的相位分布在强度分布的体现。
如图4中a所示，为实施例消光条件、偏置条件下偏振片2与偏振片3的对应关系与平面波出射强度的三维图，其中黑线上的每一个点代表不同
Figure BDA0002257561560000081
在消光条件下对应的
Figure BDA0002257561560000082
实验上取a，b，c，d点测量微分传递函数，取d，e，f，g点测量偏置分布；如图4中b所示，为实施例消光条件偏振片2方向对应微分方向的缩放倍数，用于计算入射相位场的真实微分分布；如图4中c所示，为实施例消光条件对应的a，b，c，d点四个微分方向的传递函数的实验图与理论图，二者极为相似，说明测得的场分布为入射场的微分分布，满足微分相衬的基本原理。
如图5中a所示，为方向微分相衬系统在偏置条件下拍到的强度分布，可以看到在不同方向的微分情况下加偏置，体现的是不同阴影方向下的三维立体效果，被观测透明相位物体像浮雕一般清晰可见；如图5中b所示，通过对偏置条件下有无样品强度分布求差，由差值的正负得到每个点上的微分符号，结合微分光场的强度分布以及与入射光场的真实微分的缩放倍数即可得到入射相位场沿x轴、y轴真实微分光场的分布，上方为实验处理后的图像，下方为理论图，二者十分相似；如图5中c所示，为经由图5中b通过傅里叶算法重构后的入射场相位分布图，可以看到与图3中a实际输入的相位分布近似，说明了方向微分相衬方法与系统的准确性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，用于定量探测标本图像的相位特征，该方法以相干光或部分相干光为载体，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射光场偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布。改变出射光场偏振态的选择即可在微分场中加入正或负的直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象。通过获取至少两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，从而定量获得入射的相位场。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，光束相干长度应大于波长量级以保证界面上的相干性。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，在消光条件下，由入射偏振控制器件、不同介质间平面界面、以及出射偏振控制器件构成的器件满足平面波消光条件，即一束平面波经过上述器件后，光束被完全消去，此时器件的传递函数的常数项为零。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，在消光条件下，器件的出射光场的强度分布与入射光场的空间微分分布的模的平方成正比，器件的传递函数为H＝-(C1kx+C2ky)，其中
Figure FDA0002257561550000011
C2＝δ(rp+rs)sin(γ1-γ2)/2，γ1与γ2分别代表入射光场与出射光场的偏振方向，rs与rp分别为s偏振光与p偏振光在入射角θ的菲涅尔系数，δ为自旋霍尔效应造成的横向位移，kx与ky分别为光束波矢在x方向和y方向的分量。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，在改变出射光场偏振态的选择从而在微分场中加入正或负的直流偏置时，当偏振态改变十分微小的情况下，可忽略由于古斯-汉森角位移所带来的微小形变。
6.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，利用消光条件下拍摄到的强度分布与加入偏置时拍摄到的强度分布相减，可以得到入射光场微分分布的正负号，即可获得准确的入射光场的空间微分；利用傅里叶微分重构算法对至少两个方向的准确的入射光场的空间微分进行处理，即可恢复入射的相位场。
7.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，经过标本图像的光束为单一偏振光束，因此可用于观测双折射样品；根据获得的入射相位场，可以定量检测标本图像的光学厚度分布。
8.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬方法，其特征在于，该方法的时间带宽不受限制，因此可以用于X射线以及电子束等相干光束或部分相干光束的相位成像。
9.一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬系统，其特征在于，包括依次连接的相位信息加载系统、方向微分相衬系统和图像接收系统；所述相位信息加载系统以相干光或部分相干光为载体加载标本图像的相位信息，并将其输入方向微分相衬系统进行处理；所述方向微分相衬系统，利用不同介质间平面界面上的光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应，通过对入射光场偏振态以及在消光条件下对应的出射光场偏振态的选择，可获得沿不同方向的微分场的强度分布；改变出射光场偏振态的选择即可在微分场中加入正或负直流偏置，此时标本图像的结构呈现出正或负的立体浮雕形象；所述图像接收系统用于分别获取两个不同方向的微分以及偏置强度分布并进行算法重构，从而定量获得入射的相位场。
10.根据权利要求9所述的一种基于光学自旋霍尔效应以及古斯-汉森效应的微分相衬系统，其特征在于，所述相位信息加载系统能够产生经过透明物质的相位场，可用于探测透明物质的相位信息。
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