CN113376992B - 基于led照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，包括沿光路方向依次设置的部分相干光产生及调控模块、光尺寸控制模块、望远镜系统、物参光分离模块及图像采集模块，其中，部分相干光产生及调控模块用于产生部分相干光并对其偏振特性进行调控；光尺寸控制模块用于缩放偏振光的尺寸并产生均匀的照明光波；望远镜系统用于对样品进行放大成像，形成具有样品信息的光场分布；物参光分离模块用于将具有样品信息的光进行衍射，产生物光和参考光；图像采集模块用于采集由物光和参考光产生的全息图。本发明由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，对环境扰动具有非常好的免疫性；同时，由于采用低相干的LED进行照明，图像质量得到了极大的提升。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像技术领域，具体涉及一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，用于对透明样品进行无标记、高衬度且高分辨率的原位检测。
背景技术
在当前的生物学研究及医疗诊断中，单细胞或生物组织是反映生物体生命状态的主要对象。电子显微镜、原子力显微镜等具有纳米乃至亚纳米级的空间分辨率，可以探测到多种亚细胞器的精细结构，为诸多疾病的诊断和治疗提供了可靠的检测手段和重要的科学依据。由于这些技术对样品制备有着特殊的要求并且在探测过程中对样品有一定的物理或化学损伤，更适合用来探测固定的样品。相比之下，光学显微镜作为非侵入式的成像技术对活体样品的探测更有优势，因此，光学显微镜在生命科学研究领域扮演着重要的角色。光学显微镜的原理和结构相对简单，对样品的制备要求较低，空间分辨率和时间分辨率都能够达到较多应用场合的要求，可以对多尺度的活体样品进行长时间非侵入式的探测，已经成为认识和研究微观世界的重要手段。荧光显微镜通过荧光物质受激发产生的荧光信号实现特定结构的高对比度成像。
近年来，荧光显微镜的空间分辨率实现了从衍射极限到超分辨率的突破，为活细胞内生物动态过程的研究奠定了基础。然而，荧光显微镜在应用上依然存在一些限制。首先，利用荧光标记物标记活细胞内的结构时会对活细胞的状态造成一定的改变，对准确探测生物动态过程有一定的影响；其次，荧光显微镜能同时观察的通道数量也有限；另外，荧光标记物受激发时存在光毒性及光漂白性，很难对活体样品进行长时间的连续观察。定量相位显微镜无需荧光标记便可实现样品的三维层析成像，能够探测到样品的四维信息(空间尺度上的三维结构信息+时间尺度上的动态信息)，在生物医学、光学微加工、粒子场密度测量、表面光洁度检测等领域有着重要的应用价值，然而基于部分相干照明的定量相位显微技术通常需要多张原始图才能恢复出样透明品的相位信息，这在一定程度上限制了其在高速、实时成像方面的发展。
数字全息显微技术将光学干涉和光学显微技术相结合，通过单次曝光即可恢复得到待测样品的振幅和相位信息，具有极高的成像速度。虽然该方法具有很高的测量精度，但是需要额外的参考光，对光源的相干性要求较高并且对环境的抗干扰能力差，很难对活体样品进行长时间地连续观察。为了提高数字全息显微镜的抗干扰能力，Popescu等人提出了一种基于同轴点衍射的物参共路数字全息显微技术。该方法利用一个衍射光栅将物光分成完全相同的两份，其中一份经过透镜傅里叶面上的针孔滤波后变成参考光，另外一份仍被用作物光，利用二者之间的干涉图样即可再现出被测样品的振幅和相位信息。由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，该系统对环境扰动具有非常好的免疫性。需要说明的是，该技术中的参考光是通过对物光波进行滤波产生的，因此参考光的光强与被测样品的散射程度直接相关，无法保证在任意样品下干涉条纹都具有很好的对比度，也就无法保证重建的准确度。另外，传统的数字全息显微技术采用相干性高的激光进行照明，可以得到高对比度的全息图，然而，高相干性导致图像具有严重的散斑噪声，从而降低了测量的灵敏度和准确度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，包括沿光路方向依次设置的偏振光产生模块、光尺寸控制模块、望远镜系统、物参光分离模块和图像采集模块，所述偏振光产生模块与所述光尺寸控制模块之间设置有待测的样品，其中，
所述偏振光产生模块用于发出部分相干LED光并将所述LED光调制为偏振光；
所述光尺寸控制模块用于缩放所述偏振光的尺寸并产生均匀的平面波；
所述望远镜系统用于收集所述样品的散射信号并对其进行放大，获得具有样品信息的光场分布；
所述物参光分离模块用于将来自所述望远镜系统具有样品信息的光进行衍射，产生具有相反偏振方向的物光和参考光；
所述图像采集模块用于采集由所述物光和所述参考光产生的全息图。
在本发明的一个实施例中，所述偏振光产生模块包括LED以及沿所述LED的光路依次设置的窄带滤光片、可旋转线偏振片和1/4波片，其中，
所述窄带滤光片用于对所述LED产生的可见光的带宽进行限制；
所述可旋转线偏振片和所述1/4波片用于将经所述窄带滤光片的可见光调制成椭圆偏振光。
在本发明的一个实施例中，所述LED的直径为5mm，波长范围为470nm±10nm。
在本发明的一个实施例中，所述光尺寸控制模块包括沿光路依次设置的工业镜头、滤波器和第一透镜，其中，所述工业镜头用于对所述椭圆偏振光进行缩放；所述滤波器位于所述第一透镜的前焦面，所述滤波器上包括一针孔，用于对缩放后的椭圆偏振光进行滤波并产生具有一定发散角的球面波；所述第一薄透镜用于将所述球面波调节为均匀的平面波。
在本发明的一个实施例中，所述望远镜系统包括沿光路依次设置的探测物镜和第二透镜，其中，所述样品放置在所述探测物镜的前焦面处。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜与所述样品之间设置有第一平面反射镜，所述探测物镜与所述第二透镜之间设置有第二平面反射镜。
在本发明的一个实施例中，所述物参光分离模块包括沿光路依次设置的偏振衍射光栅、第三透镜、物参光滤波单元、线偏振片和第四透镜，其中，
所述偏振衍射光栅位于所述第三透镜的前焦平面处，用于将来自所述望远镜系统具有样品信息的光向±1级方向衍射，形成+1级衍射光和-1级衍射光；
所述物参光滤波单元位于所述第三透镜的后焦平面处，包括一个大孔和一个针孔，所述大孔用于使+1级衍射光通过以产生含样品信息的物光，所述针孔用于对-1级衍射光进行低通滤波以产生不含样品信息的参考光；
所述线偏振片用于对所述物光和所述参考光进行偏振，以使所述物光和所述参考光具有相同的偏振方向。
在本发明的一个实施例中，所述物参光滤波单元上针孔的直径略小于所述滤波器上针孔在所述物参光滤波单元上所成像的直径。
在本发明的一个实施例中，所述物参光滤波单元上针孔的直径≤1.22λf/D，其中，λ为LED的发光中心波长，f为所述第三透镜的焦距，D为所述偏振衍射光栅前光束的口径。
在本发明的一个实施例中，所述物参光滤波单元上大孔的直径≥所述探测物镜的光瞳口径在所述物参光滤波单元处所成像的直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置不仅具有高的测量精度，还具有以下优点：首先，由于采用部分相干的LED进行照明，图像质量得到了极大的提升，与激光照明相比，部分相干照明可以有效降低相干噪声的不利影响，提高测量精度。本发明的装置在LED照明下的空间相位均方根误差达到0.002弧度，比激光照明时的噪声降低了一个数量级；其次，由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，因此该装置对环境扰动具有非常好的免疫性；另外，该装置利用偏振衍射光栅的偏振分光特性，可以通过改变可旋转线偏振片和1/4波片之间的相对角度来改变照明光的偏振分量从而使干涉条纹的对比度最大化，保证了样品信息重建的准确性；最后，该装置结构简单便携，可以直接放入商用细胞培养箱中在正常生存条件下对活细胞的生长、增殖及分裂等进行实时检测。综上，该装置稳定性高、获取的图像质量高、可对透明样品进行振幅/相位实时成像，在生物医学及工业检测等领域具有很大的应用价值。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于LED照明的共路径干涉小型化数字全息显微装置的结构光路图；
图2是无透镜傅里叶全息成像中球面波参考光随滤波针孔尺寸的强度分布变化图；
图3a是LED像的直径及被收集的能量随LED与工业镜头之间距离的变化曲线图；
图3b是物光和参考光的光强随可旋转线偏振片角度的变化曲线图；
图4是本发明实施例提供的物参光滤波单元上的针孔直径对全息图条纹对比度和参考光质量的影响对比图；
图5是LED照明和激光照明对图像质量和相位恢复分辨率的影响对比图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，包括沿光路方向依次设置的偏振光产生模块、光尺寸控制模块、望远镜系统、物参光分离模块和图像采集模块，所述偏振光产生模块与所述光尺寸控制模块之间设置有待测的样品，其中，所述偏振光产生模块用于发出部分相干LED光并将所述LED光调制为偏振光；所述光尺寸控制模块用于缩放所述偏振光的尺寸并产生均匀的平面波；所述望远镜系统用于收集所述样品的散射信号并对其进行放大，获得具有样品信息的光场分布；所述物参光分离模块用于将来自所述望远镜系统具有样品信息的光进行衍射，产生具有相反偏振方向的物光和参考光；所述图像采集模块用于采集由所述物光和所述参考光产生的全息图。
进一步地，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于LED照明的共路径干涉小型化数字全息显微装置的结构光路图。所述偏振光产生模块包括LED 1以及沿LED 1的光路依次设置的窄带滤光片2、可旋转线偏振片3和1/4波片4，其中，窄带滤光片2用于对LED 1产生的可见光带宽进行限制；可旋转线偏振片3和1/4波片4用于将经窄带滤光片2的可见光调制成椭圆偏振光。LED 1的波长在可见光范围，要求其具有小的发散角，以保证足够高的光强利用率。本实施例采用部分相干的LED进行照明，图像质量得到了极大的提升，与激光照明相比，部分相干照明可以有效降低相干噪声的不利影响，提高测量精度。优选地，LED 1的直径为5mm，波长范围为470nm±10nm。该装置在LED照明下的空间相位均方根误差达到0.002弧度，比激光照明时的噪声降低了一个数量级。
所述光尺寸控制模块包括沿光路依次设置的工业镜头5、滤波器6和第一透镜7，其中，工业镜头5用于对椭圆偏振光进行缩放；滤波器6位于第一透镜7的前焦面，滤波器6上包括一针孔，用于对缩放后的椭圆偏振光进行滤波并产生具有一定发散角的球面波；第一薄透镜7用于将球面波调节为均匀的平面波。本实施例的滤波器6上针孔的直径为600μm。第一透镜7是焦距为30mm的双胶合消色差透镜，工业镜头5的焦距为12mm。
所述望远镜系统包括沿光路依次设置的探测物镜10和第二透镜12，其中，样品9放置在探测物镜10的前焦面处，探测物镜10用于收集样品的散射信号并对所述散射信号进行放大。在本实施例中，探测物镜10的放大倍率为10X，数值孔径NA＝0.45。
此外，第一透镜7与样品9之间设置有第一平面反射镜8，第一平面反射镜8的光反射面与第一透镜7的中心光轴的夹角为45°，使得经第一平面反射镜8的反射的光弯折90°照射到样品9上，探测物镜10与第二透镜12之间设置有第二平面反射镜11，第二平面反射镜11的光反射面与探测物镜10的中心光轴的夹角为45°，使得经第二平面反射镜11的反射的光弯折90°照射到第二透镜12上。通过设置第一平面反射镜8和第二平面反射镜11，使得装置的体积得到了极大地减小，更为紧凑。
继续参见图1，所述物参光分离模块包括沿光路依次设置的偏振衍射光栅13、第三透镜14、物参光滤波单元15、线偏振片16和第四透镜17，其中，偏振衍射光栅13位于第三透镜14的前焦平面处，用于将来自望远镜系统具有样品信息的光向±1级方向衍射，形成+1级衍射光和-1级衍射光；物参光滤波单元15位于第三透镜14的后焦平面处，包括一个大孔和一个针孔，所述大孔用于使+1级衍射光通过以产生含样品信息的物光，所述针孔用于对-1级衍射光进行低通滤波以产生不含样品信息的参考光；线偏振片16用于对物光和参考光进行偏振，以使物光和参考光具有相同的偏振方向。由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，因此对环境扰动具有非常好的免疫性。
在本实施例中，第二透镜12和第三透镜17是焦距为150mm的双胶合消色差透镜；第三透镜14是焦距为50mm的双胶合消色差透镜。偏振衍射光栅13前光束的口径为25.4mm，偏振衍射光栅13的周期Λ＝6.3μm。本实施例的图像采集模块采用CMOS相机，成像系统总放大倍率为22.5，满足采样定律。
需要说明的是，由于本实施例在CMOS相机前设置有第三透镜17，用平面波与物光干涉产生全息图，使得产生的图更平滑平整。而现有技术以球面波作为参考光，以球面波作为参考光的无透镜傅里叶全息技术可以在一定程度上缩减系统的尺寸，但由于物参光滤波单元15上针孔的衍射作用，球面波参考光和物光无法在相机面重合，这是由于参考光存在很大的侧向错位。因此，在CMOS相机视野范围内参考光很不均匀，导致全息图的条纹对比度很低，严重影响成像质量。请参见图2，图2是无透镜傅里叶全息成像中球面波参考光随滤波针孔尺寸的强度分布变化图。图2所示的结果是改变物参光滤波单元15上针孔的尺寸所记录的球面波参考光的强度分布，可以看出，针孔尺寸越小，球面波参考光越偏离系统中心，其强度分布越不均匀。相比而言，本实施例在CMOS相机前设置有第三透镜17，可以产生非常均匀的平面波作为参考光，保证全息图具有均匀的背景从而提高重建数据的质量。
需要说明的是，LED 1发出的光经过工业镜头5及滤波器6的缩小和滤波处理后再经过中间成像系统传递到物参光滤波单元15处。由于LED 1发出的光具有一定的带宽，在偏振衍射光栅13的衍射作用下，+1级和-1级衍射光均在第三透镜14的后焦面上进行光谱展开，只有改变工业镜头5、滤波器6及第一透镜7的参数才可以调节LED 1成像到物参光滤波单元15处的尺寸。对于+1级衍射光而言，只需保证物参光滤波单元15处的大孔不遮挡物光频谱即可，此时+1级衍射光不受任何影响直接通过物参光滤波单元15处的大孔。在本实施例中，物参光滤波单元15上大孔的直径≥探测物镜10的光瞳口径在物参光滤波单元15处所成像的直径。
-1级衍射光需经过物参光滤波单元15上的针孔产生无样品信息的参考光，因此物参光滤波单元15处针孔的直径与LED 1在物参光滤波单元15处所成像的直径需满足匹配关系，这对于全息图的条纹对比度和参考光的质量有很大的影响。-1级衍射光中的零频分量不包含任何样品信息，然而由于LED发射的光具有一定的带宽，在物参光滤波单元15处-1级衍射光的零频分量呈现为椭圆形。因此，根据全息图条纹对比度和参考光质量的权衡，对物参光滤波单元15处针孔的直径进行选择，要保证物参光滤波单元15上针孔的直径略小于滤波器6上针孔在物参光滤波单元15上所成像的直径。
具体而言，当物参光滤波单元15上的针孔直径小于等于LED光经过滤波器6上的针孔在物参光滤波单元15处所成像的直径时，全息图的条纹对比度会明显下降，但参考光的质量会得到提升；反之，当物参光滤波单元15上的针孔直径大于LED光经过滤波器6上的针孔在物参光滤波单元15处所成像的直径时，全息图的条纹对比度会得到提升，但参考光的质量会明显下降。
具体地，根据理论计算可知，一束平面波经过第三透镜14聚焦后的衍射斑主瓣宽为1.22λf3/D＝1.13μm，其中，λ为LED的发光中心波长，f3为第三透镜14的焦距，D为偏振衍射光栅13前光束的口径，若要将直径5mm的LED光源缩小到直径1.13μm的光斑就要求满足关系5×1000×M×20/f1/3＝1.13，也就是M/f1＝3.4×10-5，其中，M是工业镜头5的放大率，f1是第一透镜7的焦距。该公式意味着若要将直径5mm的LED光源严格缩小到1.13μm，就要求M足够小，同时要求f1足够大。然而，M足够小和f1足够大都不利于充分利用LED的能量。由于该装置的成像对象主要是一些精细的结构，其频谱分布在整个光瞳面上，因此可以适当选择物参光滤波单元15处的针孔直径来缓解对M和f1的要求。本实施例将物参光滤波单元15处的针孔直径初步设为150μm。对工业镜头5来说，其对LED光源的缩小程度及对LED光源能量的收集能力成反比关系。请参见图3a，图3a是LED像的直径及被收集的光强随LED与工业镜头之间距离的变化曲线图。权衡二者，本实施例将工业镜头5选为超大广角镜头，其焦距为12mm，且将LED 1到工业镜头5的距离选为120mm。此时，LED 1通过工业镜头5缩小后的像的直径是627μm，同时LED 1被工业镜头5收集的能量为82μW。因此，滤波器6上针孔的直径可选为600μm，从而滤除周边的杂散光，而第三透镜7的焦距进一步确定为30mm。
在这种情况下，LED 1成像到物参光滤波单元15处的光斑直径为133μm。可以结合全息图条纹对比度和参考光质量，对物参光滤波单元15处针孔的直径进一步进行优化选择。
在实际使用过程中，LED 1发出的部分相干光经过窄带滤光片2和可旋转线偏振片3的调制后变为线偏振部分相干光，再经过1/4波片4的调制后变为椭圆偏振光。随后，该椭圆偏振光经过工业镜头5的缩放后又被滤波器6滤波从而产生具有一定发散角的球面波，其中，LED 1与工业镜头5的距离及滤波器6上针孔的直径应满足光强利用最大化原则，尽可能多地收集LED 1发出的光。滤波器6位于第一透镜7的前焦面，经过第一透镜7的传播后滤波器6处的球面波变为均匀的平面波并照射样品9。样品9放置于探测物镜10的前焦面处，探测物镜10和第二透镜12构成共焦的望远镜系统，样品9经过所述望远镜系统所成的像与放置于第二透镜12后焦面处的偏振衍射光栅13重合。随后，经过偏振衍射光栅13的衍射作用后，具有样品信息的光被复制到不同衍射级方向上进行传播，其中，±1衍射光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，它们的光强比重与照射到样品上的光的偏振状态有关。经过第三透镜14的傅里叶变换作用后，衍射光的频谱信息展开在第三透镜14的后焦平面上，其中，+1级衍射光完全经过物参光滤波单元15上的大孔被用作物光，而-1级衍射光经过物参光滤波单元15的针孔滤波后变为不带有样品信息的球面波，再经过第四透镜17的傅里叶变换作用后变为均匀的平面波，被用作参考光。经过线偏振片16后，物光和参考光具有相同的偏振方向，进而产生干涉图样并被位于第四透镜17后焦平面处的图像采集模块18探测。通过可旋转线偏振片3可以调节物光和参考光的相对强度，进而改变全息图的条纹对比度。
LED 1发出的光是具有一定波长范围的自然光，由大量随机波列组成，各列波的振动方向、传播方向以及相位差都是随机的，因而各列波之间是非相干的，各个波列之间是强度的叠加。但对于某一列波而言自身是相干的，因此在LED照明下，首先以相干的处理手段来求解某一列波照明下的光场分布，然后以非相干的处理手段来合成各列波同时照明下的强度分布。现考虑波长为λ0的某一列波，其偏振方向是随机的，经过偏振方向与水平方向成θ角度的可旋转线偏振片3后，该列波即变为线偏振光，其偏振态记为
该线偏振光经过主轴沿水平方向的1/4波片4后被调制为一束椭圆偏振光，其偏振态可表示为：
其中，i表示复数中的虚部单位。
该椭圆偏振光经过样品9的调制后被所述望远镜系统成像到第二透镜12的后焦面上并与偏振衍射光栅13重合。含有样品信息的光被偏振衍射光栅13衍射到不同的方向上进行传播，除±1级外，其它衍射项均被放置在第三透镜14后焦平面处的物参光滤波单元的实体部分遮挡。±1级衍射光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，通过调节入射光的偏振态，具体地调节可旋转线偏振片3相对于1/4波片4的角度，即可调节左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的能量占比。该偏振衍射光栅13对光场偏振态的调制可用如下琼斯矩阵表示：
其中，Γ＝2πΔnd’/λ0＝k0Δnd’表示相位的延迟量，Δn为偏振衍射光栅13的双折射率，d'为偏振衍射光栅13的厚度。φ(x,y)＝-πx/Λ表示偏振衍射光栅13在xoy平面内沿x方向的指向矢分布函数，其中，Λ表示偏振衍射光栅13的周期。当公式(1)表示的椭圆偏振光射入该偏振衍射光栅13后，出射光场的偏振态可表示为：
该偏振衍射光栅13的远场第m级衍射光场由透射场Eout的矢量傅里叶系数决定，即：
进一步地，+1级衍射光的偏振特性可表示为：
其中，
这里，
和
分别表示偏振衍射光栅13对+1级o光和e光的透过率，
和
分别表示偏振衍射光栅13对+1级o光和e光的折射率，
表示+1级衍射光随空间变化的各向异性的主轴方向，K＝2π/Λ表示光栅矢量，k0＝2π/λ0。
-1级衍射光的偏振特性可表示为：
其中，
这里，
和
分别表示偏振衍射光栅13对-1级o光和e光的透过率，
和
分别表示偏振衍射光栅13对-1级o光和e光的折射率，
表示-1级衍射光随空间变化的各向异性的主轴方向。
值得说明的是，沿着+1级方向传播的衍射光
不受任何干扰作为物光，而沿着-1级方向传播的衍射光
被针孔滤波后形成参考光。当物光和参考光经过透振方向与水平方向成45°的线偏振片16后，都变成线偏振光。对于本实施例所选用的偏振衍射光栅13而言，
而
因此，物光和参考光经过线偏振片16后的偏振态可表示为：
其中，O表示物光经过线偏振片16后的复振幅，R表示参考光经过线偏振片16后的复振幅。
从公式(9)可以看出，物光和参考光的相对光强与照射到样品上的照明光的偏振态及偏振光栅的衍射特性有关。经过第四透镜17的傅里叶变换作用后，参考光以平面波的形式斜照射到图像采集模块上与物光发生干涉产生全息图，此时图像采集模块记录的强度分布可表示为：
其中，
表示图像采集模块接收面上的空间坐标；
表示图像采集模块接收面上干涉条纹的载频量，其只与偏振光栅的周期有关；
表示样品对照明光相位的调制函数。需要说明的是，上述分析对450-600纳米范围内的所有光波都有效，因此所述图像采集模块探测到的总强度表示为：
虽然照射到样品上的照明光是具有一定波长范围的椭圆偏振光，但对样品复振幅的恢复与传统的数字全息显微镜完全一样。通过改变照明光的偏振态就可改变物光和参考光的相对强度，从而改变全息图的条纹对比度，不仅可以提高图像质量，还可以提高数据重建的准确性。进一步地，通过
可以计算出样品的三维形貌d(x,y)和折射率分布，并且可以通过角谱的传递对离焦样品进行数字再聚焦，其中，
表示样品对照明光的相位调制函数，d表示样品的厚度分布，n表示样品的折射率分布，λ为LED的发光中心波长。
由公式(9)可知，在LED部分相干照明下，通过可旋转线偏振片3可以调节物光和参考光的相对光强，确保不同样品下全息图的条纹对比度达到最佳。如此，不仅避免了激光照明引起的散斑噪声，还提高了振幅/相位重建的准确性。为验证入射光偏振态对+1级和-1级衍射光光强的影响，本实施例在没有任何样品的情况下对可旋转线偏振片3进行了0到180°的连续旋转，并记录了+1级和-1级衍射光的光强变化(未加物参光滤波单元15)，结果见图3b所示。从图中可以看出，对可旋转线偏振片3进行旋转时，+1级和-1级衍射光的光强变化遵从公式(9)展示的趋势，意味着在LED照明下物光和参考光的光强比重可以通过改变入射光的偏振态进行调节，从而对不同散射程度的样品进行成像时使全息图的条纹对比度达到最大，保证样品振幅/相位重建的准确性。
如前所述，物参光滤波单元15处的针孔直径对全息图的条纹对比度和参考光的质量有很大的影响。本实施例改变物参光滤波单元15处针孔的直径并通过对可旋转线偏振片3进行旋转，使全息图的条纹对比度达到相应的最大值，然后对参考光(R)、物光(O)及全息图(I)进行了对比，结果见图4所示。实验中的样品为百合成熟花药(Lily mature anther)，物参光滤波单元15处针孔的直径选择为100μm、150μm及200μm。从图中可以看出，当针孔的直径选为200μm时，全息图的条纹对比度达到37％，然而参考光中参杂着过多的样品信息，不利于准确恢复样品的振幅/相位信息。当针孔的直径选为100μm时，参考光中几乎没有样品信息，但由于针孔过小，导致全息图的条纹对比度过低(只有10％左右)，也不利于准确恢复样品的振幅/相位信息。相较而言，直径150μm的针孔可以充分过滤样品的信息，全息图的条纹对比度可以达到21.2％，有利于提高振幅/相位重建的准确性。图4所示的结果表明，物参光滤波单元15上针孔的直径对样品振幅/相位重建的准确性有很大的影响，应根据实际情况进行合理选择。
为了进一步反映LED部分相干照明对提高图像质量的影响，本实施例在不加样品的条件下对LED照明和激光照明进行了对比。请参见图5，图5是LED照明和激光照明对图像质量和相位恢复分辨率的影响对比图，其中，图a为LED照明下的物光强度分布图，图b为激光照明下的物光强度分布图，图c为LED照明下和激光照明下的物光强度曲线图，图d为利用本发明实施例的装置获得的透明活细胞COS7的相位结果。从图c中可以看出，激光照明下的物光光强分布极为不均匀，起伏波动很严重，导致相位恢复分辨率很低，而LED照明下的物光光强分布很均匀，相位恢复分辨率较高，图像质量更好。因此，LED部分相干照明不仅可以提高数字全息显微成像的图像质量，还可以保证数值重建的准确性。接着，本实施例对透明活细胞COS7进行了成像，成像过程中对可旋转线偏振片3进行旋转，使全息图的条纹对比度达到最大，细胞的相位结果见图d所示。图5所示的结果说明，LED照明结合偏振衍射调制不仅可以保证数据重建的准确性，还可以提高图像质量，避免激光散斑的不利影响。
本发明实施例基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置不仅具有高的测量精度，还具有以下优点：首先，由于采用部分相干的LED进行照明，图像质量得到了极大的提升，与激光照明相比，部分相干照明可以有效降低相干噪声的不利影响，提高测量精度。本发明装置在LED照明下的空间相位均方根误差达到0.002弧度，比激光照明时的噪声降低了一个数量级；其次，由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，因此该装置对环境扰动具有非常好的免疫性；另外，该装置利用偏振衍射光栅的偏振分光特性，可以通过改变可旋转线偏振片和1/4波片之间的相对角度来改变照明光的偏振分量从而使干涉条纹的对比度最大化，保证了样品信息重建的准确性；最后，该装置结构简单便携，可以直接放入商用细胞培养箱中在正常生存条件下对活细胞的生长、增殖及分裂等进行实时检测。综上，该装置稳定性高、获取的图像质量高、可对透明样品进行振幅/相位实时成像，在生物医学及工业检测等领域具有很大的应用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的部分相干光产生及调控模块、光尺寸控制模块、望远镜系统、物参光分离模块和图像采集模块，所述部分相干光产生及调控模块与所述光尺寸控制模块之间设置有待测的样品，其中，
所述部分相干光产生及调控模块用于发出部分相干LED光并对其偏振特性进行调控，以实现条纹的对比度可调；所述LED光调制为偏振光；
所述光尺寸控制模块用于缩放所述偏振光的尺寸并产生均匀的平面波；
所述望远镜系统用于收集所述样品的散射信号并对其进行放大，获得具有样品信息的光场分布；
所述物参光分离模块用于将来自所述望远镜系统具有样品信息的光进行衍射，产生具有相反偏振方向的物光和参考光；
所述图像采集模块用于采集由所述物光和所述参考光产生的全息图；
所述物参光分离模块包括沿光路依次设置的偏振衍射光栅(13)、第三透镜(14)、物参光滤波单元(15)、线偏振片(16)和第四透镜(17)，其中，
所述偏振衍射光栅(13)位于所述第三透镜(14)的前焦平面处，用于将来自所述望远镜系统具有样品信息的光向±1级方向衍射，形成+1级衍射光和-1级衍射光；
所述物参光滤波单元(15)位于所述第三透镜(14)的后焦平面处，包括一个大孔和一个针孔，所述大孔用于使+1级衍射光通过以产生含样品信息的物光，所述针孔用于对-1级衍射光进行低通滤波以产生不含样品信息的参考光；
所述线偏振片(16)用于对所述物光和所述参考光进行偏振，以使所述物光和所述参考光具有相同的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述部分相干光产生及调控模块包括LED(1)以及沿所述LED(1)的光路依次设置的窄带滤光片(2)、可旋转线偏振片(3)和1/4波片(4)，其中，
所述窄带滤光片(2)用于对所述LED(1)产生的可见光带宽进行限制；
所述可旋转线偏振片(3)和所述1/4波片(4)用于将经所述窄带滤光片(2)的可见光调制成椭圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述LED(1)的直径为5mm，波长范围为470nm±10nm。
4.根据权利要求2所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述光尺寸控制模块包括沿光路依次设置的工业镜头(5)、滤波器(6)和第一透镜(7)，其中，
所述工业镜头(5)用于对所述椭圆偏振光进行缩放；所述滤波器(6)位于所述第一透镜(7)的前焦面，所述滤波器(6)上包括一针孔，用于对缩放后的椭圆偏振光进行滤波并产生具有一定发散角的球面波；所述第一透镜(7)用于将所述球面波调节为均匀的平面波。
5.根据权利要求4所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述望远镜系统包括沿光路依次设置的探测物镜(10)和第二透镜(12)，其中，所述样品(9)放置在所述探测物镜(10)的前焦面处。
6.根据权利要求5所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述第一透镜(7)与所述样品(9)之间设置有第一平面反射镜(8)，所述探测物镜(10)与所述第二透镜(12)之间设置有第二平面反射镜(11)。
7.根据权利要求4所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述物参光滤波单元(15)上针孔的直径略小于所述滤波器(6)上针孔在所述物参光滤波单元(15)上所成像的直径。
8.根据权利要求1所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述物参光滤波单元(15)上针孔的直径≤1.22λf/D，其中，λ为LED的发光中心波长，f为所述第三透镜(14)的焦距，D为所述偏振衍射光栅(13)前光束的口径。
9.根据权利要求5所述的基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，其特征在于，所述物参光滤波单元(15)上大孔的直径≥所述探测物镜(10)的光瞳口径在所述物参光滤波单元(15)处所成像的直径。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
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| Off-axis digital holographic microscopy with LED illumination based on polarization filtering;Rongli Guo;《Applied Optics》;20131125;第8233-8238页 * |
| 大数值孔径光学镜约束多级衍射机理;王倩 等;《影像科学与光化学》;20200315;第181-189页 * |
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |