CN114527559B - 基于单轴晶体的相衬显微模块、设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴晶体的相衬显微模块、设备及方法，模块包括：第一偏振片、第二偏振片以及设置在二者之间的单轴晶体；第一偏振片和第二偏振片的偏振态正交或平行；第一偏振片用于，将携带待测物体信息的入射光转变为线偏振光；单轴晶体用于，基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；第二偏振片用于，对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，使得当左右旋圆偏振光位移远小于光斑尺寸时，其透射光场为原入射光场的一阶微分。本方法可用于物体强度信息的边缘增强和物体相位信息的可视化。相比于传统的相衬显微技术，本发明更加直观、方便、省时。

Description

基于单轴晶体的相衬显微模块、设备及方法

技术领域

本发明涉及光学成像及光学信息处理领域，具体涉及一种基于单轴晶体的相衬显微模块、方法及设备。

背景技术

通过光波快速、可靠地检测和识别物体是光学成像、机器学习和人工智能的基础。光学相衬显微成像不仅可以实现物体强度信息的边缘增强，还能将透明物体的相位信息转换至强度图案。因此，光学相衬显微成像技术在光学高对比度成像、生物医疗、人脸识别、光学模拟计算等领域有着广泛的应用前景。

目前，光学相衬显微成像的方法有很多，常用的方法包括Zernike相衬显微成像、Nomarski微分干涉相衬成像以及光学空间微分显微成像。传统的Zernike相衬显微成像和Nomarski微分干涉相衬成像依赖于空间或空间频域的复杂调制，导致系统复杂，光学对准和调整困难。光学空间微分显微成像通过构建合适的传递函数，对光场进行微分处理，从而实现相衬显微。光学空间微分显微成像技术因其工作频带宽、各向同性的边缘增强特性和相对紧凑光学系统，受到人们的广泛关注。但是目前光学空间微分器主要基于金属表面等离基元和人工超表面等微纳结构，制备成本高，大规模生产困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于单轴晶体的相衬显微模块、设备及方法，以解决上述问题。

本发明实施例提供了一种基于单轴晶体的相衬显微模块，其包括：

第一偏振片、第二偏振片以及单轴晶体；

所述第一偏振片和第二偏振片的偏振态正交或平行，所述单轴晶体设置在所述第一偏振片和第二偏振片之间；其中：

所述第一偏振片用于，将接收到的携带待测物体信息的入射光转变为沿指定方向偏振的线偏振光；

所述单轴晶体用于，基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使所述线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；

所述第二偏振片用于，对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，使得当左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光的位移远小于光斑尺寸时，其透射光场为原入射光场的一阶微分。

优选地，所述单轴晶体为钒酸钇、铌酸锂、石英、方解石、BBO单轴晶体。

优选地，所述单轴晶体产生的自旋方向相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在横向上形成有由光子自旋分裂产生的位移。

优选地，所述单轴晶体的光轴相对于光束传播方向有一定的倾斜角度，改变倾斜角度可调节所述位移。

优选地，当第一偏振片和第二偏振片的偏振态正交时，实现入射光场的在一个维度上的一阶微分；

当第一偏振片和第二偏振片的偏振态平行时，同时实现入射光场在两个维度上的一阶微分。

本发明实施例还提供了一种基于单轴晶体的相衬显微设备，其包括照明模块、成像模块以及如上述的相衬显微模块。

优选地，所述成像模块包括第一物镜、第一聚焦透镜以及相机，所述相衬显微模块设置在所述第一聚焦透镜与相机之间；所述第一物镜设置在所述第一聚焦透镜前。

优选地，所述照明模块包括光源、第二物镜、第二聚焦透镜；其中，沿入射光传播方向，所述第二物镜设置在所述光源与所述第二聚焦透镜之间；所述光源为LED、卤素灯或激光光源。

优选地，相衬显微设备还包括载物台；所述载物台设置在所述第一聚焦透镜与所述第一物镜之间。

本发明实施例还提供了一种如上述的基于单轴晶体的相衬显微设备的相衬显微方法，其包括：

光源发出入射光，所述入射光经第二物镜准直以及第二聚焦透镜聚焦到载物台的待成像物体上后，形成第一信号光；

第一物镜对所述第一信号光进行准直后，被第一聚焦透镜聚焦到相机上。信号进入相机前，经过所述相衬显微模块；

第一偏振片将接收到的信号光转变为沿指定方向偏振的线偏振光；

单轴晶体基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；其中，所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光存在重叠区域，所述重叠区域内同时包含左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；

第二偏振片对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，得到第二信号光。当左右旋圆偏振光位移远小于光斑尺寸时，第二信号光为原入射光场的一阶微分；

相机记录所述第二信号光以获得所述待成像物体的相衬信息。

综上所述，本发明实施例利用自旋光学的方法，实现了对输入图像的空间微分计算，可用于物体强度信息的边缘增强和物体相位信息的可视化。相比于传统的相衬显微技术，本发明实施例所实现的相衬显微技术更加直观，更加方便，更加省时，而且本发明实施例可以直接嵌入在现有的光学显微系统，整体实现成本低，易于集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的基于单轴晶体的相衬显微模块的结构示意图。

图2(a)为右旋偏振光的自旋分裂位移随入射角的变化。

图2(b)为左旋偏振光的自旋分裂位移随入射角的变化。图3为本发明第二实施例提供的基于单轴晶体的相衬显示设备的结构示意图。

图4(a)-图4(d)为基于理论计算光子自旋霍尔效应实现的相衬显微检测图。

图5(a)-图5(h)为对分辨率板进行相衬显微检测的实验对比图。

图6(a)-图6(d)为对洋葱表皮细胞进行相衬显微的实验对比图。

图7为本发明第三实施例提供的相衬显微方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种基于单轴晶体的相衬显微模块10，其包括：

第一偏振片11、第二偏振片12以及单轴晶体13；所述第一偏振片11和第二偏振片12的偏振态正交或平行，所述单轴晶体13设置在所述第一偏振片11和第二偏振片12之间；其中：

所述第一偏振片11用于，将接收到的携带待测物体信息的入射光转变为沿指定方向偏振的线偏振光。

在本实施例中，所述入射光可以是非相干光源或者相干光源发出的光，所述入射光在到达所述第一偏振片11前，其需先透过待成像的物体，特别的，待成像的物体为透明的物体，这样入射光即携带有该物体的信息。

所述单轴晶体13用于，基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使所述线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移。

具体地，由光子自旋霍尔效应可知，当光束经过非均匀介质表面发生反射、折射时，自旋角动量相反的光子会在垂直于入射面的方向上互相分离，造成光束的自旋分裂现象。当光束入射到介质上时，入射波函数可表示为：

(其中s表示粒子的自旋状态)输出波函数可表示为：

式中δ代表自旋分裂产生的位移，当入射波轮廓远大于自旋分裂的位移δ时，上式可简化为

由上式可以看出空间微分是由于自旋状态相反的位移±δ产生的，即空间微分计算本质上是一种光子自旋霍尔效应。因此，利用光子自旋霍尔效应可以实现对输入图像的光学空间微分计算。

在本实施例中，所述单轴晶体13可为钒酸钇、铌酸锂、石英、方解石、BBO等单轴晶体，当然也可以是其他具有相同或者相似特性的单轴晶体，本发明不做具体限定。以钒酸钇单轴晶体为例，当一束线偏振光入射到所述钒酸钇单轴晶体上时，会产生光子自旋霍尔效应，特别的，产生自旋方向相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，自旋相反的两束光在横向上产生自旋分裂的位移δ，当位移δ足够小，将存在同时包含左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的重叠区域。

在本实施例中，如图2所示，所述位移δ可以通过改变所述单轴晶体13相对于光轴法线的倾斜角度来调节，这里的光轴方向与入射光传播方向一致。所述，图2(a)为右旋偏振光的自旋分裂位移随入射角的变化。图2(b)为左旋偏振光的自旋分裂位移随入射角的变化。

所述第二偏振片12用于，对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，使得当左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光的位移远小于光斑尺寸时，其透射光场为原入射光场的一阶微分。

在本实施例中，当第一偏振片11和第二偏振片12的偏振态正交时，实现入射光场的在一个维度上的一阶微分；

当第一偏振片11和第二偏振片12的偏振态平行时，同时实现入射光场在两个维度上的一阶微分。

综上所述，本实施例提供的相衬显微模块10，当入射光束以一定角度斜入射到单轴晶体13表面，由于折射率梯度的作用，会产生光子自旋霍尔效应，实现对输入图像的空间微分，从而实现物体强度信息的边缘增强和物体相位信息的可视化。相比于传统的相衬显微技术，本实施例所实现的相衬显微技术更加直观，更加方便，更加省时。

而且更进一步的，本实施例提供的相衬显微模块10可以直接嵌入在现有的显微设备，整体实现成本低，易于集成。其中，当应用于显微设备时，在不插入相衬显微模块10时，显微设备可呈现清晰的像，在插入相衬显微模块时，显微设备可实现边缘增强和物体相位信息的可视化。

以下详细说明本实施例在相衬显微设备中的应用。

请参阅图3，本发明第二实施例提供了一种基于单轴晶体的相衬显微设备，其包括照明模块、成像模块以及如上述任一实施例的相衬显微模块10。

其中，所述成像模块包括第一物镜20、第一聚焦透镜31以及相机32，所述相衬显微模块10设置在所述第一聚焦透镜31与相机32之间；所述第一物镜20设置在所述第一聚焦透镜31前。

其中，所述相机可为CCD、CMOS相机等，本发明不做具体限定。

其中，所述照明模块包括光源40、第二物镜50、第二聚焦透镜60，且沿入射光传播方向，所述第二物镜50设置在所述光源40与所述第二聚焦透镜60之间。

其中，所述光源40为LED、卤素灯或激光等光源。特别的，所述光源40为非相干光源，如LED光源，相比于激光照明，LED照明更加均匀，且LED成本较低。

在本实施例中，相衬显微设备还包括载物台70，所述载物台70设置在所述第二聚焦透镜60与所述第一物镜20之间，其用于承载待成像的物体。

在本实施例中，相衬显微设备的工作原理是当光线通过在载物台70上的物体时，细节不同的图像会产生相位差，用第二聚焦透镜60聚焦后各个部分的光程不同，光线发生不同程度的偏斜，当两组光线再经第一聚焦透镜31的会聚，又复合在同一光路上，直射光和衍射光在传播过程中会产生光的干涉，变相位差为振幅差。通过相衬显微设备观察时，通过无色透明体的光线使人眼不可分辨的相位差转化为人眼可以分辨的振幅差。所以相衬显微设备在这里作为一个成像模块，相比于普通的显微镜成像，相衬成像是透明样品成像的最有效方法，它可以获得普通强度成像无法看到的样本的轮廓细节。

为便于对本发明的理解，下面以一些实际的例子来展示本发明实施例在图像边缘增强上的应用，但应当理解的是，这些实际的应用仅是本发明的部分应用，不能理解为对本发明的限定。

请参阅图4，图4为本发明实施例提供的理论计算光子自旋霍尔效应实现的边缘检测图。图4(a)表示右旋分量上的图形，图4(b)表示左旋分量上的图形，图4(c)表示x分量上的图形，图4(b)表示y分量上的图形。

请参阅图5，图5为载物台70为分辨率板时获得的边缘检测对比图。其中，图5(a)、(c)、(e)、(g)为分辨率板上的数字或者图形，图5(b)、(d)、(f)、(h)为对应的边缘检测图。通过对比可以看出，在最终获得的边缘检测图上可以比较清楚的看到各个数字和图形的边缘。

请参阅图6，图6(a)和图6(c)为观察的未经染色的洋葱表皮细胞。图6(b)和图6(d)为对洋葱表皮细胞进行边缘检测得到的边缘检测图，其中，图6(a)对应图6(b)，图6(c)对应图6(d)，通过对比可以比较清楚的看到洋葱表皮细胞的边缘。

请参阅图7，本发明第三实施例还提供了一种如上述的基于单轴晶体的相衬显微设备的相衬显微方法，其包括：

S301，光源发出入射光，所述入射光经第二物镜准直以及第二聚焦透镜聚焦到载物台的待成像物体上后，形成第一信号光；

S302，第一物镜对所述第一信号光进行准直后，被第一聚焦透镜聚焦到相机上。信号进入相机前，经过所述相衬显微模块；

S303，第一偏振片将接收到的信号光转变为沿指定方向偏振的线偏振光；

S304，单轴晶体基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；

S305，第二偏振片用于对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，第二偏振片的透射光场为原入射光场的一阶微分，得到第二信号光；

S306，相机记录所述第二信号光以获得所述待成像物体的相衬信息。

优选地，所述单轴晶体产生的自旋方向相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在横向上形成有由光子自旋分裂产生的位移，且当位移小于预设的阈值时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光存在重叠区域。

优选地，所述单轴晶体相对于光轴法线倾斜一定的角度，光轴方向与入射光传播方向一致，所述位移通过改变所述单轴晶体相对于光轴法线的倾斜角度来调节。

综上所述，本发明实施例利用自旋光学的方法，实现了对输入图像的空间微分计算，可用于物体强度信息的边缘增强和物体相位信息的可视化。相比于传统的相衬显微技术，本发明实施例所实现的相衬显微技术更加直观，更加方便，更加省时。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单轴晶体的相衬显微模块，其特征在于，包括：

第一偏振片、第二偏振片以及单轴晶体；

所述第一偏振片和第二偏振片的偏振态平行，所述单轴晶体设置在所述第一偏振片和第二偏振片之间；所述单轴晶体的光轴相对于光束传播方向有一定的倾斜角度；其中：

所述第一偏振片用于，将接收到的携带待测物体信息的入射光转变为沿指定方向偏振的线偏振光；

所述单轴晶体用于，基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使所述线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；

所述第二偏振片用于，对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，使得当左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光的位移远小于光斑尺寸时，其透射光场为原入射光场的一阶微分；其中，由于第一偏振片和第二偏振片的偏振态平行，能同时实现入射光场在两个维度上的一阶微分。

2.根据权利要求1所述的基于单轴晶体的相衬显微模块，其特征在于，所述单轴晶体为钒酸钇、铌酸锂、石英、方解石、BBO单轴晶体。

3.根据权利要求1所述的相衬显微模块，其特征在于，所述单轴晶体产生的自旋方向相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在横向上形成有由光子自旋分裂产生的位移。

4.根据权利要求3所述的相衬显微模块，其特征在于，改变倾斜角度可调节所述位移。

5.一种基于单轴晶体的相衬显微设备，其特征在于，包括照明模块、成像模块以及如权利要求1至4任意一项所述的相衬显微模块。

6.根据权利要求5所述的基于单轴晶体的相衬显微设备，其特征在于，所述成像模块包括第一物镜、第一聚焦透镜以及相机，所述相衬显微模块设置在所述第一聚焦透镜与相机之间；所述第一物镜设置在所述第一聚焦透镜前。

7.根据权利要求6所述的基于单轴晶体的相衬显微设备，其特征在于，所述照明模块包括光源、第二物镜、第二聚焦透镜；其中，沿入射光传播方向，所述第二物镜设置在所述光源与所述第二聚焦透镜之间；所述光源为LED、卤素灯或激光光源。

8.根据权利要求7所述的基于单轴晶体的相衬显微设备，其特征在于，相衬显微设备还包括载物台；所述载物台设置在所述第一聚焦透镜与所述第一物镜之间。

9.一种如权利要求5至8任意一项所述的基于单轴晶体的相衬显微设备的相衬显微方法，其特征在于，包括：

光源发出入射光，所述入射光经第二物镜准直以及第二聚焦透镜聚焦到载物台的待成像物体上后，形成第一信号光；

第一物镜对所述第一信号光进行准直后，被第一聚焦透镜聚焦到相机上，信号进入相机前，经过所述相衬显微模块；

第一偏振片将接收到的信号光转变为沿指定方向偏振的线偏振光；

单轴晶体基于光子自旋霍尔效应和/或角度色散效应，使线偏振光产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生方向相反的位移；其中，所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光存在重叠区域，所述重叠区域内同时包含左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；

第二偏振片对左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场作和法或差法运算，得到第二信号光，当左右旋圆偏振光位移远小于光斑尺寸时，第二信号光为原入射光场的一阶微分；

相机记录所述第二信号光以获得所述待成像物体的相衬信息。

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