CN117420098A - 一种自适应衍射相位显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应衍射相位显微成像装置，包括照明模块、共焦模块、衍射光产生模块和成像模块，其中，照明模块用于产生部分相干光；共焦模块用于利用部分相干光获得携带有样品信息的物光波；衍射光产生模块用于对物光波进行调制以产生含有样品信息的0级和±1级衍射光；成像模块包括相位型空间光调制器，工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息进行调制，并产生待测样品的衍射相位图像。本发明利用部分相干光有限的相干长度实现了同轴干涉的衍射相位显微成像，对环境扰动具有很好的免疫性；利用相位型空间光调制器对系统固有的像差进行补偿，可以实现很高的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像技术领域，具体涉及一种自适应衍射相位显微成像装置及方法。
背景技术
定量相位显微技术作为一种恢复透明样品复振幅的无标记成像方法，在过去的十几年里得到了飞速发展，在生命医学研究及工业检测等领域具有重要的应用价值。作为非荧光标记且非侵入式的成像方法，定量相位显微成像不需要对样品进行额外的处理，可以避免给样品带来不利的影响。另外，定量相位显微成像可以很容易地与其他成像系统相结合，从而实现结构和功能上的拓展。数字全息显微技术作为定量相位显微成像的先驱，已逐渐发展成为定量相位显微成像的金标准。数字全息显微技术通过物光波与参考光波之间的干涉来记录样品的复振幅信息(即，样品对光场的幅值和相位的调制信息)，再通过数字图像处理就可从单张干涉强度图中恢复得到样品的相位和幅值信息。
传统的离轴数字全息显微技术虽然结构简单，但其对外界扰动具有非常差的免疫性；另外，传统的离轴数字全息显微技术要求光源具有非常高的相干性，因此图像质量普遍很差。虽然科研人员提出了一系列的计算方法来提高离轴数字全息显微成像中的图像质量，但复杂的计算过程及较低的鲁棒性限制了这类技术的应用。为了从根本上解决离轴数字全息显微技术存在的上述两大问题，科研人员提出了衍射相位显微技术。
衍射相位显微技术是一种同轴干涉的数字全息显微技术，它通过一个衍射光栅和一个滤波针孔实现了物光波与参考光波之间的共路径干涉，从而极大地提高了系统的稳定性。同轴干涉的光学结构使衍射相位显微技术可以使用相干性较差的光源来对样品进行照明，从而避免了高相干性光源带来的散斑噪声，极大地提高了图像质量。值得一提的是，对于衍射相位显微技术中针孔难对齐的问题，科研人员提出了基于幅值型空间光调制器的数字化对准技术，从而使衍射相位显微技术得到了更宽广的应用。例如，科研人员利用宽光谱光源及幅值型空间光调制器开发了光谱型衍射相位显微技术，不仅可以得到样品的相位信息，还可以测量样品的化学成分信息。进一步地，科研人员提出了偏振衍射相位显微技术，通过偏振光栅的偏振衍射作用提高了衍射相位显微成像过程中干涉全息图的条纹对比度，从而保障了衍射相位显微成像的重建精度。
然而，不管是传统的离轴数字全息显微技术还是新型的衍射相位显微技术，都不可避免地存在系统像差。具体来说，系统中的光学器件都不是理想化的，都存在一定的加工误差，这就使得传播的光场产生各种类型的畸变，在很大程度上影响图像的质量和数据的准确性。尽管科研人员通过复杂的计算方法一定程度上补偿了系统存在的像差，但这类方法的鲁棒性很差，需要调节很多复杂的参数，所以这类方法很难被推广使用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种自适应衍射相位显微成像装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了一种自适应衍射相位显微成像装置，包括照明模块、共焦模块、衍射光产生模块和成像模块，其中，
所述照明模块用于产生部分相干光；
所述共焦模块用于利用所述部分相干光获得携带有样品信息的物光波；
所述衍射光产生模块用于对所述物光波进行调制以产生包含样品信息的0级衍射光和±1级衍射光；
所述成像模块包括相位型空间光调制器，所述相位型空间光调制器的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息进行调制，并产生待测样品的衍射相位图像。
在本发明的一个实施例中，所述照明模块包括发光二极管以及沿所述发光二极管的光轴方向依次设置的工业镜头、多模光纤和第一薄透镜，所述多模光纤的输出端口位于所述第一薄透镜的前焦面处。
在本发明的一个实施例中，所述共焦模块包括沿光轴方向依次设置的显微物镜和镜筒透镜，其中，
待测样品位于所述显微物镜的前焦面，所述显微物镜用于产生携带有样品信息的物光波；
所述显微物镜的后焦面与所述镜筒透镜的前焦面重合。
在本发明的一个实施例中，所述衍射光产生模块包括沿光轴方向依次设置透射光栅和第二薄透镜，其中，
所述镜筒透镜的后焦面与所述第二薄透镜的前焦面重合，且放置有所述透射光栅，所述透射光栅用于对所述携带有样品信息的物光波进行调制以产生含有样品信息的多阶衍射光，其中，所述多阶衍射光中的0级衍射光和±1级衍射光传播至所述第二薄透镜处。
在本发明的一个实施例中，所述成像模块包括分光棱镜、相位型空间光调制器、第三薄透镜和图像采集模块，其中，
所述第二薄透镜的后焦面与所述第三薄透镜的前焦面重合，且设置有所述相位型空间光调制器，所述分光棱镜倾斜设置在所述第二薄透镜与所述相位型空间光调制器之间；
所述多阶衍射光中的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息对称分布在所述相位型空间光调制器的工作面上，所述相位型空间光调制器的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息分别进行调制；
所述图像采集模块用于采集所述0级衍射光的零频分量和所述+1级衍射光像差补偿后的干涉强度图。
在本发明的一个实施例中，所述镜筒透镜与所述透射光栅之间还设置有线偏振片，用于对入射的物光波进行调制，使得所述相位型空间光调制器的作用方向与射入所述相位型空间光调制器工作面的物光波的偏振方向相同。
在本发明的一个实施例中，所述透射光栅的调制函数为：
g(x，y)＝1+cos(2πx/d)，
其中，d表示所述透射光栅的光栅常数，x表示沿X轴的坐标变量，所述X轴平行于所述相位型空间光调制器的长轴方向。
在本发明的一个实施例中，所述具有像差实时补偿的相位调制图案为：
其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；表示为：
其中，angle{·}表示取复数相位，CTFreal(x，y)表示成像装置的实际相干传递函数，NA表示所述显微物镜的数值孔径，λ表示所述发光二极管发出的光的中心波长，f表示所述第三薄透镜的焦距；
其中，x0表示所述图像采集模块上0级衍射光的高频分量沿X轴的偏移量；
其中，ε表示所述相位型空间光调制器上所加载的相位调制图案中0级衍射光的零频分量的半径。
本发明的另一方面提供了一种自适应衍射相位显微成像方法，利用上述实施例中任一项所述的自适应衍射相位显微成像装置执行，所述方法包括：
S1：利用针孔作为样品准确测量所述自适应衍射相位显微成像装置固有的像差；
S2：在相位型空间光调制器上加载具有像差实时补偿的相位调制图案；
S3：利用图像采集模块采集待测样品物光波的0级衍射光的零频分量和+1级衍射光像差补偿后的干涉强度图；
S4：利用数字全息恢复算法获得像差补偿后待测样品的幅值和相位分布。
在本发明的一个实施例中，所述S1包括：
在相位型空间光调制器上加载无像差补偿的相位调制图案，所述无像差补偿的相位调制图案的表达式为：
其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；
其中，φ(x，y)表示沿着X轴正方向斜率为的二维函数，所述X轴平行于相位型空间光调制器的长轴，x0表示图像采集模块上0级衍射光的高频分量(即非零频分量)沿X轴的偏移量，λ表示发光二极管发出的光的中心波长，f表示第三薄透镜的焦距，
其中，x表示沿X轴的坐标变量，y表示沿Y轴的坐标变量，所述Y轴平行于相位型空间光调制器的短轴方向，
其中，ε表示所述相位型空间光调制器上所加载的相位调制图案中0级衍射光的零频分量的半径；
使用直径等于显微物镜的横向分辨率的针孔作为样品，重建得到spinhole(x，y)表示针孔作为样品恢复得到的含有系统相差的复振幅，δ(x，y)表示二维单位脉冲函数，h(x，y)表示相干传递函数CTF(ξ，η)的空间逆傅里叶变换；
通过针孔样品准确测量成像装置的相干传递函数 其中，/>表示二维空间傅里叶变换。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提出一种基于发光二极管照明和相位型空间光调制器调制的自适应衍射相位显微成像装置，用于对透明样品进行无标记、高灵敏度且高精度的原位检测。该显微装置利用发光二极管产生的部分相干光对样品进行照明，具有非常好的图像质量；同时，利用部分相干照明有限的相干长度实现了同轴干涉的数字全息显微成像，使该系统对环境扰动具有非常好的免疫性；另外，利用相位型空间光调制器对成像系统固有的像差进行了实时补偿，因此，该显微具有非常高的测量精度。
2、本发明的自适应衍射相位显微装置和方法同时解决了数字全息显微技术现存的几大问题，首先，创新性地使用相位型空间光调制器来产生参考光波，并使其与物光波产生共路径干涉，对外界扰动具有非常好的免疫性；其次，相位型空间光调制器还可以自适应地对成像装置存在的像差进行实时补偿，因此该成像装置具有非常高的测量精度；另外，具有一定光谱带宽和一定空间尺寸的发光二极管使成像系统具有较短的相干长度，因此该成像装置具有很好的图像质量。因此，该自适应衍射相位显微成像装置具有非常好的时间稳定性(共路径干涉)和空间灵敏性(低相干照明)，且具有非常高的测量精度(像差实时补偿)，可对透明样品进行实时、无标记且高质量的原位检测，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自适应衍射相位显微成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种相位型空间光调制器上光场的频谱分布示意图；
图3是物光波的0级衍射光产生侧向偏移时图像采集模块采集到的干涉强度图的条纹对比度变化；
图4是本发明实施例提供的一种相位型空间光调制器加载相位值全为2π的图案；
图5是相位型空间光调制器加载图4所示的相位图案时图像采集模块采集到的干涉强度图样；
图6是相位型空间光调制器一半加载相位值全为2π的图案，另一半加载闪耀光栅图案的示意图；
图7是相位型空间光调制器加载图6所示的相位图案时图像采集模块采集到的干涉强度图样；
图8是为了实现共路径干涉的衍射相位成像在相位型空间光调制器上加载的调制图案；
图9是相位型空间光调制器加载的一种自适应调制图案；
图10是相位型空间光调制器上加载自适应调制图案后图像采集模块采集到的干涉强度图样；
图11是从图10恢复得到的透明细胞的无像差幅值分布图；
图12是从图10恢复得到的透明细胞的无像差相位分布图。
附图标记说明：
1-发光二极管；2-工业透镜；3-多模光纤；4-第一薄透镜；5-待测样品；6-显微物镜；7-镜筒透镜；8-线偏振片；9-透射光栅；10-第二薄透镜；11-分光棱镜；12-相位型空间光调制器；13-第三薄透镜；14-图像采集模块。
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自适应衍射相位显微成像装置及方法进行详细说明。
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。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种自适应衍射相位显微成像装置的结构示意图。该自适应衍射相位显微成像装置包括照明模块、共焦模块、衍射光产生模块和成像模块，其中，照明模块用于产生部分相干光；共焦模块用于利用部分相干光获得携带有样品信息的物光波；衍射光产生模块用于对物光波进行调制以产生包含样品信息的0级衍射光和±1级衍射光；所述成像模块包括相位型空间光调制器，所述相位型空间光调制器的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息进行调制，并产生待测样品的衍射相位图像。
具体地，本实施例的照明模块包括发光二极管1以及沿发光二极管1的光轴方向依次设置的工业镜头2、多模光纤3和第一薄透镜4，多模光纤3的输出端口在第一薄透镜4的前焦面处。
发光二极管1具有一定的光谱带宽和一定的空间尺寸，其发出的小角度发散光(部分相干光)被小焦距的工业镜头2收集并缩小至多模光纤3的输入端口。经过多模光纤3的传输后，发光二极管1发出的部分相干光以球面波的形式传播至第一薄透镜4的前焦面处，第一薄透镜4对该部分相干光进行准直作用。
在本实施例中，发光二极管1的波长范围是470±50纳米，直径为5毫米，功率是360毫瓦。工业镜头2的焦距为12毫米；多模光纤3是纤芯直径为400微米的阶跃折射率多模光纤跳线。第一薄透镜4是焦距为50毫米的双胶合消色差透镜。
进一步地，本实施例的共焦模块包括沿光轴方向依次设置的显微物镜6和镜筒透镜7，其中，待测样品5位于显微物镜6的前焦面，显微物镜6用于产生携带有样品信息的物光波；显微物镜6的后焦面与镜筒透镜7的前焦面重合。
具体地，经过第一薄透镜4的准直作用后，照明光束以平面波的形式传播至位于显微物镜6的前焦面处的待测样品5上，且产生携带有样品信息的物光波。该携带有样品信息的物光波被显微物镜6和镜筒透镜7构成的共聚焦系统放大成像到镜筒透镜7的后焦面处。在此过程中，经过显微物镜6的傅里叶变换作用后，物光波的频谱信息分布在显微物镜6的后焦面处，并被显微物镜6的有限孔径限制。随后，经过镜筒透镜7的傅里叶变换作用及放大作用后，低通滤波后的物光波被传播到镜筒透镜7的后焦面处。
在本实施例中，显微物镜6为空气物镜，放大倍率为20X，数值孔径NA＝0.3(平场消色差物镜)。镜筒透镜7的焦距为200毫米。
进一步地，本实施例的衍射光产生模块包括沿光轴方向依次设置透射光栅9和第二薄透镜10，其中，镜筒透镜7的后焦面与第二薄透镜10的前焦面重合，且放置有透射光栅9，透射光栅9用于对携带有样品信息的物光波进行调制以产生含有样品信息的多阶衍射光，其中，多阶衍射光中的0级衍射光和±1级衍射光传播至第二薄透镜10处。
具体地，在镜筒透镜7和第二薄透镜10的共焦面处放置有透射光栅9，用以调制物光波来产生含有样品信息的多阶衍射光，其中，只有0级和±1级衍射光被第二薄透镜10收集。在本实施例中，透射光栅9的光栅常数为12.5微米。第二薄透镜10是焦距为250毫米的双胶合消色差透镜。
本实施例的成像模块包括分光棱镜11、相位型空间光调制器12、第三薄透镜13和图像采集模块14，其中，第二薄透镜10的后焦面与第三薄透镜13的前焦面重合，且设置有相位型空间光调制器12，分光棱镜11倾斜设置在第二薄透镜10与相位型空间光调制器12之间；相位型空间光调制器12仅允许所述多阶衍射光中的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息对称分布在相位型空间光调制器12的工作面上，相位型空间光调制器12的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息分别进行调制；图像采集模块14用于采集0级衍射光的零频分量和+1级衍射光的干涉强度图。
具体地，经过第二薄透镜10的傅里叶变换作用后，包含样品信息的0级衍射光和±1级衍射光的频谱信息分布在位于第二薄透镜10与第三薄透镜13的共焦面处的相位型空间光调制器12上。相位型空间光调制器12的工作中心偏离成像装置的中心，只有0级和+1级衍射光的频谱信息对称分布在相位型空间光调制器12的工作面上。也就是说，-1级衍射光远离该成像装置，不对最终的成像起作用，如图2所示。最后，相位型空间光调制器12对0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息分别进行调制。被调制后的0级衍射光和+1级衍射光经过第三薄透镜13的傅里叶变换作用后，最终叠加在图像采集模块14上并被其记录。值得一提的是，分光棱镜11安装在第二薄透镜10与相位型空间光调制器12之间，是为了使成像装置的结构更为紧凑，但其对成像不起决定性作用。
另外，发光二极管1发出的光是非偏振光，而相位型空间光调制器12对光场进行相位调制时具有偏振方向选择性，因此，镜筒透镜7与透射光栅9之间还设置有线偏振片8，线偏振片8用于对入射的物光波进行调制，使得相位型空间光调制器12的作用方向与射入相位型空间光调制器12工作面的物光波的偏振方向相同。也就是说，物光波射入到相位型空间光调制器12之前被线偏振片8调制，保证相位型空间光调制器12的作用方向与射入到其工作面的物光波的偏振方向相同。
优选地，物光波经过线偏振片8以后波前变形小于1/4波长。分光棱镜11的分束比为50:50，厚度是0.3毫米。相位型空间光调制器12的相位调制分辨率是8比特，其液晶切换时间为2毫秒。第三薄透镜13是焦距为300毫米的双胶合消色差透镜。图像采集模块14选为CMOS相机，单个像素的尺寸为2.4微米×2.4微米。
具体地，本发明实施例中使用的发光二极管1具有一定的光谱带宽和一定的空间尺寸，这就意味着，该发光二极管1发出的光波具有有限的时间相干性和空间相干性。为了计算方便，令本实施例的自适应衍射相位显微成像装置各处的放大率均为1，并令该自适应衍射相位显微成像装置的XYZ轴如图1所示，其中，X轴平行于相位型空间光调制器12的长轴，Y轴平行于相位型空间光调制器12的短轴，Z轴垂直于相位型空间光调制器12的工作面。
经过第一薄透镜4的准直作用后，发光二极管1发出的部分相干的照明光以平面波的形式垂直照射到位于显微物镜6的前焦面处的待测样品5上，此时，待测样品5产生的物光波可以表示为其中，a(x，y)表示待测样品5对照明光的幅值的调制，/>表示待测样品5对照明光的相位的调制，j表示复数。
经过显微物镜6的傅里叶变换作用后，该物光波的频谱信息分布在显微物镜6的后焦面处并被显微物镜6有限的孔径限制，该物光波的频谱信息可以表达为：
SL(ξ，η)＝S(ξ，η)·CTF(ξ，η) (1)
其中，(ξ，η)表示物光波的频谱坐标，S(ξ，η)表示物光波s(x，y)的二维空间傅里叶变换，CTF(ξ，η)表示该自适应衍射相位显微成像装置的相干传递函数，其仅在ξ2+η2≤(NA/λ)2的范围内有效，其中，NA表示显微物镜6的数值孔径，λ表示发光二极管发出的光的中心波长。
理论上，相干传递函数CTF(ξ，η)在有效的范围内应全为1，但成像装置固有的像差导致相干传递函数CTF(ξ，η)在有效的范围内是一个连续变化的复指数分布，并且通常是幅值为1的复指数。因此，对相干传递函数CTF(ξ，η)的精准补偿是保证成像精度的关键。另外，从公式(1)可以看出，显微物镜6有限的孔径对于光场的传播来说就是一个低通滤波的过程。
进一步地，经过镜筒透镜7的傅里叶变换后，镜筒透镜7的后焦面处的光场分布表示为其中，h(x，y)是成像系统的复振幅点扩散函数，也是相干传递函数CTF(ξ，η)的空间逆傅里叶变换，/>表示卷积运算。
与此同时，镜筒透镜7的后焦面处安置有光栅常数为d的透射光栅9，其衍射方向沿着X轴方向。考虑到只有0级和±1级衍射光被第二薄透镜10收集，因此，该透射光栅9对光场的调制函数可以表示为g(x，y)＝1+cos(2πx/d)，其中，d表示光栅常数，即光栅上两个刻线之间的距离，x表示沿X轴的坐标变量。
经过透射光栅9的调制后，镜筒透镜7与第二薄透镜10共焦面处的物光波可以表示为eg(x，y)＝sL(x，y)·g(x，y)。该物光波经过第二薄透镜10的傅里叶变换作用后，其频谱信息分布在第二薄透镜10与第三薄透镜13的共焦面处，并且该频谱信息可以表示为：
其中，δ(ξ，η)表示二维单位脉冲函数，表示二维单位脉冲函数δ(ξ，η)在频域里沿着ξ坐标正方向移动1/d的距离，/>表示二维单位脉冲函数δ(ξ，η)在频域里沿着ξ坐标反方向移动1/d的距离。
由于相位型空间光调制器12被离轴布置，只有0级和+1级的衍射光被第三薄透镜13收集，而-1级衍射光远离成像系统，不对最终的成像起作用。另外，相位型空间光调制器12工作面上加载了预设的相位调制图案，其对光场的相位调制作用由Mod(ξ，η)表示。最终到达图像采集模块14的光场强度可表示为：
其中，表示二维空间逆傅里叶变换，此为相位型空间光调制器12加载图案后图像采集模块14获得的强度图的统一表达式。
如前所述，发光二极管1发出的光波具有有限的相干性。为验证此特性，在图1所示的自适应衍射相位显微成像装置中给相位型空间光调制器12加载一系列相位调制图案。这里需要注意的是，0级衍射光的中心即为XY轴的坐标原点，并且相位型空间光调制器12的空间位置设置如图2所示。基于此，给相位型空间光调制器12加载表达如下的相位调制图案：
其中，λ表示发光二极管1发出的光的中心波长，f表示第三薄透镜13的焦距，x′表示图像采集模块14上0级衍射光沿X轴的偏移量。因此，相位型空间光调制器12对光场的调制函数可以表达为 因此，公式(3)可以进一步表示为：
也即是：
Icoher(x，y)＝|sL(x-x′，y)+sL(x，y)·e-j2π·x/d|2 (6)
公式(6)说明，当相位型空间光调制器12加载公式(4)所示的相位分布后，在图像采集模块14处物光波的+1级衍射光不发生变化，其拥有光栅调制信息e-j2π·x/d，而物光波的0级衍射光沿着X轴方向发生了距离为x′的侧向偏移。最终图像采集模块14采集到的强度图即为二者的干涉强度图。
理论上来说，发光二极管1发出的光具有有限的相干长度，因此，随着0级衍射光的侧向偏移量逐渐增大，物光波的0级衍射光与+1级衍射光之间的相干性会逐渐下降，也就是说，图像采集模块14采集到的干涉强度图的条纹对比度会逐渐下降，并且最终为0。
请参见图3，图3是物光波的0级衍射光产生侧向偏移时图像采集模块采集到的干涉强度图的条纹对比度变化，显示的结果是当0级衍射光的侧向偏移量x′从0逐渐增加到1885μm时，图像采集模块14采集到的干涉强度图的条纹对比度变化。从图3可以看出，当侧向偏移量x′为0时，也就是相位型空间光调制器12加载图4所示的相位图案时，图像采集模块14采集到的干涉强度图的条纹最清晰，如图5所示，其对比度达到36％。而随着侧向偏移量x′的逐渐增加，图像采集模块14采集到的干涉强度图的条纹对比度逐渐下降，直到侧向偏移量x′达到650μm后，条纹对比度一直为0。例如，当侧向偏移量x′为1300μm时，相位型空间光调制器12加载的相位图案如图6所示，此时图像采集模块14采集到的强度图如图7所示，此时已经看不到任何条纹了，说明物光波的0级衍射光与+1级衍射光之间已经不再相干了。这里需要说明的是，由于相位型空间光调制器12的每个像素能调制的相位范围是0～2π，而复指数函数是以2π为基本周期的周期函数，因此，图6所示的相位分布是对原有的相位分布函数做相位包裹处理后得到的，从而使所有相位均分布在0～2π之间。总的来说，当物光波的0级衍射光相对于+1级衍射光的侧向偏移量超过一定的数值(650μm)后，物光波的0级衍射光与+1级衍射光之间已不存在相干性，也就是说，他们之间是非相干的。
基于上述事实，为了实现基于发光二极管和相位型空间光调制器的共路径干涉衍射相位成像，给图1所示的光路中的相位型空间光调制器12加载如图8所示的相位分布，其可表达为：
其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；并且，
这里，φ(x，y)表示沿着X轴正方向斜率为的二维函数，x0表示图像采集模块上0级衍射光的高频分量沿X轴的偏移量，在本实施例中，x0＝1300μm。
同时，表示图8中左侧大圆区域全为1，/>表示图8中右侧小圆区域全为1，具体地，
其中，x表示沿X轴的坐标变量，y表示沿Y轴的坐标变量。
以及，
其中，ε表示图8中右侧小孔的半径，取值取决于发光二极管在相位型空间光调制器12上所成像的尺寸，图8中右边小孔区域内的光波对应着物光波0级衍射光的零频分量δ(x，y)＝δ(λfξ，λfη)。这里，图8所示的相位分布也是对原有的相位分布函数做相位包裹处理后得到的，从而使所有相位均分布在0～2π之间。最终，图像采集模块14上的光场分布包含三部分：物光波+1级衍射光sL(x，y)·e-j2π·x/d；物光波0级衍射光的零频分量，其以平面波的形式垂直入射到图像采集模块14上；还有物光波0级衍射光的散射分量其相对于前二者产生了沿着X轴方向上距离为x0＝1300μm的侧向偏移。该侧向偏移使物光波0级衍射光的散射分量/>与前二者之间是非相干的。因此，当相位型空间光调制器12加载如图8所示的相位分布时，图像采集模块14采集到的强度分布可表示为：
也就是：
其中，*表示共轭。
随后，采用传统的离轴数字全息再现方法便可以再现出物光波的复振幅分布sL(x，y)。
很显然，成像装置固有的像差会给最终的重建结果造成不利的影响。具体来说，再现得到的在频域上受到了系统相干传递函数的线性调制。因此，若无相应的补偿措施，再现得到的样品复振幅会存在一定程度的错误信息，这不仅会给图像带来畸变，还会影响测量的精度。为此，在本发明实施例中，使用直径等于显微物镜6的横向分辨率的一个针孔作为样品，其直径约为λ/NA。该针孔样品对于成像装置而言可以表示为s(x，y)＝δ(x，y)。然后给相位型空间光调制器加载图8所示的相位调制图案，再根据传统的离轴数字全息再现方法，就可以重建得到/> spinhole(x，y)表示针孔作为样品恢复得到的含有系统相差的复振幅。因此，通过针孔样品就可以准确测量成像装置的相干传递函数这里，/>表示二维空间傅里叶变换。对于成像系统而言，相干传递函数的相位调制是造成图像畸变的主要因素，因此，像差补偿过程只考虑相干传递函数的相位调制。为此，在给相位型空间光调制器加载图8所示的相位调制图案的同时要补偿系统存在的像差。因此，相位型空间光调制器12加载的具有像差实时补偿的调制图案如图9所示，表示为：
其中，其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；并且，表示为：
其中，angle{·}表示取复数相位的操作，CTFreal(x，y)表示成像装置的相干传递函数，表示CTFreal(x，y)沿着X轴负方向移动/>的距离。此时，相位型空间光调制器12加载的相位调制图案如图9所示。再根据传统的离轴数字全息再现方法恢复样品的复振幅，由系统像差引起的图像畸变就可以被实时矫正，从而保证测量的精度。
总的来说，本发明实施例所提的自适应衍射相位显微系统和方法通过相位型空间光调制器和低相干的发光二极管实现了共路径干涉的衍射相位成像，用于对透明样品进行无标记、高灵敏度且高精度的原位检测。该显微成像装置对环境扰动具有非常好的免疫性，同时，通过相位型空间光调制器对系统固有的像差进行了实时矫正，保证了测量的精度，使重建得到的图像具有非常高的图像质量。因此，该显微成像装置具备高稳定性，高时空相位灵敏性，以及高精度性，它将成为生命科学研究和工业检测的强大工具。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种自适应衍射相位显微成像方法，所述方法包括：
S1：利用针孔作为样品准确测量所述自适应衍射相位显微成像装置固有的像差；
具体地，使用直径等于显微物镜6的横向分辨率的一个针孔作为样品，其直径约为λ/NA。该针孔样品对于成像装置而言可以表示为s(x，y)＝δ(x，y)。然后给相位型空间光调制器加载图8所示的相位调制图案，即无像差补偿的相位调制图案，其表达式如公式(7)所示，再根据传统的离轴数字全息再现方法，就可以重建得到spinhole(x，y)表示针孔作为样品恢复得到的含有系统相差的复振幅。因此，通过针孔样品就可以准确测量成像装置的相干传递函数这里，/>表示二维空间傅里叶变换。
S2：在相位型空间光调制器上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，该具有像差实时补偿的相位调制图案如公式(13)和图9所示；
S3：利用图像采集模块采集待测样品物光波的0级衍射光的零频分量和+1级衍射光像差补偿后的干涉强度图；
S4：利用传统的数字全息恢复算法获得像差补偿后待测样品的幅值和相位分布。
为了进一步反映本发明实施例的自适应衍射相位显微成像装置和方法的可行性，对透明的活体COS7细胞进行了自适应衍射相位成像。首先，利用针孔作为样品准确测量系统固有的像差，然后给相位型空间光调制器加载具有像差实时补偿的调制图案后实现了共路径干涉的自适应衍射相位成像。图像采集模块采集到的像差补偿后的干涉强度图，如图10所示，然后利用传统数字全息恢复算法就得到像差补偿后的活细胞的幅值和相位分布，分别如图11和图12所示。因此，本发明实施例所提的基于发光二极管和相位型空间光调制器的自适应衍射相位显微装置可以对透明活细胞进行高质量的无损检测，这证明所提发明装置具有可行性和有效性。
本发明的自适应衍射相位显微装置和方法同时解决了数字全息显微技术现存的几大问题：首先，创新性地使用相位型空间光调制器来产生参考光波，并使其与物光波产生共路径干涉，对外界扰动具有非常好的免疫性；其次，相位型空间光调制器还可以自适应地对成像装置存在的像差进行实时补偿，因此该成像装置具有非常高的测量精度；另外，具有一定光谱带宽和一定空间尺寸的发光二极管使成像系统具有较短的相干长度，因此该成像装置具有很好的图像质量。因此，该自适应衍射相位显微成像装置具有非常好的时间稳定性(共路径干涉)和空间灵敏性(低相干照明)，且具有非常高的测量精度(像差实时补偿)，可对透明样品进行实时、无标记且高质量的原位检测，在生物医学及工业检测等领域具有很大的应用价值。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
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 (10)
1.一种自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，包括照明模块、共焦模块、衍射光产生模块和成像模块，其中，
所述照明模块用于产生部分相干光；
所述共焦模块用于利用所述部分相干光获得携带有样品信息的物光波；
所述衍射光产生模块用于对所述物光波进行调制以产生包含样品信息的0级衍射光和±1级衍射光；
所述成像模块包括相位型空间光调制器，所述相位型空间光调制器的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息进行调制，并产生待测样品的衍射相位图像。
2.根据权利要求1所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述照明模块包括发光二极管(1)以及沿所述发光二极管(1)的光轴方向依次设置的工业镜头(2)、多模光纤(3)和第一薄透镜(4)，所述多模光纤(3)的输出端口位于所述第一薄透镜(4)的前焦面处。
3.根据权利要求1所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述共焦模块包括沿光轴方向依次设置的显微物镜(6)和镜筒透镜(7)，其中，
待测样品(5)位于所述显微物镜(6)的前焦面，所述显微物镜(6)用于产生携带有样品信息的物光波；
所述显微物镜(6)的后焦面与所述镜筒透镜(7)的前焦面重合。
4.根据权利要求3所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述衍射光产生模块包括沿光轴方向依次设置透射光栅(9)和第二薄透镜(10)，其中，
所述镜筒透镜(7)的后焦面与所述第二薄透镜(10)的前焦面重合，且放置有所述透射光栅(9)，所述透射光栅(9)用于对所述携带有样品信息的物光波进行调制以产生含有样品信息的多阶衍射光，其中，所述多阶衍射光中的0级衍射光和±1级衍射光传播至所述第二薄透镜(10)处。
5.根据权利要求1所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述成像模块包括分光棱镜(11)、相位型空间光调制器(12)、第三薄透镜(13)和图像采集模块(14)，其中，
所述第二薄透镜(10)的后焦面与所述第三薄透镜(13)的前焦面重合，且设置有所述相位型空间光调制器(12)，所述分光棱镜(11)倾斜设置在所述第二薄透镜(10)与所述相位型空间光调制器(12)之间；
所述多阶衍射光中的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息对称分布在所述相位型空间光调制器(12)的工作面上，所述相位型空间光调制器(12)的工作面上加载具有像差实时补偿的相位调制图案，用于对包含样品信息的0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息分别进行调制；
所述图像采集模块(14)用于采集所述0级衍射光的零频分量和所述+1级衍射光像差补偿后的干涉强度图。
6.根据权利要求5所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述镜筒透镜(7)与所述透射光栅(9)之间还设置有线偏振片(8)，用于对入射的物光波进行调制，使得所述相位型空间光调制器(12)的作用方向与射入所述相位型空间光调制器(12)工作面的物光波的偏振方向相同。
7.根据权利要求5所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述透射光栅(9)的调制函数为：
g(x,y)＝1+cos(2πx/d)，
其中，d表示所述透射光栅(9)的光栅常数，x表示沿X轴的坐标变量，所述X轴平行于所述相位型空间光调制器(12)的长轴方向。
8.根据权利要求7所述的自适应衍射相位显微成像装置，其特征在于，所述具有像差实时补偿的相位调制图案为：
其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；表示为：
其中，angle{·}表示取复数相位，CTFreal(x,y)表示成像装置的实际相干传递函数，NA表示所述显微物镜(6)的数值孔径，λ表示所述发光二极管(1)发出的光的中心波长，f表示所述第三薄透镜(13)的焦距；
其中，x0表示所述图像采集模块(14)上0级衍射光的高频分量沿X轴的偏移量；
其中，ε表示所述相位型空间光调制器(12)上所加载的相位调制图案中0级衍射光的零频分量的半径。
9.一种自适应衍射相位显微成像方法，其特征在于，利用权利要求1至8中任一项所述的自适应衍射相位显微成像装置执行，所述方法包括：
S1：利用针孔作为样品准确测量所述自适应衍射相位显微成像装置固有的像差；
S2：在相位型空间光调制器上加载具有像差实时补偿的相位调制图案；
S3：利用图像采集模块采集待测样品物光波的0级衍射光的零频分量和+1级衍射光像差补偿后的干涉强度图；
S4：利用数字全息恢复算法获得像差补偿后待测样品的幅值和相位分布。
10.根据权利要求9所述的自适应衍射相位显微成像方法，其特征在于，所述S1包括：
在相位型空间光调制器上加载无像差补偿的相位调制图案，所述无像差补偿的相位调制图案的表达式为：
其中，Wrap{·}表示对相位分布进行包裹处理，使所有相位值均处于0～2π之间；
其中，φ(x,y)表示沿着X轴正方向斜率为的二维函数，所述X轴平行于相位型空间光调制器的长轴，x0表示图像采集模块上0级衍射光的高频分量沿X轴的偏移量，λ表示发光二极管发出的光的中心波长，f表示第三薄透镜的焦距，
其中，x表示沿X轴的坐标变量，y表示沿Y轴的坐标变量，所述Y轴平行于相位型空间光调制器的短轴方向，
其中，ε表示所述相位型空间光调制器上所加载相位调制图案中0级衍射光的零频分量的半径；
使用直径等于显微物镜的横向分辨率的针孔作为样品，重建得到spinhole(x,y)表示针孔作为样品恢复得到的含有系统相差的复振幅，δ(x,y)表示二维单位脉冲函数，h(x,y)表示相干传递函数CTF(ξ,η)的空间逆傅里叶变换；
通过针孔样品准确测量成像装置的相干传递函数 其中，/>表示二维空间傅里叶变换。
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2023
- 2023-10-09 CN CN202311303900.9A patent/CN117420098B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117420098B (zh) | 2024-08-02 |
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