CN204116710U - 一种两步衍射相位成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种两步衍射相位成像系统，利用光栅的衍射特性以及空间光调制器的滤波作用，将0级衍射光先后与+1级和-1级衍射光相干涉形成两幅干涉图样，然后计算两干涉图样之差，并运用希尔伯特变换恢复样品的相位信息，实现快速相位成像。该成像系统适用于所有的离轴干涉，包括轻微离轴干涉，采用共几何光路，具有高度的稳定性；在相位恢复运算中，采用简单的代数运算消除背景光，无需高通滤波，不仅样品高频信息保留完整，而且相位运算速率快。本实用新型在相位显微方面具有广泛的实用价值与应用前景，特别是在透明样品，如生物细胞相位成像以及相位测量等应用领域。
Description
技术领域
本实用新型属于干涉显微成像技术领域，具体涉及一种基于光栅衍射的两步衍射相位显微成像技术。
背景技术
光学显微技术为微观事物的观察开启了一扇大门，在生物学以及医学等领域发挥了重要作用。众多的生物样品，如活细胞，大部分是透明的，表现为相位物体。利用相位与强度之间转换的相位成像技术可对这些样品进行无损伤的清晰成像。目前，干涉相位显微技术是其中的主流技术，具有测量速度快、分辨率高等优点。
2004年美国Gabriel Popescu教授提出傅里叶相位显微技术，利用样品的散射光与非散射光分别作为物场与参考场，使之发生共几何光路同轴干涉，结合相移技术，采集多幅干涉图以实现相位成像。类似技术还有美国专利技术US2009290156 (A1)（空间光干涉显微镜与细胞组织的傅里叶变换光散射传输方法）。该类技术相位成像高度稳定，相位恢复运算简便，不足的是精确调控相移在实际中是比较困难的，而且多次相移也不利于样品的动态实时测量。相比之下，离轴干涉具有单次拍摄特性，可以很好地用于相位物体快现象的研究。如麻省理工学院专利技术CN20110374950.7（用于希尔伯特相位成像的系统和方法），它基于典型的马赫-曾德尔干涉光路，利用希尔伯特积分变换处理单幅干涉图以实现干涉相位成像。又如2006年瑞士Lyncee Tec SA公司基于离轴干涉首次推出了数字全息显微镜（DHM-1000），可直接观测样品的三维形貌和相位分布。然而此类技术中物光与参考光采用分离光路干涉，易受外界振动、环境干扰等影响。对此，共光路的离轴干涉相位成像被提出。如衍射相位显微技术以及它的延伸技术利用光栅的衍射特性在不牺牲稳定性的前提下，实现了快速成像。但它与其他离轴干涉一样，不能够充分利用CCD的分辨率和空间带宽，而且在相位恢复过程中需要通过高通滤波消除背景像，容易造成高频信息的缺失。为解决这两问题，一类结合相移技术的轻微离轴干涉技术被提出，如美国杜克大学Adam Wax教授通过控制两偏振片实现的两步轻微离轴干涉。该技术在相位恢复运算中采用两干涉图样相减消除不需要的背景像，无需高通滤波保证了样品信息的完整。但是相移需要事后通过拟合背景条纹确定，一定程度上增加了相位恢复的复杂性。另外，此技术采用的是双光路的干涉显微，不具备共光路优势。
综上所述，现有技术中离轴干涉相位显微可从单幅干涉图解调相位信息，但离轴干涉不能充分利用CCD空间带宽，且常用的背景像高通滤波也会造成高频信息缺失；虽然也有一些技术，如文中提到的Adam Wax提出的两步轻微离轴干涉可解决上述的问题，但采用的是双光路干涉成像系统，不稳定，且需要器件来实现相移，并需对其进行单独测量。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种两步衍射相位成像系统，以充分利用CCD空间带宽和免除背景像高通滤波，使同时适用于离轴干涉和轻微离轴干涉，增强相位成像的稳定性、精确度和效率。
为了解决以上技术问题，本实用新型利用光栅衍射特性的两步衍射相位成像技术，采用的具体解决方案如下：
一种两步衍射相位成像系统，光路采用类衍射相位成像光路：沿着激光器(1)的输出方向依次连接偏振片(2)以及由第一透镜(3)、针孔空间滤波器(4)与第二透镜(5)组成的扩束准直系统，然后依次连接由样品(6)、可调载物台(7)、显微物镜(8)及反射镜(9)组成的显微系统，形成放大的显微像；沿着显微系统后的出射光束依次放置有中继镜(10)、光圈(11)和置于成像屏IP上的光栅(12)，分成了许多级包含显微图像信息的衍射光；然后各级衍射光通过设定的空间频率滤波系统分离出所需的衍射光，并相干涉，在CCD(18)上形成干涉图样；其特征在于：还包括沿着衍射光束传播方向依次由第三透镜(13)、空间光调制器(14)、第一挡板(16)、第二挡板(17)与第四透镜(15)组成的标准4f空间滤波系统；所述空间光调制器(14)位于第三透镜(13)傅里叶平面FP上，有3个滤波窗口，分别只允许+1级、0级与-1级衍射光束通过；所述第一挡板(16)与第二挡板(17)结构完全相同，分别位于-1级和+1级衍射光在傅里叶平面FP 聚焦区域位置处，用于挡住-1级和+1级衍射光通过。
所述光栅(12)的光栅常量依据具体要求刻制，以实现离轴干涉和轻微离轴干涉，因为两相干涉光波倾斜角由光栅常量决定。
所述第一挡板(16)挡住空间光调制器(14) 中-1级滤波窗口，经过第三透镜(13)的出射衍射光束向前传输至空间光调制器(14)，+1级衍射光全部通过，如图中实黑线所示，0级衍射光低通滤波，如图中虚线所示，这两光束分别作为物光与参考光，然后继续向前传输透过第四透镜(15)，在CCD(18)上形成第一幅干涉图样。当撤掉第一挡板(16)，采用第二挡板(17)挡住空间光调制器(14) 中+1级滤波窗口，选取出-1级与0级衍射光，分别如图中双点划线和虚线所示，且分别作为物光与参考光，在CCD(18)上形成第二幅干涉图样。这样可进行两幅干涉图样的采集。
所述两干涉图进行相减可消除背景光，并对其结果进行希尔伯特变换可提取相位信息，这样就实现了两步衍射相位成像。
本实用新型的工作原理如下：激光器发出的光束沿着竖直方向向前传输透过偏振片，保证光束为线偏振光，然后传输通过由第一透镜、针孔空间滤波器与第二透镜组成的扩束准直系统，经扩束准直后的光束入射至由样品、可调载物台、显微物镜及反射镜组成的显微系统，从而形成放大的显微像；经显微系统出射的光束已转为平行光束，然后沿着水平方向继续传输至中继镜进行校正处理，之后通过光圈进行光束控制，并把显微图像复制到成像屏上。同时一光栅置于成像屏IP上，可获取包含图像全部空间信息的多级衍射，然后衍射光通过由第三透镜、空间光调制器与第四透镜组成的标准4f空间滤波系统分离出+1级与0级衍射光或是-1级与0级衍射光。具体为：首先采用第一挡板挡住空间光调制器中-1级衍射光滤波窗口，只允许+1级衍射光全部通过，0级衍射光低通滤波。根据空间滤波的特性，图像的精细结构以及突变部分主要是由高频成分所引起，由此经低通滤波的0级衍射光丢失了图像的高频信息，那么经所述滤波系统后的0级和+1级衍射光可分别作为参考光和样品光，然后在CCD上形成干涉图样。其次撤掉第一挡板，采用第二挡板挡住空间光调制器中+1级衍射光滤波窗口，分离出的0级与-1级衍射光，并在CCD上形成第二幅干涉图样。然后两干涉图样相减消除不需要的背景光强，对其结果应用希尔伯特变换获取与样品相关的复解析信号，最后解调出样品相位，从而完成相位成像。
本实用新型具有有益效果。1、本实用新型采用类似衍射相位显微成像光路，具有共光路特征，高度稳定，实验可重复进行；2、本实用新型采用合适的空间光调制器先允许光栅衍射+1级与0级光通过并形成第一幅干涉条纹，然后允许光栅衍射-1级与0级光通过并形成第二幅干涉条纹，无需相移，从而避免了相移精确调控的困难；3本实用新型通过选择不同的衍射光栅参数，可实现完全离轴和利用CCD空间带宽的轻微离轴干涉的切换；4、本实用新型在解调干涉图样中的相位信息过程中，选用代数运算消除背景光，无需高通滤波，不仅相位运算速率快，而且保证了样品信息的完整。因此本实用新型应用面广，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本实用新型两步衍射相位成像系统对应的光路示意图。
图中：1：激光器；2：偏振片；3：第一透镜；4：针孔空间滤波器；5：第二透镜；6：样品；7：可调载物台；8：物镜；9：反射镜；10：中继镜；11：光圈；
12：光栅；13：第三透镜；14：空间光调制器；15：第四透镜；16：第一挡板；17：第二挡板；18：CCD；IP：成像平面；FP：傅里叶平面；+1：+1级衍射光滤波窗口；-1：-1级衍射光滤波窗口；0级：-1级衍射光滤波窗口；实黑线为+1级衍射光线；虚线为0级衍射光线；双点划线为-1级衍射光线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，为本实用新型的两步衍射相位成像系统光路图，是利用光栅的衍射特性和空间滤波系统实现的。
激光器1发出的光束通过偏振片2转换为完全的线偏振光，然后入射至由第一透镜3、针孔空间滤波器4与第二透镜5组成的扩束准直系统的光接受面，经扩束准直系统后的出射光束向前传输至样品6及可调载物台7，从而成为携带样品信息的光束，然后通过显微物镜8进行放大并继续向前传输至反射镜9转为平行光束。其中样品6、可调载物台7、显微物镜8与反射镜9可看作为一倒置的显微镜系统。通过显微镜系统的出射光束沿着水平方向依次向前传输通过中继镜10进行校正处理和通过光圈11进行光束控制，然后继续向前传输至成像屏IP，那么经显微镜系统放大的显微像已复制到成像屏IP上。同时光栅12置于成像屏IP上，经光栅衍射，可分成许多级包含显微图像信息的衍射光，然后衍射光继续沿着水平方向向前传输通过由第三透镜13、空间光调制器14与第四透镜15组成的标准4f空间滤波系统。其中空间光调制器14位于第三透镜的傅里叶平面FP上，有3个滤波窗口：依次为+1级、0级与-1级衍射光滤波窗口，用于分离出+1级与0级衍射光或是-1级与0级衍射光。具体操作如下：首先，采用第一挡板16挡住空间光调制器14 中-1级滤波窗口，经过第三透镜13的出射衍射光束向前传输至空间光调制器14，+1级衍射光全部通过，如图中实黑线所示，0级衍射光低通滤波，如图中虚线所示，这两光束分别作为物光与参考光，然后继续向前传输透过第四透镜15，在CCD18上形成第一幅干涉图样。其次，撤掉第一挡板16，采用第二挡板17挡住空间光调制器14 中+1级滤波窗口，选取出-1级与0级衍射光，分别如图中双点划线和虚线所示，且分别作为物光与参考光，在CCD18上形成第二幅干涉图样。这样就完成了两幅干涉图样的采集。继而计算两干涉图样之差消除不需要的背景光，然后对其结果进行希尔伯特变换，从而可获得样品的定量相位信息。这样也就完成了本实用新型的两步衍射相位成像。
所述的光栅12光栅常量这个几何参数决定了光栅+1级以及-1级衍射光的衍射角，从而决定了干涉图样的载波频率，也就决定了干涉记录方式：完全离轴以及轻微离轴干涉。
Claims (2)
1.一种两步衍射相位成像系统，光路采用类衍射相位成像光路：沿着激光器(1)的输出方向依次连接偏振片(2)以及由第一透镜(3)、针孔空间滤波器(4)与第二透镜(5)组成的扩束准直系统，然后依次连接由样品(6)、可调载物台(7)、显微物镜(8)及反射镜(9)组成的显微系统，形成放大的显微像；沿着显微系统后的出射光束依次放置有中继镜(10)、光圈(11)和置于成像屏IP上的光栅(12)，分成了许多级包含显微图像信息的衍射光；然后各级衍射光通过设定的空间频率滤波系统分离出所需的衍射光，并相干涉，在CCD(18)上形成干涉图样；
其特征在于：还包括标准4f空间滤波系统，所述标准4f空间滤波系统沿着衍射光束传播方向依次由第三透镜(13)、空间光调制器(14)、第一挡板(16)、第二挡板(17)与第四透镜(15)组成；所述空间光调制器(14)位于第三透镜(13)傅里叶平面FP上，有3个滤波窗口，分别只允许+1级、0级与-1级衍射光束通过；所述第一挡板(16)与第二挡板(17)结构完全相同，分别位于-1级和+1级衍射光在傅里叶平面FP 聚焦区域位置处，用于挡住-1级和+1级衍射光通过。
2.根据权利要求1所述的一种两步衍射相位成像系统，其特征在于：所述光栅(12)的光栅常量依据具体要求刻制，以实现离轴干涉和轻微离轴干涉，因为两相干涉光波倾斜角由光栅常量决定。
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