单帧光强传输定量相位显微系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单帧光强传输定量相位显微系统及其方法，利用迈克尔逊结构实现分光，并采用空间光调制器进行数字离焦，从而可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，将采集到的一系列光强分布通过求解光强传输方程，可实现相位信息的定量获取。本发明专利技术可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，大大提高了系统的采集速度以及准确度，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，利用迈克尔逊结构实现分光，并采用空间光调制器进行数字离焦，从而可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，将采集到的一系列光强分布通过求解光强传输方程，可实现相位信息的定量获取。本专利技术可避免传统方法中采集离焦强度图像所引入的机械移动，大大提高了系统的采集速度以及准确度，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。【专利说明】
本专利技术属于光学测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程的动态定量显微 成像装置及其方法。
技术介绍
相位恢复是光学测量与成像技术的一个重要课题，无论在生物医学还是工业检测 领域，相位成像技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量近半个世纪的进展，最经典的相 位测量方法应该非干涉测量法莫属。然而，干涉测量法的缺点也十分明显：干涉测量一般需 要高度相干性的光源（如激光），从而需要较为复杂的干涉装置；额外的参考光路的引入导 致对于测量环境的要求变得十分苛刻；高相干性的光源引入的散斑相干噪声限制了成像系 统的空间分辨率与测量精度。 不同与干涉测量，另一类非常重要的相位测量技术并不需要借助干涉，它们统称 为相位恢复。由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅/强度十分 容易。因此，可以将由强度分布来恢复（估算）相位这一过程考虑为一个数学上的"逆问 题"，即相位恢复问题。相位恢复方法还可细分为迭代法与直接法。光强传输方程法是相位 恢复方法中的一种典型的直接法。光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，其阐明了沿 着光轴方向上光强度的变化量与光轴垂直的平面上光波的相位的定量关系。在光强轴向 微分以及光强分布已知的情况下，通过数值求解光强传输方程可直接获取相位信息。相比 与干涉法与迭代相位恢复法，其主要优点包括：（1)非干涉，仅仅通过测量物面光强直接求 解相位信息，不需要引入额外参考光；(2)非迭代，通过直接求解微分方程获得相位；（3)可 以很好的应用于白光照明，如传统明场显微镜中的科勒照明（K6hler illumination) ; (4) 无需相位解包裹，直接获取相位的绝对分布，不存在一般干涉测量中的2 相位包裹问题； (5)无须复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，振动不敏感。 光强传输方程法需要采集不同离焦面上的光强信息。为了采集这些离焦光强 图像，通常需要采用一个4f系统对物体进行成像（ L. Wal Ier，Y. Luo, S. Y. Yang, and G. Barbastathis, ''Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope, 〃0pt. Lett. 35, 2961-2963(2010).)，光路结构如图I所示。其中光源经过扩束 准直后照射物平面上的待测物体，经过傅里叶变换透镜L1在透镜后焦面，即傅里叶变换平 面（频谱面）形成物体的傅里叶变换频谱，经过频谱滤波后通过傅里叶变换透镜L2，在像面 形成物体的像。由于4f系统中物象呈严格共轭关系，所以通过移动物平面或者移动图像平 面（相机）都可以获得物体离焦面上的光强信息。这两种方式在本质上是等价的，但考虑 横向与轴向放大率之间的关系，物面离焦距离与相面离焦距离之间的比例会相差f22/f?的 比例系数。 图1所示的4f系统相比于单个透镜的成像系统，最大的特点在于其远心光路结 构。传统非远心成像系统仅仅采用透镜L1进行成像，在成像面会产生额外的球面像差，这 将会导致光学系统的放大率随着离焦距离的变化而改变，从而使问题复杂化。其实这个问 题在显微镜的设计中早已被考虑到了。远心光路的成像结构在显微镜中又称为无限远校正 光学系统，如图2所示。无限远校正光学系统中，标本通过物镜的光线不再由物镜成像，而 是作为无限远的平行光束进入镜筒透镜（tube lens)，由镜筒透镜成像。由于物镜与镜筒 透镜之间为平行光线，其具有下述优点：改变成像面距离，倍率不会改变；物镜与成像透镜 之间插入平行平板元件（如偏振光学元件，滤波片等），也能保持齐焦，成像不会发生偏移。 对比图1与图2,可建立如下联系图1的准直透镜等价于无穷远校正显微镜中的聚光镜，而 透镜L1等价于显微镜中的显微物镜，透镜L2等价于显微镜中的镜筒透镜，显微镜内部参数 之间的关系如图右侧所示。其中镜筒透镜焦距范围取决于不同的制造商，一般在160至200 毫米之间。所以本质上而言，无穷远校正显微镜本身就是一套理想的远心成像系统，所以可 直接将显微镜采集的光强图像用于光强传输方程相位恢复。只需要简单地移动显微镜的载 物台，或者移动显微镜相机接口处的相机平面，就可以获得不同聚焦面上的等倍率的离焦 光强图像了。 算法的非迭代性是光强传输方程法固有的一大优势，然而该方法本身需要获得光 强的轴向微分，从而需要采集两个或多个与光轴垂直的平面上的光强分布，正如前面介绍 的系统，这一般需要通过移动待测物体或者相机实现。这无可避免地降低了数据采集的速 度，使该方法难以应用于高速、动态、甚至实时测量场合，从而丧失了其相对于迭代相位恢 复方法的最大优势。针对此问题，近年来，关于改进光强传输方程法强度记录方式的研究 也层出不穷，它们共同的目的是避免强度图像采集中所引入的机械移动：如通过体全息分 束形成多幅强度图像（L. Waller, Y. Luo, S. Y. Yang, and G. Barbastathis, "Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope, ^Opt. Lett. 35, 2961-2963(2010).)，通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取三 幅光图像（L. Waller, S. S. Kou, C. J. R. Sheppard, and G. Barbastathis, "Phase from chromatic aberrations, 〃0pt. Express 18, 22817-22825 (2010) ?)，通过微流体设备使样 品自动离焦（ S. S. Gorthi and E. Schonbrun，''Phase imaging flow cytometry using a focus-stack collecting microscope, "Opt. Lett. 37, 707-709(2012).)等。尽管这些方法 可以避免采取强度图像所引入的机械移动，但相位重建的准确度上仍然较低，且需要特殊 的成像元件，如体全息与流式细胞仪，降低了这些系统的实用性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单巾贞光强传输定量相位显微系统及其方法，以解决基 于光强传输方程的定量相位显微成像问题，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓 变物体拓展到高速动态物体，实现高速高分辨率的三维定量相位显微成像。 实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种单巾贞光强传输定量相位显微系统，包括 显微成像系统，所述的显微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单帧光强传输定量相位显微系统，包括显微成像系统(1)，所述的显微成像系统(1)包括集光镜(3)、聚光镜孔径光阑(4)、聚光镜(5)、待测样品(6)、显微物镜(7)、第一反射镜(8)、与镜筒透镜(9)，其中集光镜(3)将照明光汇聚到聚光镜孔径光阑(4)，聚光镜孔径光阑(4)大小可调，控制照明的通光孔径，光通过聚光镜孔径光阑(4)发散后又被聚光镜(5)收集后照射样品，透射过样品的光被显微物镜(7)收集，并经过镜筒透镜(9)放大后成像在显微镜相机端口的图像平面(10)；其特征在于该相位显微系统还包括一个包含空间光调制器的迈克尔逊结构的分光系统(2)，该分光系统(2)包括光阑(11)、第一透镜L1(12)、第二透镜L2(16)、非偏振分束器(13)、第二反射镜(14)、空间光调制器(15)以及单色CCD相机(17)，第一透镜L1(12)和第二透镜L2(16)的焦距f＝f1＝f2；所述的显微镜相机端口的图像平面(10)的光经过光阑(11)限制通过孔径后，首先经过第一透镜L1(12)，然后被一非偏振分束器一分二，透射光束与反射光束在各自的傅里叶平面处分别被空间光调制器(15)与第二反射镜(14)所反射后通过第二透镜L2(16)成像在CCD相机(17)上；第一透镜L1(12)到显微镜图像平面(10)的端口的距离为f1，第二透镜L2(16)到CCD相机(17)成像平面的端口的距离为f2，两透镜之间的沿光轴距离是f1+f2；第二反射镜(14)放置于4f系统的反射傅里叶平面，空间光调制器(15)放置于4f系统的透射傅里叶平面，即位于光路中的第一透镜L1(12)和第二透镜L2(16)之间，它们距离第一透镜L1(12)的轴向距离均为f1，距离第二透镜L2(16)的轴向距离均为f2。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钱，左超，冯世杰，孙佳嵩，胡岩，陶天阳，顾国华，张玉珍，喻士领，张良，张佳琳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32