本发明专利技术公开了一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法，包括激光器、光强控制单元、显微物镜、第一薄透镜、反射镜、光栅、第二薄透镜、针孔滤波器、偏振片和CMOS相机。本发明专利技术还公开了一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微方法。该点衍射数字全息显微装置和方法具有稳定性高、可实时振幅/相位成像等优点，可以被广泛应用于生物医学成像、工业检测等多个领域。
【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法
本专利技术属于显微成像
，具体地说，涉及一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法。
技术介绍
自从17世纪光学显微镜出现以来，光学显微技术已经成为人们观测微观世界的重要手段。然而，传统的光学显微只能获取观察样品的强度信息，对于透明样品则是无能为力。为克服传统光学显微镜成像对比度较低的缺点，荧光显微技术，利用化学染料或荧光蛋白对细胞进行特异性标记，可实现对细胞特定结构或功能集团的高衬度、选择性成像。因此，人们越来越渴望能专利技术一种可在自然状态下观察细胞的成像技术。相位成像，作为一种无标记的显微技术应运而生，该技术利用光波除振幅之外的另一重要特性——相位，不仅可以高衬度地观测透明样品，还可以定量获得物体三维形貌、内部结构与折射率分布等信息。然而，与传统强度成像不同，相位分布是肉眼看不见的，必须采用特殊的成像手段才能获得。夏克-哈特曼(Shack-Hartman)波前传感器，通过测量带有畸变波前经微透镜阵列后各个子焦点的偏移量，可以重构出经微透镜阵列前的波前分布。然而，该方法受到微透镜物理尺寸的限制，其空间分辨率很低，因此很少应用于显微领域。1942年，泽尼克提出采用环状光源照明样品，同时采用一环状相位板延迟物光波零频分量的相位，从而将样品的相位信息转换为强度信息，实现了相衬显微。随后，Normarski提出了微分干涉相衬显微技术，该技术将物光被分成平行的两份，两份光在某方向上错开一定的距离从而发生干涉。干涉图样反应的是被测相位在剪切方向上的导数。这两种显微技术都提高了透明样品在显微镜下的图像衬度。然而，这两种技术中，图像的强度与样品的相位之间存在非线性的对应关系，从相衬图像中无法获得样品真实的相位分布。单光束相位显微技术，通过施加一定的约束，使得样品的相位分布在衍射过程中转化为强度调制。通过一定的算法可以从衍射图样中恢复原先的相位信息。例如，基于光强传输方程(TransportofIntensityEquation,TIE)的相位测量技术，通过记录焦平面附近、具有不同离焦量的三幅强度图像，无需迭代运算即可定量获取被测光波的相位信息。该方法具有非干涉、结构简单、适用于部分相干照明、无需相位解包裹等优点。空域叠层成像(Psychography)技术，通过移动一聚焦光束照明样品的不同部位，并记录相应的衍射图像，利用迭代算法可从衍射图像中恢复样品的相位信息。傅里叶叠层显微成像(FourierPsychographicMicroscopy,FPM)技术，将相位恢复与合成孔径相结合，通过记录不同角度下的低分辨图像，并利用迭代算法获得大视场和高分辨的振幅和相位图像。该方法不需要精密的机械扫描装置，但是仍需要拍摄大量的强度图像和繁杂的计算过程来再现相位，这制约了FPM在高速和实时成像方面的发展。总体上讲，基于光波衍射约束的单光束相位成像的精度远低于光学干涉的相位精度。数字全息显微技术，将光学干涉和光学显微技术相结合，利用物光与参考光之间的干涉来恢复待测样品的振幅和相位信息。该技术具有很高的相位测量精度，例如，可以达到λ/100。然而，该方法需要使用相干性较好的光源来满足物光和参考光之间的相干条件，也因此带来了散斑噪声降低了成像质量。此外，该方法需要引入额外的参考光路，不仅使得光路比较复杂，而且使得实验对环境的振动十分敏感。因此，数字全息显微对实验环境提出了尤为苛刻的要求。Popescu提出了一种物参共路的离轴点衍射相位显微方法，实现了对生物细胞的实时定量测量。该方法利用一衍射光栅将物光分成两份，其中一份经过频谱面上的针孔滤波后变成参考光，另外一份仍被用作物光；利用物光和参考光之间的干涉图样可以再现出被测样品的振幅和相位信息。在该光路中，物光和参考光经历了完全相同的光学路径，因此克服了环境扰动对测量结果的影响。2010年我们提出了一种基于双光栅的同轴点衍射相位显微方法，通过第一个光栅实现分光，同时通过沿光栅矢量方向移动第二个光栅中可以实现相移。与传统的离轴点衍射相位显微方法相比，该方法采用同轴光路，提高了相位成像的空间分辨率。然而，需要说明的是：现有的点衍射相位显微技术，都是通过对物光波进行滤波形成参考光，因此参考光的光强与被测样品有关，无法保证所有样品的干涉图样都有高的条纹对比度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法，可用于测量微小物体的三维形貌或折射率分布。该光路具有抗振动性好、可实时振幅/相位定量显微成像、结构简单等优点。其技术方案如下：一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，包括激光器1、光强控制单元2、待测样品3、显微物镜4、第一薄透镜5、反射镜6、光栅7、第二薄透镜8、第一针孔滤波器9、偏振片10和CMOS相机11，待测样品3放在由显微物镜4和第一薄透镜5组成的望远镜系统的前焦面上，放大的实像将出现在该系统的后焦面上。光栅7放在样品的像面，并且被透镜8成像到CMOS相机11上。此时，光栅7和CMOS相机感光面满足成像关系：此处，f′为第二薄透镜8的焦距，l为光栅7到第二薄透镜8的距离，l′为CMOS接收面到第二薄透镜8的距离。第一针孔滤波器9放置在第二薄透镜8的后焦平面处，对-1级衍射光进行针孔滤波，形成不再含有物光信息的光束，作为参考光。进一步，所述激光器1发出的激光为线偏振光，或偏振度大5：1的椭圆偏振光。进一步，所述光强控制单元2，由一连续可调衰减器和一个1/4波片组成。当偏振片10的偏振方向与激光器1的偏振方向垂直时，通过旋转1/4波片可以调整物光和参考光的相对光强。进一步，所述光栅7为偏振衍射光栅，将入射光向±1级衍射(其它衍射级光强较小，可以忽略)，其±1级衍射光的偏振态不同(例如：±1级分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)，两者光强随着入射光的偏振变化而出现相反的变化趋势(一个增大，另一个则减小；反之亦然)。为了保证物光波高频分量不因衍射分光而丢失，光栅7的周期应小于2Mδ。这里M、δ分别为纤维物镜4和第一薄透镜5组成望远镜系统的放大率和空间分辨率。进一步，第一针孔滤波器9由一个“大孔”和一个“小孔”组成，分别对±1级衍射光的频谱进行滤波。其中，“大孔”不改变+1级衍射光的频谱(被用作物光)，“小孔”对-1级衍射光进行低通滤波(仅保留零频分量)，形成不再含有物光信息的光束，作为参考光。进一步，偏振片10，使得+1衍射光(物光)和-1级衍射光(参考光)具有相同的偏振方向，以便物光和参考光能发生干涉。进一步，CMOS相机11用于接收+1衍射光(物光)和-1级衍射光(参考光)干涉产生的干涉图样。相机的像素大小应小于物光和参考光形成干涉条纹周期的1/3。本专利技术所述基于偏振光栅的点衍射数字全息显微方法，包括以下步骤：步骤1、打开激光器1和CMOS相机11，通过调节光强控制单元2中的连续衰减器使得CMOS相机11中光强达到接近饱和状态。步骤2、放置待测样品3放置于显微物镜4的前焦面位置，通过轴向调节本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，其特征在于：包括激光器(1)、光强控制单元(2)、待测样品(3)、显微物镜(4)、第一薄透镜(5)、反射镜(6)、光栅(7)、第二薄透镜(8)、第一针孔滤波器(9)、偏振片(10)和CMOS相机(11)，待测样品(3)放在由显微物镜(4)和第一薄透镜(5)组成的望远镜系统的前焦面上，放大的实像将出现在该系统的后焦面上；光栅(7)放在样品的像面，并且被第二薄透镜(8)成像到CMOS相机(11)上，光栅(7)和CMOS相机感光面满足成像关系：
【技术特征摘要】
1.一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，其特征在于：包括激光器(1)、光强控制单元(2)、待测样品(3)、显微物镜(4)、第一薄透镜(5)、反射镜(6)、光栅(7)、第二薄透镜(8)、第一针孔滤波器(9)、偏振片(10)和CMOS相机(11)，待测样品(3)放在由显微物镜(4)和第一薄透镜(5)组成的望远镜系统的前焦面上，放大的实像将出现在该系统的后焦面上；光栅(7)放在样品的像面，并且被第二薄透镜(8)成像到CMOS相机(11)上，光栅(7)和CMOS相机感光面满足成像关系：此处，f′为第二薄透镜(8)的焦距，l为光栅(7)到第二薄透镜(8)的距离，l′为CMOS接收面到第二薄透镜(8)的距离；第一针孔滤波器(9)放置在第二薄透镜(8)的后焦平面处，对-1级衍射光进行针孔滤波，形成不再含有物光信息的光束，作为参考光。
2.根据权利要求1所述的基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，其特征在于：所述激光器(1)发出的激光为线偏振光，或偏振度大5：1的椭圆偏振光。
3.根据权利要求1所述的基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，其特征在于：所述光强控制单元(2)，由一连续可调衰减器和一个1/4波片组成；当偏振片(10)的偏振方向与激光器(1)的偏振方向垂直时，通过旋转1/4波片调整物光和参考光的相对光强。
4.根据权利要求1所述的基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置，其特征在于：所述光栅(7)为偏振衍射光栅，将入射光向±1级衍射，所述偏振衍射光栅的衍射具有偏振特性，±1级的光强随着入射光的偏振变化而出现相反的变化趋势，光栅(7)的周期应小于2Mδ；这里M、δ分别为显微物镜(4)和第一薄透镜(5)组成望远镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：郜鹏，温凯，郑娟娟，马英，刘立新，王宇，张美玲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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