一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置和方法，所述装置包括第一环形光源、工业镜头、第一薄透镜、分束镜、第一镜筒透镜、显微物镜、线偏振片、第二薄透镜、空间光调制器、第三薄透镜和相位图像采集模块，其中，第一环形光源、工业镜头和第一薄透镜设置在分束镜的入射光路上，第一镜筒透镜和显微物镜设置在分束镜的反射光路上；线偏振片、第二薄透镜和空间光调制器依次设置在分束镜与第一镜筒透镜相反的一侧，且线偏振片和第二薄透镜位于空间光调制器的入射光轴；第三薄透镜和相位图像采集模块设置在空间光调制器的反射光轴。本发明专利技术可对强散射样品和不透明样品实现三维定量相位成像，且具有高的时间和空间分辨率。辨率。辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置和方法


[0001]本专利技术属于光学显微成像
，具体涉及一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置和方法，用于对强散射样品或非透明样品进行无标记、高衬度且高分辨率的原位检测。

技术介绍

[0002]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的发展，在生命医学研究及工业检测等领域具有重要的应用价值。定量相位显微镜成为多个研究领域的重要臂膀归功于以下几个方面。首先，重建得到的光学相位信息可以直接或间接地转换为样品的物理或化学特性，便于进行更深入的基础研究；其次，作为非荧光标记且非侵入式的成像方法，不需要对样品进行额外的处理，避免给样品带来不利的影响；另外，定量相位显微镜很容易实现结构和功能上的拓展，以便与其他成像系统相结合。目前，绝大多数的定量相位显微技术只适用于弱散射样品，且都是透射式成像模式，无法对厚的强散射样品或非透明样品进行三维定量成像。
[0003]尽管有研究人员提出基于反射式非对称照明的无标记定量相位显微技术，用以实现厚组织的定量相位成像。但该技术本质上还是收集了样品的前向散射信号，与透射式定量相位显微等效，对于结构致密的强散射样品而言，能否达到细胞级的分辨率尚有待证实。梯度光微分干涉显微技术结合了相移和微分干涉技术，该技术目前有透射式和反射式两种模式，可以对斑马鱼卵等厚的组织样品进行三维定量成像。然而，偏振照明光经过厚组织样品时其偏振状态会发生明显的改变，需要进行复杂的图像处理才能提高相位图像的对比度。这些数据处理方法要求图像具有高的信噪比，还会在一定程度上造成不真实的伪影结构。另外，基于多次散射模型的三维衍射层析技术通过对厚样品进行散射建模来恢复样品的三维信息。然而，建模过程中所取的近似会降低重建图像的分辨率，同时，复杂的数据处理会产生严重的伪影结构，如何与样品自身的细节进行区分仍需要进一步的验证。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置和方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术的一个方面提供了一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置，包括第一环形光源、工业镜头、第一薄透镜、分束镜、第一镜筒透镜、显微物镜、线偏振片、第二薄透镜、空间光调制器、第三薄透镜和相位图像采集模块，其中，
[0006]所述第一环形光源、所述工业镜头和所述第一薄透镜沿光传播方向依次同轴设置在所述分束镜的入射光路上，所述第一镜筒透镜和所述显微物镜沿光传播方向依次同轴设置在所述分束镜的反射光路上，所述第一镜筒透镜和所述显微物镜共焦，样品放置在所述显微物镜的前焦面；
[0007]所述线偏振片、所述第二薄透镜和所述空间光调制器按照与所述分束镜从近到远
的顺序依次设置在所述分束镜与所述第一镜筒透镜相反的一侧，且所述线偏振片和所述第二薄透镜位于所述空间光调制器的入射光轴；
[0008]所述第三薄透镜和所述相位图像采集模块依次设置在所述空间光调制器的反射光轴，所述第二薄透镜和所述第三薄透镜构成共焦系统；
[0009]所述空间光调制器能够对所述样品的非散射光进行相位调制以得到所述样品的多个干涉相移图，所述相位图像采集模块用于采集所述多个干涉相移图。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述第一环形光源由环形均匀分布的多个同型号的LED组成，且每个LED的轴线均指向所述工业镜头的中心。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述空间光调制器能够对所述样品的非散射光进行0、0.5π、π和1.5π的相位调制。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述第二薄透镜的主轴与所述空间光调制器的工作面法线之间的夹角小于5
°
，所述第三薄透镜的主轴与所述空间光调制器的工作面法线之间的夹角小于5
°
。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述样品为不透明样品或透明样品。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述基于环形光照明的落射式定量相位显微装置还包括第二环形光源，所述第二环形光源设置在所述样品远离所述显微物镜的一侧。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述基于环形光照明的落射式定量相位显微装置还包括第一二向色镜、第二镜筒透镜、第二二向色镜、荧光图像采集模块和荧光激发光源，其中，
[0016]所述第一二向色镜倾斜设置在所述第一镜筒透镜与所述显微物镜之间，
[0017]所述第二镜筒透镜和所述荧光图像采集模块同轴设置在所述第一二向色镜的一侧，所述第二二向色镜倾斜设置在所述第二镜筒透镜与所述荧光图像采集模块之间，
[0018]所述荧光激发光源用于产生平行光，且所述平行光能够依次经过所述第二二向色镜、所述第二镜筒透镜和所述第一二向色镜入射到所述显微物镜中。
[0019]本专利技术的另一方面提供了一种基于环形光照明的落射式定量相位显微方法，包括：
[0020]S1：利用上述实施例中任一项所述的基于环形光照明的落射式定量相位显微装置获得样品的多个干涉相移图；
[0021]S2：根据多个所述干涉相移图计算获得所述样品的相位信息。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，所述S1包括：
[0023]S11：打开照明光源；
[0024]S12：通过空间光调制器对样品的非散射光进行0、0.5π、π和1.5π的相位调制；
[0025]S13：利用相位图像采集模块记录样品在所述相位调制下对应的干涉相移图。
[0026]在本专利技术的一个实施例中，所述S2包括：
[0027]S21：获取相位图像采集模块探测到的各个所述干涉相移图的总光强分布：
[0028][0029]其中，表示空间光调制器对样品非散射光调制的相位，I0(x,y)表示非散射光的总强度，I
s
(x,y)表示散射光的总强度，Γ(x,y)表示散射光与非散射光之间的二维互相干函数，表示样品对光场的相位调制函数；
[0030]S22：利用所述总光强分布计算得到样品的相位分布：
[0031][0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0033]1、本专利技术的落射式定量相位显微装置可对强散射样品和不透明样品实现三维定量相位成像，无论样品是强散射样品还是不透明样品，产生的散射光和非散射光经过完全相同的光路，因此，本实施例的落射式定量相位显微装置对外界环境扰动具有非常好的免疫抵抗力，有利于活体样品的长时间稳定成像；其次，由于落射式照明采用很多环形均匀分布的LED进行多角度的倾斜照明，系统的空间分辨率和信噪比得到了显著的提升，极大地提高了图像质量和空间分辨率，该装置仅用一个由LED组成的简单环形照明光源就实现了多角度的倾斜照明，降低了系统的成本和复杂度；另外，该落射式定量相位显微装置的落射式照明使样品更多的轴向频谱信息进入成像系统，极大地提高了装置的轴向分辨率，有利于强散射样品的三维成像；由廉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环形光照明的落射式定量相位显微装置，其特征在于，包括第一环形光源(1)、工业镜头(2)、第一薄透镜(3)、分束镜(4)、第一镜筒透镜(5)、显微物镜(6)、线偏振片(8)、第二薄透镜(9)、空间光调制器(10)、第三薄透镜(11)和相位图像采集模块(12)，其中，所述第一环形光源(1)、所述工业镜头(2)和所述第一薄透镜(3)沿光传播方向依次同轴设置在所述分束镜(4)的入射光路上，所述第一镜筒透镜(5)和所述显微物镜(6)沿光传播方向依次同轴设置在所述分束镜(4)的反射光路上，所述第一镜筒透镜(5)和所述显微物镜(6)共焦，样品(7)放置在所述显微物镜6的前焦面；所述线偏振片(8)、所述第二薄透镜(9)和所述空间光调制器(10)按照与所述分束镜(4)从近到远的顺序依次设置在所述分束镜(4)与所述第一镜筒透镜(5)相反的一侧，且所述线偏振片(8)和所述第二薄透镜(9)位于所述空间光调制器(10)的入射光轴；所述第三薄透镜(11)和所述相位图像采集模块(12)依次设置在所述空间光调制器(10)的反射光轴，所述第二薄透镜(9)和所述第三薄透镜(11)构成共焦系统；所述空间光调制器(10)能够对所述样品(7)的非散射光进行相位调制以得到所述样品(7)的多个干涉相移图，所述相位图像采集模块(12)用于采集所述多个干涉相移图。2.根据权利要求1所述的基于环形光照明的落射式定量相位显微装置，其特征在于，所述第一环形光源(1)由环形均匀分布的多个同型号的LED组成，且每个LED的轴线均指向所述工业镜头(2)的中心。3.根据权利要求1所述的基于环形光照明的落射式定量相位显微装置，其特征在于，所述空间光调制器(10)能够对所述样品(7)的非散射光进行0、0.5π、π和1.5π的相位调制。4.根据权利要求1所述的基于环形光照明的落射式定量相位显微装置，其特征在于，所述第二薄透镜(9)的主轴与所述空间光调制器(10)的工作面法线之间的夹角小于5
°
，所述第三薄透镜(11)的主轴与所述空间光调制器(10)的工作面法线之间的夹角小于5
°
。5.根据权利要求1所述的基于环形光照明的落射式定...

【专利技术属性】
技术研发人员：马英，马琳，郜鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：