基于部分相干结构光照明的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部分相干结构光照明的定量相位显微装置和方法，所述装置包括环形光源以及沿光路方向依次设置的结构光调制模块、照明物镜、探测物镜、空间光调制模块以及图像采集模块，其中，环形光源用于产生部分相干的环形光束；结构光调制模块用于对环形光束进行结构化的调制，获得

【技术实现步骤摘要】
基于部分相干结构光照明的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
，具体涉及一种基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置和方法，用于对比较厚的散射样品进行高分辨率无标记检测。

技术介绍

[0002]光学显微镜作为非侵入式的成像技术，对活体样品的探测具有很大优势，因此，光学显微镜在生命科学研究领域扮演着重要的角色。大部分生物样品是半透明或全透明的，传统的光学明场显微镜无法探测其内部结构。荧光显微镜可以对透明样品进行高分辨率且高对比度的选择性成像，空间分辨率也已达到几十纳米，为生命过程的研究提供了强有力的技术手段。但是荧光显微技术存在很多应用上的限制。首先，荧光标记会对活细胞内的细胞器造成不良的影响，长时间或高频率的荧光激发会引起细胞死亡；其次，受荧光标记物及光学器件的限制，能同时稳定标记的细胞器只有三到四种，利用荧光显微镜无法对活细胞内的复杂生命过程进行全方位地探测；另外，荧光物质在受激发时会产生过氧离子，对活细胞存在光毒性，同时，荧光物质受激发时存在光漂白性。因此，很难用荧光显微镜在天然状态下对活体样品进行长时间的动态观察。
[0003]相比于荧光显微镜，定量相位显微成像技术无需荧光标记就可以对活细胞内的透明细胞器和物质进行高衬度且定量化的相位成像，可以获得样品的结构及折射率分布等信息。数字全息显微技术是经典的无标记定量相位显微成像方法，只需要通过单次数据采集就可定量获得散射样品对照明光波的幅值和相位调制函数。然而，为了提高空间分辨率，需要对同一样品进行环形扫描照明，极大地降低了成像的速度，并且后期需要比较繁杂的图像处理才能减少环境扰动及激光散斑对图像质量的影响。科研人员进一步提出了基于同轴点衍射的物参共路数字全息显微技术及基于偏振衍射光栅的点衍射数字全息显微技术，然而，这些装置中的照明光源依旧是相干性很高的激光器，图像质量极易受激光散斑的不利影响，且空间分辨率和时间分辨率依旧是相互制约的。
[0004]基于迭代计算的衍射定量相位显微技术由于成本低得到了快速的发展。该类技术的系统结构非常简单，只需要对记录得到的衍射图像进行一系列迭代计算就可定量获得透明样品的结构信息。叠层衍射成像(Ptychographic Iterative Engine，PIE)及傅立叶叠层显微成像(Fourier Ptychographic Microscope，FPM)是最具有代表性的两种衍射定量相位显微技术，它们整合了光学合成孔径和相位恢复，极大地提高了光学显微成像的空间带宽积，可在大视场下获得高的空间分辨率。然而，基于迭代计算的衍射定量相位显微技术需要采集数十张的原始衍射图像才能实现单次的高分辨率相位重建，目前尚未有利用该类技术进行快速生物动态过程研究的报道。另外，该类技术的空间分辨率和图像对比度还不足以检测活细胞内的精细结构，尚未有利用该类技术进行细胞器无标记检测的报道。科研人员在该类技术的基础上提出了多层衍射模型来获得样品的三维结构，然而，建模过程中所取的多种近似极大地降低了图像的空间分辨率，并且复杂的处理过程也带来了严重的伪影结构。梯度光干涉定量相位显微技术建立于微分干涉显微镜，有透射式和反射式两种结构，
可以对较厚的生物组织进行三维成像。然而，利用该类技术进行相位恢复时需要对采集到的原始图像进行积分运算，所以，该类技术仅适用于连续变化的样品。另外，该类技术的空间分辨率还不足以探测活细胞内亚细胞器等的精细结构。
[0005]基于相衬的定量相位显微技术在空间分辨率和时间分辨率的协调上具有显著的优越性。Taewoo等人首次提出结合了则涅克相衬显微镜和相移算法的空间光干涉显微镜，并在16帧每秒的时间分辨率下获得了350纳米的横向分辨率。该类技术具有共路径干涉的光学结构，所以外界扰动不会给测量过程带来影响。另外，该类技术所用的光源是具有一定光谱范围的扩展光源，避免了由激光等相干光源引起的散斑噪声，极大地提高了图像质量。进一步地，科研人员提出了基于环形发光二极管照明的超斜照明定量相位显微技术，在250帧每秒的成像速度下获得了270纳米的横向分辨率。然而，该类技术仅适用于探测比较薄的弱散射样品，无法对较厚的组织进行高分辨率三维成像，甚至无法对贴壁不好的活细胞进行高对比度成像。

技术实现思路

[0006]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部分相干结构光照明的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：
[0007]本专利技术的一个方面提供了一种基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，包括环形光源以及沿光路方向依次设置的结构光调制模块、照明物镜、探测物镜、空间光调制模块以及图像采集模块，其中，
[0008]所述环形光源用于产生部分相干的环形光束；
[0009]所述结构光调制模块用于对所述环形光束进行结构化的调制，获得
±
1级衍射光；
[0010]所述照明物镜与所述探测物镜之间用于设置样品，所述样品在
±
1级衍射光的照射下产生非散射光以及携带有样品信息的散射光；
[0011]所述空间光调制模块用于对所述非散射光进行相位调制，以得到所述样品的多个结构化干涉相移图，所述图像采集模块用于采集所述多个结构化干涉相移图。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述环形光源由多个发光二极管组成，所述多个发光二极管均匀分布在环形光源骨架上。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述结构光调制模块包括沿光路方向依次设置的工业镜头、第一薄透镜、第一分束镜、光学衍射单元、第一镜筒透镜和空间滤波掩膜，其中，
[0014]所述工业镜头和所述第一薄透镜用于对所述环形光束进行缩放和会聚；
[0015]所述第一分束镜倾斜设置在所述第一薄透镜与所述光学衍射单元之间，来自所述第一薄透镜的照明光经所述第一分束镜透射至所述光学衍射单元上，所述光学衍射单元能够加载一系列具有不同方向角的二值化条纹图案以对所述照明光进行结构化调制，形成0级衍射光和
±
1级衍射光；所述第一分束镜还用于将所述0级衍射光和
±
1级衍射光反射至第一镜筒透镜，所述空间滤波掩膜设置在所述第一镜筒透镜与所述照明物镜的共焦面处，用于遮挡0级衍射光。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述光学衍射单元的工作面位于所述第一镜筒透镜与所述第一薄透镜的共焦面处。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述光学衍射单元为数字微镜阵列、反射式空间光调
制器、透射式空间光调制器、反射式衍射光栅或透射式衍射光栅中的任一种。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述空间光调制模块包括沿光线传播方向依次设置的线偏振片、第二镜筒透镜、二向色镜、第二薄透镜、第二分束镜、空间光调制器和第三薄透镜，其中，
[0019]所述线偏振片用于将所述散射光和所述非散射光调节为线偏振光；
[0020]所述第二镜筒透镜与所述第二薄透镜组成共焦系统，所述二向色镜用于将来自所述第二镜筒透镜的光线反射至第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，包括环形光源(1)以及沿光路方向依次设置的结构光调制模块、照明物镜(8)、探测物镜(10)、空间光调制模块以及图像采集模块，其中，所述环形光源(1)用于产生部分相干的环形光束；所述结构光调制模块用于对所述环形光束进行结构化的调制，获得
±
1级衍射光；所述照明物镜(8)与所述探测物镜(10)之间用于设置样品(9)，所述样品(9)在
±
1级衍射光的照射下产生非散射光以及携带有样品信息的散射光；所述空间光调制模块用于对所述非散射光进行相位调制，以得到所述样品(9)的多个结构化干涉相移图，所述图像采集模块用于采集所述多个结构化干涉相移图。2.根据权利要求1所述的基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，所述环形光源(1)由多个发光二极管组成，所述多个发光二极管均匀分布在环形光源骨架上。3.根据权利要求2所述的基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，所述结构光调制模块包括沿光路方向依次设置的工业镜头(2)、第一薄透镜(3)、第一分束镜(4)、光学衍射单元(5)、第一镜筒透镜(6)和空间滤波掩膜(7)，其中，所述工业镜头(2)和所述第一薄透镜(3)用于对所述环形光束进行缩放和会聚；所述第一分束镜(4)倾斜设置在所述第一薄透镜(3)与所述光学衍射单元(5)之间，来自所述第一薄透镜(3)的照明光经所述第一分束镜(4)透射至所述光学衍射单元(5)上，所述光学衍射单元(5)能够加载一系列具有不同方向角的二值化条纹图案以对所述照明光进行结构化调制，形成0级衍射光和
±
1级衍射光；所述第一分束镜(4)还用于将所述0级衍射光和
±
1级衍射光反射至第一镜筒透镜(6)，所述空间滤波掩膜(7)设置在所述第一镜筒透镜(6)与所述照明物镜(8)的共焦面处，用于遮挡0级衍射光。4.根据权利要求3所述的基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，所述光学衍射单元(5)的工作面位于所述第一镜筒透镜(6)与所述第一薄透镜(3)的共焦面处。5.根据权利要求1所述的基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，所述光学衍射单元(5)为数字微镜阵列、反射式空间光调制器、透射式空间光调制器、反射式衍射光栅或透射式衍射光栅中的任一种。6.根据权利要求1所述的基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置，其特征在于，所述空间光调制模块包括沿光线传播方向依次设置的线偏振片(11)、第二镜筒透镜(12)、二向色镜(13)、第二薄透镜(14)、第...

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