一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及系统，属于光学成像、显微技术领域。方法包括：步骤1、产生入射激光束，并准直后形成准直激光束后照射在待测样品上；步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，在成像面调整成像视场；步骤3、将调整过成像视场后的像通过4F系统进行中继，经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，成像于CCD相机上，所述液晶空间光调制器设置于4F系统的傅里叶面；步骤4、将成像于CCD相机上的图像通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。本发明专利技术的方法及系统可以满足在一个CCD相机上实现单帧多幅离焦强度图同时成像，具有较高的灵活性，能够满足生物细胞等动态样品的高速实时相位成像。时相位成像。时相位成像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及系统


[0001]本专利技术属于光学成像、显微
，更具体地，涉及一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及系统。

技术介绍

[0002]基于光强传输方程的定量相位恢复是一种非干涉相位成像方法，因此无需复杂的光路结构和相位解包裹计算，广泛应用于光学测量与生物医学成像等领域。求解光强传输方程，需要获取多幅离焦强度图以估计轴向强度差分，传统的轴向扫描一般采用移动CCD的方式实现，但机械移动不但会引入额外的误差而且降低了相位成像系统的采集速度。
[0003]为此，有研究者提出了使用电控可变焦透镜或空间光调制器等特殊光学器件避免离焦扫描时的机械移动，但多幅强度图仍需依次变焦与采集，并不能进一步提高相位成像速度。在定量相位成像中的多离焦面同时采集方面，有研究者提出使用分光光路附加2个或4个CCD相机进行在焦面与离焦面的同时采集，以及使用空间光调制器结合类迈克尔逊干涉结构实现两幅强度图的同时成像。前者单次采集的离焦图像数量具有较大限制，取决于硬件配置，且其离焦距离也不便灵活调整，尽管后者可以控制空间光调制器实现离焦量的调整，但其单次采集的离焦图像总数量也仅2幅，易降低强度轴向差分的准确性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及系统，其目的是在一个CCD相机上实现单帧多幅离焦强度图同时成像。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、产生入射激光束，经准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；
[0007]步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，并在显微放大的成像面调整成像视场；
[0008]步骤3、将调整过成像视场后的像通过一个4F系统进行中继，并经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；所述多焦复用透镜相位模型为多个菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型；其中，所述液晶空间光调制器设置于所述4F系统的傅里叶面；
[0009]步骤4、将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
[0010]进一步地，所述多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅。
[0011]进一步地，通过所述液晶空间光调制器编程实现所述多焦复用透镜的步骤如下：
[0012]S1、确定使待测样品合焦时的菲涅尔透镜的焦距f
r
和轴向偏移距离z
r
，以及对应的
闪耀光栅在x、y两方向的衍射角；
[0013]S2、基于所述合焦时的菲涅尔透镜的焦距f
r
、轴向偏移距离z
r
及待测样品物空间的轴向离焦步距Δz，确定K个离焦位置处的菲涅尔透镜的焦距及对应的K个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，其中，K≥1；
[0014]S3、基于上述K+1个菲涅尔透镜的焦距及对应的K+1个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，确定K+1个菲涅尔透镜的相位模型及对应的K+1个闪耀光栅的相位模型，并将其融合后得到对应的K+1个融合后的相位模型；
[0015]S4、在每个所述融合后的相位模型中随机抽取个不同坐标位置处的值，且不同融合后的相位模型中被抽取的坐标不重复，将抽取得到的值重新组合构成所述多焦复用透镜的相位模型并将其加载在液晶空间光调制器上，其中，W
×
H为液晶空间光调制器的分辨率。
[0016]进一步地，S1中包括子步骤：
[0017]S1.1、通过CCD相机任意采集一幅轴向偏移距离为z
t
的光强图像P
t
，设定该光强图像P
t
对应的菲涅尔透镜的焦距为f
t
，且f
t
满足：
[0018][0019]其中，f
F
为4F系统中的两个透镜的焦距，M为待测样品进行光学显微放大的放大倍率；
[0020]S1.2、在满足奈奎斯特抽样条件下，该光强图像P
t
对应的菲涅尔透镜的焦距满足：
[0021][0022]其中，W
×
H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为入射激光束的波长；
[0023]S1.3、基于步骤S1.1和S1.2，得到最大的轴向扫描范围，在所述最大的轴向扫描范围内，针对不同的轴向偏移距离z
t
，通过清晰度评价算子得到对应的光强图像P
t
的评价值F
t
，当F
t
最小时，得到合焦时的轴向偏移距离z
r
。
[0024]进一步地，S2中第i个菲涅尔透镜的焦距f
i
为：
[0025][0026]其中，设定离焦位置处的菲涅尔透镜的数量K为2n，且第n+1个为使待测样品合焦时的菲涅尔透镜，i＝1,...,2n+1，n≥1。
[0027]进一步地，S3中第i个离焦位置处的菲涅尔透镜的相位模型及对应的闪耀光栅的相位模型分别为：
[0028][0029][0030]其中，θ
xi
、θ
yi
分别为对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角。
[0031]按照本专利技术的第二方面，提供了一种实现第一方面任意一项所述的基于多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像系统，沿光路传输方向，依次包括：激光器、准直透镜、显微物镜、第一镜筒透镜、可调矩形光阑、第一透镜、液晶空间光调制器、第二透镜及CCD相机；其中，待测样品为透射样品，设置在所述显微物镜工作距离内；所述显微物镜及第一镜筒透镜组成双远心成像系统，所述第一透镜和第二透镜组成光学4F系统；
[0032]所述激光器用于产生入射激光束，经过所述准直透镜准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；被照明的待测样品经过所述双远心成像系统放大成像，通过放置在其成像面的可调矩形光阑调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在所述4F系统上，所述液晶空间光调制器位于所述4F系统的傅里叶面，经过所述4F系统第一透镜的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器调制后，经由第二透镜成像于CCD相机上，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
[0033]进一步地，所述裁剪范围包括所述可调矩形光阑通过所述4F系统后在所述CCD相机中的成像边界。
[0034]进一步地，还包括设置在所述准直透镜与所述显微物镜之间的可调光阑，用于调整准直光束的直径；
[0035]或/和还包括设置在所述准直透镜与所述显微物镜之间的可旋转偏振镜，用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、产生入射激光束，经准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，并在显微放大的成像面调整成像视场；步骤3、将调整过成像视场后的像通过一个4F系统进行中继，并经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；所述多焦复用透镜相位模型为多个菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型；其中，所述液晶空间光调制器设置于所述4F系统的傅里叶面；步骤4、将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅。3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，通过所述液晶空间光调制器编程实现所述多焦复用透镜的步骤如下：S1、确定使待测样品合焦时的菲涅尔透镜的焦距f
r
和轴向偏移距离z
r
，以及对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角；S2、基于所述合焦时的菲涅尔透镜的焦距f
r
、轴向偏移距离z
r
及待测样品物空间的轴向离焦步距Δz，确定K个离焦位置处的菲涅尔透镜的焦距及对应的K个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，其中，K≥1；S3、基于上述K+1个菲涅尔透镜的焦距及对应的K+1个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，确定K+1个菲涅尔透镜的相位模型及对应的K+1个闪耀光栅的相位模型，并将其融合后得到对应的K+1个融合后的相位模型；S4、在每个所述融合后的相位模型中随机抽取个不同坐标位置处的值，且不同融合后的相位模型中被抽取的坐标不重复，将抽取得到的值重新组合构成所述多焦复用透镜的相位模型并将其加载在液晶空间光调制器上，其中，W
×
H为液晶空间光调制器的分辨率。4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，S1中包括子步骤：S1.1、通过CCD相机任意采集一幅轴向偏移距离为z
t
的光强图像P
t
，设定该光强图像P
t
对应的菲涅尔透镜的焦距为f
t
，且f
t
满足：其中，f
F
为4F系统中的两个透镜的焦距，M为待测样品进行光学显微放大的放大倍率；S1.2、在满足奈奎斯特抽样条件下，该光强图像P
t
对应的菲涅尔透镜的焦距满足：其中，W
×
H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为入射激光束的波长；S1.3、基于步骤S1.1和S1.2，得到最大的轴向扫描范围，在所述最大的轴向扫描范围内，针对不同的轴向偏移距离z
t
，通过清晰度评价算子得到对应的光强图像P
t
的评价值F
t
，
当F
t
最小时，得到合焦时的轴向偏移距离z
r
。5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，S2中第i个菲涅尔透镜的焦距f
i
为：其中，设定离焦位置处的菲涅尔透镜的数量K为2n，且第n+1个为使待测样品合焦时的菲涅尔透镜，i＝1,...,2n+1，n≥1。6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱金龙，赵杭，董正琼，李泽迪，于哲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：