一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法技术

本发明专利技术涉及一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法，利用部分相干光理论得到泽尼克相衬显微镜成像模型；计算模型采用PC

【技术实现步骤摘要】
一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法


[0001]本专利技术属于光学检测领域，具体涉及一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法。

技术介绍

[0002]由美国的G.Popescu教授在2011年专利技术的空间光干涉技术(Spatial light interference microscopy)，作为一种典型的定量位相成像技术具有相当的影响力。该技术基于泽尼克相衬显微镜，适用于生物细胞，组织，细菌等透明样本的观测。图1为空间光干涉技术光路，图2为其测量方法四步相移法使用的光栅。90年代前的工程人员及科学家对泽尼克相衬显微镜的研究主要围绕相衬衬比度的优化，位相板的尺寸，相移以及透过率都得到很好的优化。其设计前提针对弱位相(位相远小于1rad)物体成像。后来人将泽尼克相衬显微镜归类为定性测量手段。奥林巴斯相衬显微镜IX73是其中一个代表产品。G.Popescu教授进一步创造性的使用四步相移法重建透明物体的位相三维轮廓，将泽尼克相衬技术改造为空间光干涉技术——一种定量位相成像技术。由于该技术相比采用激光照明的定量位相成像技术具有较高信噪比和成像的高效率，因此空间光干涉技术获得好评。但是研究发现该技术还是比较粗糙，明显存在一些问题。比如该技术提倡使用白光，但卤素灯的白光光谱偏离高斯谱较远。高斯谱的好处是其傅里叶变换仍然为高斯谱，非高斯的白光光谱将导致四步相移法计算结果偏离高斯模型而出现错误。因此，有学者在光路的照明中使用中心波长546nm的绿光滤光片以获得高斯谱照明。使用更宽带宽的白光的好处仅仅在于其相干长度变短，有利于利用相干门排除门外不在同一平面的光信号，利于将SLIM推广到SLIT即G.Popescu专利技术的一种空间光干涉断层成像技术。
[0003]关键还在于，有学者由部分相干理论出发发现G.Popescu的空间光干涉技术的测量精度与理论计算上还存在一个较大问题。传统的空间光干涉技术的专利与论文多把四步相移法这一光学干涉技术本身提供的精度误认为是空间光干涉技术的精度。而这个精度是四步相移法作为光学干涉技术本身的精度。空间光干涉技术的系统误差实际上主要来源于不是平面波的直射光(或参考光)的角度。使用落射照明方法的基于泽尼克相衬显微镜不能像激光照明一样做针孔滤波，因此空间光干涉技术远远不能将参考光的角度压缩到0。
[0004]G.Popescu空间光干涉技术的论文或专利的计算模型较为简单，主要含以下式子：
[0005][0006][0007]φ
SLIM
＝angle((I0‑
I2)+j(I3‑
I1))
[0008]φ
o
(x)＝φ
Pop
(x)+φ
R
(x),φ
SLIM
(x)＝φ
H
(x)
‑
φ
R
(x)
[0009]同时，用复矢量可表示物光，散射光和直射光的三者关系如图3。由图3可知，参考光或直射光的角度被默认为0，这是问题的根源。
[0010]以6微米物镜油浸的聚苯乙烯微球为例，其最大位相高度为274.5
°
。依据部分相干
光理论可以模拟奥林巴斯相衬显微镜IX73使用20倍相衬物镜对油浸微球进行空间光干涉可得图4模拟结果。图中Highpass曲线表示系统高通或带通滤波的散射光的角度即φ
H
，散射光的光线穿过物镜后瞳位相板之外的部分。Ref曲线即直射光的角度。直射光的光线穿过物镜后瞳位相板。图4可见微球的参考光角度有一个分布，其中心处约为
‑
29
°
。图中各曲线的最高点分别为：
[0011]φ
Real
＝274.5
°
,φ
SLIM
＝293.5
°
,φ
Pop
＝310
°
,φ
R
＝29
°
[0012]依据Popescu理论模型得到的角度φ
Pop
比φ
Real
高出了36
°
(理论值应为29
°
，位相环模拟边缘采样误差导致模拟结果为36
°
)。在未对系统进行进一步优化情形下，四步相移法的位相测量精度依据公式σ
φ
＝σ
n
/4U
S
U
D
很容易达到0.5
°
，对应0.76nm的光程差精度。即Popescu计算结果的误差远远大于四步相移法的精度0.5
°
。可见在奥林巴斯相衬显微镜的标准配置下，参考光的角度导致空间光干涉技术的实际测量结果的准确性或精度表现远远弱于四步相移法的精度，并成为空间光干涉技术的系统误差的主要来源。
[0013]此外，定量位相成像技术大致由2000年开始发展，到现在依然没有很好的产品能为市场所普遍接受。比如TIE技术也仍有20％的相对误差。使用激光的定量位相成像技术尽管通过旋转物体或照明可以测量样本的三维折射率，但由于激光散斑导致其成像信噪比很低，进而使其成像速度实际效率低下。相比之下部分相干照明的空间光干涉技术具有高信噪比成像和四步相移法的成像快速的特点，因此在Popescu的空间光干涉技术的基础上进一步提高其准确度或精度有较大现实意义。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于提供一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法，该方法有利于提高空间光干涉法的精度。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法，利用部分相干光理论得到泽尼克相衬显微镜成像模型：
[0016][0017]其中，I
i
(x)为第i次相衬成像的强度；x为空间坐标；I
D
(x)为直射光或参考光的强度；I
S
(x)是散射光的强度；F(μ)为物光的空间频率分布；H
S
(ξ)为光源的光阑，H
L
(μ)为位相环的光阑；H
H
(μ)为除去H
L
(μ)外的光阑；t为位相板的透过率；Δφ为四步相移法的调制角度；Re为取实部运算。
[0018]进一步地，计算模型采用PC
‑
SLIM模型，其为基于部分相干光理论研究空间光干涉技术得到的计算模型，主要包含以下式子：
[0019][0020]a(x)＝(I1+I3)/2+Δn＝(I0+I2)/2+Δn
[0021][0022]φ
SLIM
(x)＝angle((I0‑
I2)+j(I3‑
I1))
[0023]φ
o
(x)＝φ
SLIM
(x)+φ
R
(x),φ
Pop
(x)＝φ
H
(x)
‑
φ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法，其特征在于，利用部分相干光理论得到泽尼克相衬显微镜成像模型：其中，I
i
(x)为相移法第i次相衬成像的强度；x为空间坐标；I
D
(x)为直射光或参考光的强度；I
S
(x)是散射光的强度；F(μ)为物光的空间频率分布；H
S
(ξ)为光源的光阑；H
L
(μ)为位相环的光阑；H
H
(μ)为除去H
L
(μ)外的光阑；t为位相板的透过率；Δφ为四步相移法的调制角度；Re为取实部运算。2.根据权利要求1所述的一种双四步相移法提高空间光干涉技术精度的方法，其特征在于，计算模型采用PC
‑
SLIM模型，其为基于部分相干光理论研究空间光干涉技术得到的计算模型，主要包含以下式子：a(x)＝(I1+I3)/2+Δn＝(I0+I2)/2+Δnφ
SLIM
(x)＝angle((I0‑
I2)+j(I3‑
I1))φ
o
(x)＝φ
SLIM
(x)+φ
R
(x),φ
Pop
(x)＝φ
H
(x)
‑
φ
R
(x)其中，I
n
(x)为四步相移法所得的相衬像的强度，a(x)＝I
S
(x)+I
D
(x)；Δ(x)为泽尼克相衬显微镜的交叉传递函数TCC做近似处理得到的一个受调制的强度项；Δn为CMOS或CCD的噪声；f(x)为物体的复透过率；式中φ
SLIM...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑明杰，林月行，李志芳，刘斌，谭丁辉，杨雨丹，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：