基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法

摘要

本发明公开了一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法，通过改进了光路设计，利用纯振幅空间光调制器代替纯相位空间光调制器，可以控制参考光的光强，当参考光强变化时，干涉光强随之变化，若已知振幅型空间光调制器的调制曲线，就可以求得干涉图中的各个信息分量；本系统产生的光强变化大，可以使用普通相机获得干涉数据；本技术方案中，透射型光路不存在入射角度的问题，解决了入射角限制的问题。

权利要求

1.一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S100：改变光源强度，通过基于强度调制的白光干涉相位显微系统获得具有不同强度的4幅成像图样；

步骤S200：4幅成像图样根据不同的光源强度所具有的不同灰度值通过透射式纯振幅空间光调制器转换成不同的透过率，4个不同灰度值的透射式纯振幅空间光调制器透过率分别为： ， ， ， ；

步骤S300：将式1整理成式2：

  （1）

其中， 代表参考光的振幅， 代表物体信息光的振幅， 代表物体的相位分布，代表干涉图中像素点的位置， 代表透射式纯振幅空间光调制器200的透过率，将式1整理成式2：  （2）

步骤S400：再将式（2）整理成式（3）的矩阵形式：  （3）

步骤S500：分别将 ， ， ， 代入式3中，得到4个表达式；

步骤S 600 ：通过步 骤S5 00的 4个表 达式求出 ， 和；

步骤S700：再求出 和 ；

步骤S800：最后求得和干涉图相关联的相位分布：。

2.根据权利要求1所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其特征在于，所述基于强度调制的白光干涉相位显微系统包括：显微镜装置，用于显微成像；

第一透镜组，置于显微镜装置的成像面后面；

透射式纯振幅空间光调制器，用于对经过傅里叶变换后的光进行分区域强度调制，放置在第一透镜组的后焦面上；

第二透镜组，置于透射式纯振幅空间光调制器后方，与第一透镜组组成4f系统；

相机，用于对样品进行成像，置于透镜组的后焦面上。

3.根据权利要求2所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其特征在于，所述第一透镜组与显微镜装置成像面的距离等于第一透镜组本身的焦距。

4.根据权利要求2所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其特征在于，所述显微镜装置包括集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜组，光源依次经过集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜组，待测样品置于显微物镜上方。

5.根据权利要求4所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其特征在于，所述光源采用卤素灯。

说明书

基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种显微系统，尤其涉及的是一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法。

背景技术

[0002] 普通显微镜成像只是使得光的振幅变化(亮度)和波长变化(颜色)可以被观察到，但活的微小生物体大多是无色透明的，当光线通过时，波长和振幅变化不显著，这样在明场镜检查下就难于观测清晰。为了克服这一困难，人们采用了如染色等措施，使得被检物体的颜色及亮度发生变化，但这种方法大部分时候用于非活体状态，应用到活体时效果不是特别理想；当然，也可以通过缩小聚光镜的孔径光阑，以增加明暗对比，但这样细微结构难于被分辨，同时亮度随之降低；利用暗场、荧光或偏振镜检术，虽然可以观察到活体标本，但效果一般。而随着计算机的普及，全息干涉术有了长足的进步，其中一个最重要的部分就是相移干涉术(Phase-shifting Interferometry，PSI)，PSI不是一种具体的光学硬件结构，而是一种可以用在各种测量条件下的数据获取和数据分析方法，PSI具有相当高的测量重复精度、精度和稳定度。

[0003] 目前，将白光成像和相移干涉相位恢复技术结合较好的成果以Gabriel Popescu教授及其团队的Spatial light interference microscopy(SLIM)系统最受关注，该系统使用纯相位空间光调制器，利用纯相位空间光调制器进行相移，又利用高灵敏度的sCMOS相机得到的相移干涉图进行采集，通过采集四幅相移干涉图，利用四步相移算法进行相位恢复。该系统准确性高，但是该系统使用的纯相位空间光调制(SLM)是反射式的，而SLM对于入射角度有严格的要求，即入射角不能超过7°，这对系统搭建带来很大麻烦；使用分光棱镜可以解决入射角度的问题，但同时会带来另外的问题，即光强非常弱，这对于后面的采集过程带来不良效果；另外，该系统由于是白光干涉，在相移过程中，干涉条纹的强度随相移的变化不明显，所以要使用高灵敏度的sCMOS相机作为采集器件，而sCMOS相机和纯相位空间光调制器的价格都非常昂贵，不适合进一步推广。

[0004] 因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法，旨在解决相移过程中干涉图灰度值变化范围窄以及设备成本高的问题。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统，其中，包括：

[0008] 显微镜装置，用于显微成像；

[0009] 第一透镜组，置于显微镜装置的成像面后面；

[0010] 透射式纯振幅空间光调制器，用于对经过傅里叶变换后的光进行分区域强度调制，放置在第一透镜组的后焦面上；

[0011] 第二透镜组，置于透射式纯振幅空间光调制器后方，与第一透镜组组成4f系统；

[0012] 相机，用于对样品进行成像，置于透镜组的后焦面上。

[0013] 所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统，其中，所述第一透镜组与显微镜装置成像面的距离等于第一透镜组本身的焦距。

[0014] 所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统，其中，所述显微镜装置包括集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜组，光源依次经过集光镜、孔径光阑、聚光镜、显微物镜、反射镜和镜筒透镜组，待测样品置于显微物镜上方。

[0015] 所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统，其中，所述光源采用卤素灯。

[0016] 一种如上述任一项所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，其中，具体包括以下步骤：

[0017] 步骤S100：改变光源强度，通过基于强度调制的白光干涉相位显微系统获得具有不同强度的4幅成像图样；

[0018] 步骤S200：4幅成像图样根据不同的光源强度所具有的不同灰度值通过透射式纯振幅空间光调制器转换成不同的透过率，4个不同灰度值的透射式纯振幅空间光调制器透过率分别为：k1，k2，k3，k4；

[0019] 步骤S300：将式1整理成式2：

[0020]

[0021] 其中，E1代表参考光的振幅，E2代表物体信息光的振幅， 代表物体的相位分布，(x,y)代表干涉图中像素点的位置，kr代表透射式纯振幅空间光调制器200的透过率，将式1整理成式2：

[0022]

[0023] 步骤S400：再将式(2)整理成式(3)的矩阵形式：

[0024]

[0025] 步骤S500：分别将k1，k2，k3，k4代入式3中，得到4个表达式；

[0026] 步骤S600：通过步骤S500的4个表达式求出 和

[0027] 步骤S700：再求出 和

[0028] 步骤S800：最后求得和干涉图相关联的相位分布：

[0029]

[0030] 本发明的有益效果：本发明通过提供一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统及其相位计算方法，通过改进了光路设计，利用纯振幅空间光调制器代替纯相位空间光调制器，可以控制参考光的光强，当参考光强变化时，干涉光强随之变化，若已知振幅型空间光调制器的调制曲线，就可以求得干涉图中的各个信息分量；本系统产生的光强变化大，可以使用普通相机获得干涉数据；本技术方案中，透射型光路不存在入射角度的问题，解决了入射角限制的问题。

附图说明

[0031] 图1是本发明中基于强度调制的白光干涉相位显微系统的结构示意图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

[0033] 如图1所示，一种基于强度调制的白光干涉相位显微系统，包括：

[0034] 显微镜装置，用于显微成像；

[0035] 第一透镜组100，置于显微镜装置的成像面后面；

[0036] 透射式纯振幅空间光调制器200(下称纯振幅SLM)，用于对经过傅里叶变换后的光进行分区域强度调制，放置在第一透镜组100的后焦面上；

[0037] 第二透镜组300，置于纯振幅SLM200后方，与第一透镜组100组成4f系统；

[0038] 相机400，用于对样品进行成像，置于第二透镜组300的后焦面上。

[0039] 本技术方案中，第一透镜组100、纯振幅SLM200、第二透镜组300和相机400共同构成相位成像装置，2个透镜组构成一个4f系统，使得最后可以在摄像机的图像传感器上成像；纯振幅SLM200控制参考光(低频信息光)的振幅，通过在振幅型的SLM上加载不同灰度值的图样，完成对干涉光路的调制；然后在相机上获得不同参考光强的干涉图，进而计算得到相位分布。

[0040] 具体地，所述第一透镜组100与显微镜装置成像面的距离等于第一透镜组100本身的焦距。

[0041] 具体地，所述显微镜装置包括集光镜510、孔径光阑520、聚光镜530、显微物镜540、反射镜550和镜筒透镜组560，所述集光镜510、孔径光阑520、聚光镜530、显微物镜540、反射镜550和镜筒透镜组560依次设置，待测样品置于显微物镜540上方：光源570发出的光经过集光镜510后被孔径光阑520约束(在本系统中，为了保证光束的空间相干性，需要将孔径光阑520尽量缩小，同时结合光强等因素，在40倍物镜下，一般将孔径光阑520的数值孔径控制在0.09左右)，从孔径光阑520发出的光经过聚光镜530后照射到待测样品上，待测样品下方的显微物镜540对待测样品进行放大，经过反射镜550后，光束被转向，被镜筒透镜组560成像到图中的显微镜成像面。本实施例中，所述光源570采用卤素灯，这样就避免了使用具有高度时间相干性的激光导致激光散斑的出现；而由于卤素灯的白光本身具有相当短的相干长度(大约是1.2微米)，成像的空间背景噪声就被控制在亚纳米量级内。

[0042] 本技术方案中，显微镜装置的成像面位于第一透镜组100的前焦面，在第一透镜组100的后焦面上放置一个透射式纯振幅空间光调制器200，显微镜装置成像面的光经过第一透镜组100的傅里叶变换作用后，低频信息和高频信息在纯振幅SLM200上分开，使得纯振幅SLM200上面加载一个和图像频谱相匹配的图样，从而只改变低频信息光的振幅，使参考光可以控。

[0043] 一种如上述所述的基于强度调制的白光干涉相位显微系统的相移干涉相位计算方法，具体包括以下步骤：

[0044] 步骤S100：改变光源570强度，通过基于强度调制的白光干涉相位显微系统获得具有不同强度的4幅成像图样；

[0045] 步骤S200：4幅成像图样根据不同的光源570强度所具有的不同灰度值通过透射式纯振幅空间光调制器200转换成不同的透过率，4个不同灰度值的透射式纯振幅空间光调制器200透过率分别为：k1，k2，k3，k4；

[0046] 步骤S300：将式1整理成式2：

[0047]

[0048] 其中，E1代表参考光的振幅，E2代表物体信息光的振幅， 代表物体的相位分布，(x,y)代表干涉图中像素点的位置，kr代表透射式纯振幅空间光调制器200的透过率，将式1整理成式2：

[0049]

[0050] 步骤S400：再将式(2)整理成式(3)的矩阵形式：

[0051]

[0052] 步骤S500：分别将k1，k2，k3，k4代入式3中，得到4个表达式；

[0053] 步骤S600：通过步骤S500的4个表达式求出 和

[0054] 步骤S700：再求出 和

[0055] 步骤S800：最后求得和干涉图相关联的相位分布：

[0056]

[0057] 本技术方案通过改进了光路设计，利用纯振幅空间光调制器代替纯相位空间光调制器，可以控制参考光的光强，当参考光强变化时，干涉光强随之变化，若已知振幅型空间光调制器的调制曲线，就可以求得干涉图中的各个信息分量；本系统产生的光强变化大，可以使用普通相机获得干涉数据；本技术方案中，透射型光路不存在入射角度的问题，解决了入射角限制的问题。

[0058] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。