一種基于強度調制的白光干涉相位顯微系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于強度調制的白光干涉相位顯微系統，通過改進了光路設計，利用純振幅空間光調制器代替純相位空間光調制器，可以控制參考光的光強，當參考光強變化時，干涉光強隨之變化，若已知振幅型空間光調制器的調制曲線，就可以求得干涉圖中的各個信息分量；本系統產生的光強變化大，可以使用普通相機獲得干涉數據；本技術方案中，透射型光路不存在入射角度的問題，解決了入射角限制的問題。
【專利說明】
-種基于強度調制的白光干潰相位顯微系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種顯微系統，尤其設及的是一種基于強度調制的白光干設相位 顯微系統。
【背景技術】
[0002] 普通顯微鏡成像只是使得光的振幅變化(亮度)和波長變化(顏色)可W被觀察到， 但活的微小生物體大多是無色透明的，當光線通過時，波長和振幅變化不顯著，運樣在明場 鏡檢查下就難于觀測清晰。為了克服運一困難，人們采用了如染色等措施，使得被檢物體的 顏色及亮度發生變化，但運種方法大部分時候用于非活體狀態，應用到活體時效果不是特 別理想；當然，也可W通過縮小聚光鏡的孔徑光闊，W增加明暗對比，但運樣細微結構難于 被分辨，同時亮度隨之降低;利用暗場、巧光或偏振鏡檢術，雖然可W觀察到活體標本，但效 果一般。而隨著計算機的普及，全息干設術有了長足的進步，其中一個最重要的部分就是相 移干設術(Phase-shifting Interferomehy，PSI)，PSI不是一種具體的光學硬件結構，而 是一種可W用在各種測量條件下的數據獲取和數據分析方法，PSI具有相當高的測量重復 精度、精度和穩定度。
[0003] 目前，將白光成像和相移干設相位恢復技術結合較好的成果WGabriel Popescu 教授及其團隊的Spatial li曲t interference mic;roscopy(SLIM)系統最受關注，該系統 使用純相位空間光調制器，利用純相位空間光調制器進行相移，又利用高靈敏度的sCMOS相 機得到的相移干設圖進行采集，通過采集四幅相移干設圖，利用四步相移算法進行相位恢 復。該系統準確性高，但是該系統使用的純相位空間光調制(SLM)是反射式的，而SLM對于入 射角度有嚴格的要求，即入射角不能超過7°，運對系統搭建帶來很大麻煩;使用分光棱鏡可 W解決入射角度的問題，但同時會帶來另外的問題，即光強非常弱，運對于后面的采集過程 帶來不良效果；另外，該系統由于是白光干設，在相移過程中，干設條紋的強度隨相移的變 化不明顯，所W要使用高靈敏度的sCMOS相機作為采集器件，而sCMOS相機和純相位空間光 調制器的價格都非常昂貴，不適合進一步推廣
[0004] 因此，現有技術還有待于改進和發展。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的在于提供一種基于強度調制的白光干設相位顯微系統，旨在解 決相移過程中干設圖灰度值變化范圍窄W及設備成本高的問題。
[0006] 本實用新型的技術方案如下：
[0007] -種基于強度調制的白光干設相位顯微系統，其中，包括：
[000引顯微鏡裝置，用于顯微成像；
[0009] 第一透鏡組，置于顯微鏡裝置的成像面后面；
[0010] 透射式純振幅空間光調制器，用于對經過傅里葉變換后的光進行分區域強度調 審IJ，放置在第一透鏡組的后焦面上；
[0011] 第二透鏡組，置于透射式純振幅空間光調制器后方，與第一透鏡組組成4f系統；
[0012] 相機，用于對樣品進行成像，置于透鏡組的后焦面上。
[0013] 所述的基于強度調制的白光干設相位顯微系統，其中，所述第一透鏡組與顯微鏡 裝置成像面的距離等于透鏡組本身的焦距。
[0014] 所述的基于強度調制的白光干設相位顯微系統，其中，所述顯微鏡裝置包括集光 鏡、孔徑光闊、聚光鏡、顯微物鏡、反射鏡和鏡筒透鏡組，光源依次經過集光鏡、孔徑光闊、聚 光鏡、顯微物鏡、反射鏡和鏡筒透鏡組，待測樣品置于顯微物鏡上方。
[0015] 所述的基于強度調制的白光干設相位顯微系統，其中，所述光源采用面素燈。
[0016] 本實用新型的有益效果:本實用新型通過提供一種基于強度調制的白光干設相位 顯微系統，通過改進了光路設計，利用純振幅空間光調制器代替純相位空間光調制器，可W 控制參考光的光強，當參考光強變化時，干設光強隨之變化，若已知振幅型空間光調制器的 調制曲線，就可W求得干設圖中的各個信息分量;本系統產生的光強變化大，可W使用普通 相機獲得干設數據;本技術方案中，透射型光路不存在入射角度的問題，解決了入射角限制 的問題。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型中基于強度調制的白光干設相位顯微系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，W下參照附圖并舉實施 例對本實用新型進一步詳細說明。
[0019] 如圖1所示，一種基于強度調制的白光干設相位顯微系統，包括：
[0020] 顯微鏡裝置，用于顯微成像；
[0021] 第一透鏡組100,置于顯微鏡裝置的成像面后面；
[0022] 透射式純振幅空間光調制器200(下稱純振幅SLM)，用于對經過傅里葉變換后的光 進行分區域強度調制，放置在第一透鏡組100的后焦面上；
[0023] 第二透鏡組300,置于純振幅SLM200后方，與第一透鏡組100組成4f系統；
[0024] 相機400,用于對樣品進行成像，置于第二透鏡組300的后焦面上。
[00巧]本技術方案中，第一透鏡組100、純振幅SLM200、第二透鏡組300和相機400共同構 成相位成像裝置，2個透鏡組構成一個4f系統，使得最后可W在攝像機的圖像傳感器上成 像;純振幅SLM200控制參考光(低頻信息光）的振幅，通過在振幅型的SLM上加載不同灰度值 的圖樣，完成對干設光路的調制;然后在相機上獲得不同參考光強的干設圖，進而計算得到 相位分布。
[00%]具體地，所述第一透鏡組100與顯微鏡裝置成像面的距離等于透鏡組100本身的焦 距。
[0027] 具體地，所述顯微鏡裝置包括集光鏡510、孔徑光闊520、聚光鏡530、顯微物鏡540、 反射鏡550和鏡筒透鏡組560，所述集光鏡510、孔徑光闊520、聚光鏡530、顯微物鏡540、反射 鏡550和鏡筒透鏡組560依次設置，待測樣品置于顯微物鏡540上方:光源570發出的光經過 集光鏡510后被孔徑光闊520約束(在本系統中，為了保證光束的空間相干性，需要將孔徑光 闊520盡量縮小，同時結合光強等因素，在40倍物鏡下，一般將孔徑光闊520的數值孔徑控制 在0.09左右），從孔徑光闊520發出的光經過聚光鏡530后照射到待測樣品上，待測樣品下方 的顯微物鏡540對待測樣品進行放大，經過反射鏡550后，光束被轉向，被鏡筒透鏡組560成 像到圖中的顯微鏡成像面。本實施例中，所述光源570采用面素燈，運樣就避免了使用具有 高度時間相干性的激光導致激光散斑的出現;而由于面素燈的白光本身具有相當短的相干 長度(大約是1.2微米），成像的空間背景噪聲就被控制在亞納米量級內。
[0028] 本技術方案中，顯微鏡裝置的成像面位于第一透鏡組100的前焦面，在第一透鏡組 100的后焦面上放置一個透射式純振幅空間光調制器200,顯微鏡裝置成像面的光經過第一 透鏡組100的傅里葉變換作用后，低頻信息和高頻信息在純振幅SLM200上分開，使得純振幅 SLM200上面加載一個和圖像頻譜相匹配的圖樣，從而只改變低頻信息光的振幅，使參考光 可W控。
[0029] -種如上述所述的基于強度調制的白光干設相位顯微系統的相移干設相位計算 方法，具體包括W下步驟：
[0030] 步驟S100:改變光源570強度，通過基于強度調制的白光干設相位顯微系統獲得具 有不同強度的4幅成像圖樣；
[0031] 步驟S200:4幅成像圖樣根據不同的光源570強度所具有的不同灰度值通過透射式 純振幅空間光調制器200轉換成不同的透過率，4個不同灰度值的透射式純振幅空間光調制 器200透過率分別為:ki，k2，k3，k4;
[0032] 步驟S300:將式1整理成式2:
[0033]
[0034] 其中，El代表參考光的振幅，&代表物體信息光的振幅，界代表物體的相位分布， (x，y)代表干設圖中像素點的位置Λτ代表透射式純振幅空間光調制器200的透過率，將式1 整理成式2:
[003引步驟S500:分別將ki，k2，k3，k4代入式3中，得到4個表達式；
[0039] 步驟S 6 0 0 :通過步驟S 5 0 0的4個表達式求出巧(Λ'，>.)，巧托少'）和 (Λ-〇，)￡;(.ν，V) COS(口(.、'，J);
[0040] 步驟S7〇0:再求出cos(例乂，V))和
[0041 ] 步驟S800:最后求得和干設圖相關聯的相位分布：
[0042]
3
[0043] 本技術方案通過改進了光路設計，利用純振幅空間光調制器代替純相位空間光調 制器，可W控制參考光的光強，當參考光強變化時，干設光強隨之變化，若已知振幅型空間 光調制器的調制曲線，就可W求得干設圖中的各個信息分量;本系統產生的光強變化大，可 W使用普通相機獲得干設數據;本技術方案中，透射型光路不存在入射角度的問題，解決了 入射角限制的問題。
[0044] 應當理解的是，本實用新型的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來 說，可W根據上述說明加 W改進或變換，所有運些改進和變換都應屬于本實用新型所附權 利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于強度調制的白光干涉相位顯微系統，其特征在于，包括： 顯微鏡裝置，用于顯微成像； 第一透鏡組，置于顯微鏡裝置的成像面后面； 透射式純振幅空間光調制器，用于對經過傅里葉變換后的光進行分區域強度調制，放 置在第一透鏡組的后焦面上； 第二透鏡組，置于透射式純振幅空間光調制器后方，與第一透鏡組組成4f系統； 相機，用于對樣品進行成像，置于透鏡組的后焦面上。2. 根據權利要求1所述的基于強度調制的白光干涉相位顯微系統，其特征在于，所述第 一透鏡組與顯微鏡裝置成像面的距離等于透鏡組本身的焦距。3. 根據權利要求1所述的基于強度調制的白光干涉相位顯微系統，其特征在于，所述顯 微鏡裝置包括集光鏡、孔徑光闌、聚光鏡、顯微物鏡、反射鏡和鏡筒透鏡組，光源依次經過集 光鏡、孔徑光闌、聚光鏡、顯微物鏡、反射鏡和鏡筒透鏡組，待測樣品置于顯微物鏡上方。4. 根據權利要求3所述的基于強度調制的白光干涉相位顯微系統，其特征在于，所述光 源采用鹵素燈。
【文檔編號】G01N21/45GK205449795SQ201620222359
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】王翰林, 安昕, 張浠
【申請人】佛山市南海區歐譜曼迪科技有限責任公司