CN102539381B - 基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，本发明将微离轴干涉、偏振相移、希尔伯特相位提取和图像高速采集等技术相结合，通过将微离轴干涉和偏振相移技术相结合，同步获得两幅干涉图，然后提取携带有细胞样品折射率空间分布信息的相位投影数据，可将干涉投影数据获取速度提高3倍以上，在此基础上，通过电控平移台的二维扫描，获得细胞样品折射率空间分布的多方向投影数据，然后实现折射率空间分布的三维重构，具有装置简单、速度快、操作简便等突出优点。

Description

基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置

技术领域

本发明涉及一种光学显微干涉层析装置，特别是一种可应用于生物细胞内部折射率空间分布定量测量的显微干涉层析装置。

背景技术

折射率及其空间分布是表征生物组织光学特性的重要参量，深入了解生物样品内折射率的空间分布对于生物组织光学模型的建立以及相关光传输理论的研究有着重要的意义。现有大量研究报道了组织内折射率的局部异常对生物组织内光传输过程的影响及其在发展疾病诊断技术中的应用。例如, 正常和恶性***组织之间存在折射率的差异, 这对于发展光学无创伤诊断技术有着非常重要的价值。在细胞尺度上, 折射率可以是描述生物样品光学特性的独立参量，是研究和分析细胞尺度上各类光学现象的基础,它同样是发展疾病光学诊疗技术的基础，因此在细胞尺度上，测量生物样品的折射率及其空间分布对于深入认识组织样品的光学特性、生物组织内的光传输过程以及发展生物组织无创伤诊断技术都有着重要的价值。2009年1月15日公开的美国专利（申请号PCT/US2008/008447）提出了基于时间移相马赫曾德干涉装置，通过旋转入射光角度获取活细胞多方向折射率投影，并进行生物细胞折射率空间分布的三维层析就似乎，得到了红血球内部折射率的三维分布。这种方法采用同轴干涉技术，通过时间移相技术获取干涉投影数据，因此在光路中必须要有带电控高精度时间相移装置，这使得光路较为复杂、可靠性差，同时还必须要采集三幅以上的干涉图才能获得一个方向的干涉投影数据，使得干涉投影数据的获取过程变得较为复杂，特别是实时性很差，这对于活体细胞的测量是十分不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种装置简单、实时性好的光学显微折射率层析装置，它将马赫曾德干涉、微离轴显微干涉、偏振相移、高速图像采集、希尔伯特相位提取等技术相结合，有效克服了时间移相带来的实时性问题，同时使***具有结构简单，稳定性好和重复性好等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，包括偏振He-Ne激光器、扩束准直镜、第一消偏振分光棱镜、第二消偏振分光棱镜、共焦显微物镜组即前显微物镜和后显微物镜、第一五维调节架、第二五维调节架、电控三维平移台、1/4波片、第一全反镜、第二全反镜、偏振分光棱镜、第一高速CMOS数字图像采集装置和第二高速CMOS数字图像采集装置；线偏振He-Ne激光器之后放置扩束准直镜进行扩束准直，其后放置一消偏振分光棱镜进行偏振分束；消偏振分光棱镜的第一个输出面之后放置前显微物镜和后显微物镜，前显微物镜和后显微物镜的共焦点处放置有待测细胞样品，待测细胞样品放置在电控三维平移台上，前显微物镜放置在第一五维调节架上，后显微物镜放置在第二五维调节架上，后显微物镜之后放置消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜的第二个输出面之后放置第一全反镜将光路转90度，第一全反镜之后放置1/4波片进行偏振态变化，1/4波片之后放置第二全反镜将光路再转90度；第二全反镜之后放置第二消偏振分光棱镜对相互正交的入射光进行合束，第二消偏振分光棱镜之后放置偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的第一输出面之后放置第一高速CMOS数字图像采集装置，第二输出面之后放置第二高速CMOS数字图像采集装置，第一高速CMOS数字图像采集装置和第二高速CMOS数字图像采集装置同时分别获取相移为                                                

的干涉图，用以实时提取多方向干涉投影数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1．本发明结合微离轴干涉、偏振相移、希尔伯特相位提取和图像高速采集等技术，能同时获得相移为的两幅干涉图，然后通过希尔伯特相位提取法和相位解包法，恢复携带有细胞样品折射率空间分布信息的相位投影数据，可将干涉投影数据获取速度提高3倍以上，同时与离轴干涉相比，优化了频谱带宽，提高了后期重建精度。

2．以偏振相移代替了时间相移，简化了光学显微干涉层析装置，使***结构更为简单、操作更为简便，避免了时间相移的噪声干扰，降低了装置的成本。

3．以锥形光束投影取代传统的平行光投影，可显著提高光学显微放大的倍数，有效改善了光学显微干涉层析装置空间分辨率。

4．采用高速CMOS相机的获取干涉图，可使干涉图像的获取时间缩短至毫秒量级，生物样品的动态检测能力。 

附图说明

附图是本发明基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

为了克服背景技术中的问题，本发明同样以马赫曾德干涉仪为基础，提出了基于微离轴显微干涉投影的折射率层析技术，通过将微离轴干涉和偏振相移技术相结合，同步获得两幅干涉图，然后通过相位解包获得一个方向的干涉投影数据；通过对样品进行二维扫描，获得多个方向的干涉投影数据，再进行待测样品折射率空间分布的三维重建。该方法可将干涉投影数据获取速度提高3倍以上，有效提高了测量速度；与此同时以偏振相移取代时间相移，简化了实验装置的复杂性、操作的简便性，同时还降低装置的成本。

本发明基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，其工作原理为：线偏振He-Ne激光器发出的激光束经扩束准直镜的扩束准直之后，由经消偏振分光棱镜将其分为相互垂直传播的物光和参考光，且保持入射时的线偏振状态；共焦物镜组中的第一物镜将物光会聚在细胞样品上，共焦物镜组中的第二物镜将从细胞样品出射的物镜准直，然后入射到消偏振合光棱镜上；参考光经全反射镜的反射，传播方向改变90度，然后经过一个1/4波片，偏振态变为圆偏振光（或椭圆偏振光），之后再由一个全反射镜将其传播方向改变90度，入射到消偏振合光棱镜上，与物光合成一束；然后，由偏振分光棱镜对其进行偏振分光，P偏振光分量形成的干涉图由一路高速CMOS相机采集，并送入计算机处理，S偏振分量形成的干涉图由另一路高速CMOS相机采集，并送入计算机处理。为了使整个干涉光路处于微离轴状态，调节第一个平面镜的偏摆角使参考光和物光之间存在一个小的θ角，以保证干涉频谱图的级之间相互不交叠，但均和零级条纹重合，即处于微离轴状态。在此基础上，通过希尔伯特相位提取法和相位解包法，从载频干涉图中恢复出携带有细胞样品折射率空间分布信息的相位投影数据。通过电控平移台的精确控制，可实现细胞样品的二维扫描，从而获得细胞样品折射率空间分布的多方向相位投影数据，然后引用三维重构算法对细胞样品折射率的空间分布进行三维重构，得到折射率的三维分布数据。

结合图1，本发明基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，包括偏振He-Ne激光器1、扩束准直镜2、第一消偏振分光棱镜3、第二消偏振分光棱镜7、共焦显微物镜组即前显微物镜4和后显微物镜6、第一五维调节架15、第二五维调节架16、电控三维平移台5、1/4波片9、第一全反镜8、第二全反镜10、偏振分光棱镜11、第一高速CMOS数字图像采集装置12和第二高速CMOS数字图像采集装置13；线偏振He-Ne激光器1之后放置扩束准直镜2进行扩束准直，其后放置一消偏振分光棱镜3进行偏振分束；消偏振分光棱镜3的第一个输出面之后放置前显微物镜4和后显微物镜6，前显微物镜4和后显微物镜6的共焦点处放置有待测细胞样品，待测细胞样品放置在电控三维平移台5上，前显微物镜4放置在第一五维调节架15上，后显微物镜6放置在第二五维调节架16上，后显微物镜6之后放置消偏振分光棱镜7；消偏振分光棱镜3的第二个输出面之后放置第一全反镜8将光路转90度，第一全反镜8之后放置1/4波片9进行偏振态变化，1/4波片9之后放置第二全反镜10将光路再转90度；第二全反镜10之后放置第二消偏振分光棱镜7对相互正交的入射光进行合束，第二消偏振分光棱镜7之后放置偏振分光棱镜11，偏振分光棱镜11的第一输出面之后放置第一高速CMOS数字图像采集装置12，第二输出面之后放置第二高速CMOS数字图像采集装置13，第一高速CMOS数字图像采集装置12和第二高速CMOS数字图像采集装置13同时分别获取相移为

的干涉图，用以实时提取多方向干涉投影数据。

本发明基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，通过1/4波片9和偏振分光棱镜11实现

的偏振相移，结合第一高速CMOS数字图像采集装置12和第二高速CMOS数字图像采集装置13可同时获得相移为

的两幅干涉图。

结合图1对本发明作更加详细的说明，基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，它由偏振He-Ne激光器、扩束准直镜、消偏振分光棱镜、共焦显微物镜组、五维调节架、待测细胞样品、电动平移台、平面镜、消偏振分光棱镜和高速图像采集装置等组成，其中线偏振He-Ne激光器1的输出波长为632.8nm，功率4mW，光斑大小约7mm，稳定性小于

；扩束准直镜2由平凹透镜（

，

）和平凸透镜（

，

）组成，扩束比为10倍；消偏振分光棱镜3和7的分光比为1:1,且能保证出射光的偏振态与入射光一致；共焦物镜对4和6的放大率为25×（25/1.48，160/0.17），数值孔径为0.4，放置于五维调节架上以便进行对焦调节；待测细胞样品为血红细胞由电控平移台5可进行三维精确移动，步距0.078μm；1/4波片的快轴方向与入射光的偏振方向成45度角；偏振分光棱镜11能将P和S偏振分量分开，从相互垂直的两个方向出射；高速CMOS相机12和13型号为Mintron 1310，像素数为

，每秒可采集500幅图像。其工作过程为：线偏振He-Ne激光器1发出的激光束经扩束准直镜2的扩束准直后，由消偏振分光棱镜3将其分为相互垂直传播的物光和参考光，且保持入射时的线偏振状态；共焦物镜组中的第一物镜4将物光会聚在细胞样品上，共焦物镜组中的第二物镜6将从细胞样品出射的物镜准直，然后入射到消偏振分光棱镜7上；参考光经全反射镜8的反射，传播方向改变90度，然后经过一个1/4波片9，偏振态变为圆偏振光（或椭圆偏振光），之后再由一个全反射镜10将其传播方向改变90度，入射到消偏振分光棱镜7上，与物光合成一束；然后，由偏振分光棱镜11对其进行偏振分光，P偏振光分量形成的干涉图由一路高速CMOS相机12采集，并送入计算机14处理，S偏振分量形成的干涉图由另一路高速CMOS相机13采集，并送入计算机14处理。为了使整个干涉光路处于微离轴状态，调节第一个平面镜8的偏摆角使参考光和物光之间存在一个小的θ角，以保证干涉频谱图的

级之间相互不交叠，但均和零级条纹重合，即处于微离轴状态。在此基础上，通过希尔伯特相位提取法和相位解包法，从载频干涉图中恢复出携带有细胞样品折射率空间分布信息的相位投影数据。通过电控平移台的精确控制，可实现细胞样品的二维扫描，从而获得细胞样品折射率空间分布的多方向相位投影数据，然后引用三维重构算法对细胞样品折射率的空间分布进行三维重构，得到折射率的三维分布数据。

本发明所采用的希尔伯特相位提取和解包方法可描述为：当干涉条纹的强度分布为

（1）

式中，

和

分别代表参考光和物光的分布，

是样品引起的相位变化，

为条纹的空间频率，由参考光和样品光之间的夹角决定。

,

表示加入

波片后参考光路的相位变化。

设     

                 （2）

则    

                                    （3）

其中，HT是希尔伯特变换。

干涉图经预处理之后，通过希尔伯特变换后可得到包裹的相位场分布，即真实的相位值分布经过2π的模运算，因此，还必须要相位解包（Phase Unwrapping）运算，恢复真实的相位分布。相位解包的基本原则是沿一定的路径对调制相位数据进行“积分”。若路径确定，则某一点的相位梯度为：，其中

为像点序号。如果

大于某一阈值，例如

，则认为是相位条纹边缘，相位值有

的不连续。这个相位不连续可以加以修正，修正的方法是根据

的正负相应的在相位值上加上或减去

，然后记下当前象素点的相位条纹序数N，重复此过程，当下一点不为相位条纹边缘时，则象素点的相位条纹序数仍然为N，当遇到相位条纹边缘点时，则象素点的相位条纹序数N 相应加上或减去1。当所有的象素点的相位值都经过解调制计算后，解调相位可以表示为：

  

                               （4）

本发明采用网络流法进行相位解包，先将相位展开问题转化为数学中求解最小范数的极值问题，可以有效地避免误差传递，而且展开的相位重新缠绕后与原始干涉相位一致性好，可有效地解决生物组织干涉图的相位展开问题，且相对于局部处理仍然保持了较高的相位展开精度。

Claims (2)

1.一种基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，其特征在于：包括偏振He-Ne激光器[1]、扩束准直镜[2]、第一消偏振分光棱镜[3]、第二消偏振分光棱镜[7]、共焦显微物镜组即前显微物镜[4]和后显微物镜[6]、第一五维调节架[15]、第二五维调节架[16]、电控三维平移台[5]、1/4波片[9]、第一全反镜[8]、第二全反镜[10]、偏振分光棱镜[11]、第一高速CMOS数字图像采集装置[12]和第二高速CMOS数字图像采集装置[13]；偏振He-Ne激光器[1]之后放置扩束准直镜[2]进行扩束准直，其后放置第一消偏振分光棱镜[3]进行偏振分束；第一消偏振分光棱镜[3]的第一个输出面之后放置前显微物镜[4]和后显微物镜[6]，前显微物镜[4]和后显微物镜[6]的共焦点处放置有待测细胞样品，待测细胞样品放置在电控三维平移台[5]上，前显微物镜[4]放置在第一五维调节架[15]上，后显微物镜[6]放置在第二五维调节架[16]上，后显微物镜[6]之后放置第二消偏振分光棱镜[7]；第一消偏振分光棱镜[3]的第二个输出面之后放置第一全反镜[8]将光路转90度，第一全反镜[8]之后放置1/4波片[9]进行偏振态变化，1/4波片[9]之后放置第二全反镜[10]将光路再转90度；第二全反镜[10]之后放置第二消偏振分光棱镜[7]对相互正交的入射光进行合束，第二消偏振分光棱镜[7]之后放置偏振分光棱镜[11]，偏振分光棱镜[11]的第一输出面之后放置第一高速CMOS数字图像采集装置[12]，第二输出面之后放置第二高速CMOS数字图像采集装置[13]，第一高速CMOS数字图像采集装置[12]和第二高速CMOS数字图像采集装置[13]同时分别获取相移为                                                

的干涉图，用以实时提取多方向干涉投影数据。

2.根据权利要求1所述的基于微离轴显微干涉投影的折射率层析装置，其特征在于：通过1/4波片[9]和偏振分光棱镜[11]实现

的偏振相移，结合第一高速CMOS数字图像采集装置[12]和第二高速CMOS数字图像采集装置[13]可同时获得相移为

的两幅干涉图。

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