CN107121065A - 一种便携式相位定量检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式相位定量检测装置，包括光源模块和相位显微成像模块，光源模块利用单色LED光源、准直光学组件和反射镜为相位显微成像模块提供均匀稳定的照明光源，相位显微成像模块通过采用柔性变焦透镜、显微物镜、4f成像***和相机来实现***轴向快速扫描和采集放大率恒定的光强图像，利用采集到的三幅光强图像求解光强传输方程，即可获得物体的相位信息。本装置工作时只需将其安装在精密位移台上，即可具备相位检测功能，具有结构简单、便于携带以及检测速度快等特点，特别适合于生物细胞相位成像方面的应用。

Description

一种便携式相位定量检测装置
技术领域
本发明涉及一种便携式相位定量检测装置，属于光学测量和三维成像技术领域。
技术背景
波场，如麦克斯韦方程所描述，包含振幅和相位的性质并被描述成空间-时间函数。相位是波长的一种内在特性，研究表明四分之一左右的信息在振幅中，而大约四分之三的信息则在相位中。然而在实际中，现有的检测设备仅能直接测量波场的强度(振幅)，无法直接测量波场的相位，因为目前尚没有一种检测器能与光或量子力学场的时间带宽相匹配。这些丢失的相位信息在表面重建、显微镜学、位置检测和深度测量中至关重要。目前，最常用的相位检测技术是干涉测量法，这种方法可以同时获取振幅和相位信息。但是该技术由于需要物光和参考光进行叠加，对光源的相干性要求非常高，并且干涉装置复杂，测量环境要求严格，使得干涉法的应用存在许多的缺陷。因此非干涉检测法成为研究热点。
基于强度测量恢复波阵面的方法是由1977年诺贝尔奖得主Dennis Gabor提出的。相位恢复技术目前包括GSF(Gerchberg-Saxton-Fienup)迭代算法及基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation,TIE)的确定性求解算法。
基于光强传输方程(Transport of Intensity Equation,TIE)的相位检测技术是一种非干涉测量技术。光强传输方程实际上是一个二阶椭圆偏微分方程，其描述了沿光轴方向上光强的变化量与光波的相位之间的定量关系。TIE法只需要测量与光轴垂直的二到三个平面上的强度，就可以通过求解二阶微分方程来重构波的相位空间，克服了迭代法的迭代不确定性、抗噪声性能差等缺点。与干涉法相比，TIE法的主要优点有：非干涉、无需相位解包裹、对光源要求低(白光照明)、光学结构简单、对实验环境要求低等。
光强传输方程方法需要采集不同离焦面上的光强信息，如图1所示。传统的方法都是采用机械位移的方法来得到不同的离焦位置，从而进行光强信息的采集。但是这种方法的采集速率非常的低，而且对位移的精确度要求也非常的高，而高精度高稳定性的位移台成本一般也非常的高，难以应用于实时测量场合。柔性变焦透镜(ETL)可通过控制电流大小来实现焦距的迅速改变，从而具备轴向扫描，具有速度快、精度高。图2是采用柔性变焦透镜(ETL)的普通显微成像***，采用这种结构可实现对待测样品的快速轴向扫描，得到样品的离、聚焦光强图像。但是这种光学结构也存在的一个很大的问题，即在进行变焦的过程中，会导致像方数值孔径NA的变化和物像放大率的变化，为后期在求解光强传输方程时带来不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式相位定量检测装置，以解决现有技术存在的动态性能差、结构复杂且不利于携带等问题，实现高速高分辨率的三维透明物体的定量相位检测。
为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种便携式相位定量检测装置，包括一个光源模块1和一个相位显微成像模块2；光源模块1包括单色LED光源3、准直光学组件和反射镜7，其中准直光学组件包含聚焦镜4、光阑5、准直物镜6，其中聚焦镜4将从单色LED光源3发射出来的光进行汇聚到光阑5，光线通过光阑5后发散照射到准直物镜6，准直物镜6将发散光整形成平行光后水平照射到反射镜7上，被反射后垂直向上照射待测样品8，透过待测样品8的光进入相位显微成像模块2；该相位显微成像模块2包括显微物镜9、透镜10、透镜11、柔性变焦透镜12、相机13；透过待测样品8的光先后进入显微物镜9、由透镜10和透镜11组成的4f成像***，光线通过4f成像***之后进入柔性变焦透镜12，最后成像在相机13。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明使用柔性变焦透镜12替代传统方法中的机械位移来得到一系列离焦强度图像，大大提高了采集速度和准确度，适用于动态成像的应用；(2)本发明装置中的相位显微成像模块2由于在显微物镜9与柔性变焦透镜12中***一个4f成像***，且显微物镜9与柔性变焦透镜12分别位于4f成像***的前后焦点处，也就是柔性变焦透镜12位于显微物镜2的共轭面处，从而形成物像远心光路，保证了在柔性变焦透镜12变焦过程中，相机13所采集的图像放大率不会发生变化，减小后期算法处理的复杂度；(3)本发明装置中的光源模块1和相位显微成像模块2是相互独立且分离的模块，工作时只需将其安装在精密位移台上，即可用来进行相位检测，具有结构简单、便携式、使用方便以及测量速度快等特点。
附图说明
图1是传统光强传输方程所采用的实验装置原理图；
图2是含柔性变焦透镜(ETL)的普通显微成像***；
图3是本发明便携式相位定量检测装置的***原理图；
图4是便携式相位定量检测装置在实际使用时的安装示意图；
图5是图2所示***在显微镜和柔性变焦透镜(ETL)相距不同距离情况下，柔性变焦透镜(ETL)变焦时，***数值孔径NA值的变化情况；
图6是图4所示***在柔性变焦透镜(ETL)不同变焦情况下，***数值孔径NA值变化情况。
具体实施方式
本发明公开了一种便携式相位定量检测装置，包括光源模块和相位成像模块，光源模块利用单色LED光源、准直光学组件为相位成像模块提供均匀稳定的照明光源，相位成像模块通过采用柔性变焦透镜、显微物镜、4f成像***和相机来实现***轴向快速扫描和采集放大率恒定的光强图像，利用采集到的三幅光强图像求解光强传输方程，即可获得物体的相位信息。
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本发明一种便携式相位定量检测装置的光学结构如图3所示，包括一个光源模块1和一个相位显微成像模块2。所述光源模块1包括单色LED光源3、准直光学组件和反射镜7；其中准直光学组件包含聚焦镜4、光阑5、准直物镜6，聚焦镜4将从单色LED光源3发射出来的光汇聚到光阑5，所述光阑5用于控制通过孔径，提高光源质量；光线通过光阑5后发散照射到准直物镜6，准直物镜6将发散光整形成平行光后水平照射到反射镜7上，经反射镜7反射后照射待测样品8，透过待测样品8的光进入相位显微成像模块2；该相位显微成像模块2包括显微物镜9、透镜10、透镜11、柔性变焦透镜12、相机13，透过待测样品8的光首先通过显微物镜9，随后进入由透镜10和透镜11组成的4f成像***，所述透镜10和透镜11的焦距相同；光线通过4f成像***之后进入柔性变焦透镜12，最后成像在相机13上。
在实际使用时，便携式相位定量检测装置的安装示意图如图4所示，首先将精密位移台16固定在机械支架14上，随后将便携式相位定量检测装置中的相位显微成像模块2与精密位移台16固定，安装过程保证相位显微成像模块2的光轴与水平面垂直，确保相位显微成像模块2能够在光轴方向上精密调节；光源模块1固定在机械支架14的底座上，确保光源模块1和相位显微成像模块2的光轴17重合，待测样本8固定在载物台15上，载物台15固定在机械支架14上，具备X-Y两个方向的二维移动。
测量时，首先将待测样本8放置在载物台15上；随后调节精密位移台16使得相位显微成像模块2能够获得待测样本8较为清晰的图像；其次通过调节电流精确控制柔性变焦透镜12进行精密聚焦和离焦，同时由相位显微成像模块2中的相机13采集相应的光强图像，将采集到的欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像，分别记作I+z(x,y)、I0(x,y)、I-z(x,y),它们的离焦距离分别是Δz，0，-Δz。最后，利用光强传输方程计算物体的相位和高度信息，具体过程如下：
首先：光强传输方程(1)左边的光强轴向微分通常用采集到的光强图像的数值差分表示
其次：通过求解方程(1)可以得到物体的相位信息
其中是逆拉普拉斯运算符，为梯度运算符，k为波数。
最后：待测样本8实际高度
其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差。
为了说明本发明的柔性变焦透镜与4f成像***组合的优点，我们使用光学设计软件进行了对比仿真实验。图5是在显微镜和柔性变焦透镜(ETL)之间相距不同距离情况下，柔性变焦透镜(ETL)变焦时数值孔径NA值的变化情况。可以看到在柔性变焦透镜(ETL)变焦的时候NA的变化非常大，因此对应的像放大率也会随之发生较大的变化。图6为在柔性变焦透镜12与显微物镜之间加入4f成像***的光路图，从柔性变焦透镜12的变焦范围内选了4个焦距，***的像方NA值的变化情况，从图中可以看出NA值变化非常小，较好地消除了随着柔性变焦透镜12焦距改变时放大率也随着变化的缺点。

Claims (4)

1.一种便携式相位定量检测装置，其特征在于，包括一个光源模块1和一个相位显微成像模块2；所述光源模块1由单色LED光源3、准直光学组件和反射镜7组成，其中准直光学组件由聚焦镜4、光阑5和准直物镜6构成；所述相位显微成像模块2由显微物镜9、4f成像***、柔性变焦透镜12和相机13组成，其中4f成像***由具有相同焦距的透镜10和透镜11组成；
工作原理如下：聚焦镜4将单色LED光源3发射出来的光汇聚到光阑5上，光线通过光阑5后发散照射到准直物镜6，准直物镜6将发散光整形成平行光后水平照射到反射镜7上，被反射后垂直向上照射待测样品8，透过待测样品8的光在进入相位显微成像模块2后，先后通过显微物镜9、4f成像***，之后进入柔性变焦透镜12，最后成像在相机13上；测量时，通过控制柔性变焦透镜12对待测样品8进行准确聚焦和离焦，同时由相机13分别采集相应的光强图像，将采集到的欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像求解光强传输方程，即可获取物体的相位。
2.根据权利要求1所述的一种便携式相位定量检测装置，其特征在于：所述柔性变焦透镜12是通光口径大于10mm的焦距可调透镜，外加0~5V的控制电压，焦距可快速调整为-667mm~286mm 范围内的某一个特定值，响应时间小于2.5毫秒。
3.根据权利要求1所述的一种便携式相位定量检测装置，其特征在于：显微物镜9与柔性变焦透镜12严格位于4f成像***的前后焦点处，确保柔性变焦透镜12位于显微物镜9的共轭面位置处。
4.根据权利要求1所述的一种便携式相位定量检测装置，其特征在于：光源模块1和相位显微成像模块2是相互独立且分离的模块，工作时只需将其安装在精密位移台上，即可用来进行相位检测。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107796324A (zh) * 2017-11-27 2018-03-13 罗琪 基于导光管的位移测量装置及方法
CN108918465A (zh) * 2018-06-11 2018-11-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 光学三维成像***及光学三维成像方法
CN110132993A (zh) * 2019-06-19 2019-08-16 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法
CN110658570A (zh) * 2019-10-17 2020-01-07 天津大学 一种基于液体变焦透镜的显微镜***及其显微成像方法
CN110763161A (zh) * 2019-11-22 2020-02-07 安徽大学 一种基于强度传输方程的三维重构数据采集***
CN111288914A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 北京信息科技大学 一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及***
CN111413070A (zh) * 2020-04-13 2020-07-14 蔚海光学仪器（上海）有限公司 亮度检测装置及其检测方法
CN111474698A (zh) * 2020-04-30 2020-07-31 重庆邮电大学 一种双光源光学显微成像***及图像处理方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104345438A (zh) * 2014-10-29 2015-02-11 南京理工大学 基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法
CN104344793A (zh) * 2014-10-29 2015-02-11 南京理工大学 单帧光强传输定量相位显微***及其方法
CN105222901A (zh) * 2015-09-24 2016-01-06 程灏波 基于光强传输方程的实时定量相位检测装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104345438A (zh) * 2014-10-29 2015-02-11 南京理工大学 基于电控变焦透镜的光强传输相位显微***及其方法
CN104344793A (zh) * 2014-10-29 2015-02-11 南京理工大学 单帧光强传输定量相位显微***及其方法
CN105222901A (zh) * 2015-09-24 2016-01-06 程灏波 基于光强传输方程的实时定量相位检测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
左超等: "基于光强传输方程的非干涉相位恢复与定量相位", 《中国激光》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107796324A (zh) * 2017-11-27 2018-03-13 罗琪 基于导光管的位移测量装置及方法
CN107796324B (zh) * 2017-11-27 2023-08-11 罗琪 基于导光管的位移测量装置及方法
CN108918465A (zh) * 2018-06-11 2018-11-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 光学三维成像***及光学三维成像方法
CN110132993A (zh) * 2019-06-19 2019-08-16 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法
CN110132993B (zh) * 2019-06-19 2022-04-01 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法
CN110658570A (zh) * 2019-10-17 2020-01-07 天津大学 一种基于液体变焦透镜的显微镜***及其显微成像方法
CN110763161A (zh) * 2019-11-22 2020-02-07 安徽大学 一种基于强度传输方程的三维重构数据采集***
CN110763161B (zh) * 2019-11-22 2024-04-09 安徽大学 一种基于强度传输方程的三维重构数据采集***
CN111288914A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 北京信息科技大学 一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及***
CN111413070A (zh) * 2020-04-13 2020-07-14 蔚海光学仪器（上海）有限公司 亮度检测装置及其检测方法
CN111474698A (zh) * 2020-04-30 2020-07-31 重庆邮电大学 一种双光源光学显微成像***及图像处理方法

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