CN110989313A - 全息显微成像装置 - Google Patents

Abstract

一种全息显微成像的实现装置，该装置包括倒置显微镜和全息成像装置，其中：倒置显微镜具有一个光路入口和一个光路出口，待观测物体经由线性偏振激光明场照明，携带待观测物体信息的光线经过光路入口进入倒置显微镜，在倒置显微镜得到物体放大后的全息图像，倒置显微镜的光路出口与全息成像装置的光路入口相连接；全息成像装置具有一个光路入口和一个光路出口，用于对光场的横模和偏振耦合并进行复合测量。本发明提出的定量相位成像实现装置使用非标记标本的成像方法，不会产生由于荧光成像引起的光吸收使分子结构的光漂白，克服了激发光对生物细胞的毒性问题，使本发明可用于观察活体细胞的演化。

Description

全息显微成像装置

技术领域

本发明涉及显微成像技术、干涉成像、相位成像技术领域，尤其涉及一种全息显微成像装置。

背景技术

光场通过非均匀介质会与介质发生相互作用，调制光的波前和振幅，这个过程被称为光的散射。一般只考虑弹性散射，即经过散射之后光的波长不变。由于散射光的振幅和相位中携带有散射物体的内部结构信息，因此可以通过测量散射场来恢复出物体的结构，这个过程称为逆散射问题的解。这是对透明的生物组织或者细胞层析成像的基础。由于细胞内组织有许多高度动态的结构，很难用标记的方法进行研究，所以长期以来对未标记的三维活体样本的层析成像的需求催生了新的相位成像技术。

对薄透明的多重散射样品的成像一直是光学成像的难点，其困难在于，多重散射会产生一个非相干的背景，最终导致图像的对比度降低，即使对普通的定量相位成像也是如此。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种全息显微成像装置实现对相位型物体进行全息显微成像。

(二)技术方案

一种全息显微成像的实现装置，该装置包括：倒置显微镜和全息成像装置，其中：

倒置显微镜具有一个光路入口和一个光路出口，线性偏振激光明场发出的光线进入光路入口，倒置显微镜的光路出口与全息成像装置的光路入口相连接，倒置显微镜用于得到物体放大后的全息图像；

全息成像装置具有一个光路入口和一个光路出口，用于对光场的横模和偏振耦合并进行复合测量。

上述方案中，倒置显微镜包括：线性偏振片、第一扩束透镜、第二扩束透镜和反射镜，沿光路方向，器件顺序为线性偏振片、第一扩束透镜、第二扩束透镜和反射镜。

上述方案中，全息成像装置包括：偏振演化模块和偏振测量模块，其中：

偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合；

偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场。

上述方案中，偏振演化模块包括第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜、空间光调制器，第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜组成一个线性光学信息处理***，空间光调制器位于第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜的共焦面上，根据光路方向，器件顺序依次为第一傅里叶透镜、空间光调制器和第二傅里叶透镜。

上述方案中，所述第一傅里叶透镜用于将光束从x，y空间分布变换到动量空间；

所述空间光调制器用于将动量空间中p＝0分量的光偏振旋转任意角度；

所述第二傅里叶透镜用于将光束从动量空间变换到x，y空间。

上述方案中，偏振测量模块包括一个半波片、四分之一波片、偏振分束器和感光器件，根据光路方向，器件顺序四分之一波片、半波片、偏振分束器。

上述方案中，半波片和所述四分之一波片用于得到光束在六组测量基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直下的强度图像；

所述偏振分束器用于改变光束的相位实现零动量分量的偏振旋转；

所述感光器件用于获取图像。

其中，感光器件可以是CCD或CMOS等相机。

(三)有益效果

1、本发明提出的定量相位成像实现装置使用非标记标本的成像方法，所以不会产生由于荧光成像引起的光吸收使分子结构的光漂白，克服了激发光对生物细胞的毒性问题，使本发明可用于观察活体细胞的演化。

2、本发明提出的定量相位成像实现装置可以有效抑制背景散射，使成像结果有很高的对比度，可用于观测少量或单个非标记的细胞等生物结构。

3、本发明提出的定量相位成像实现装置拥有共光路设计优点，因此成像具有极高的空间和时间相干稳定性。

4、本发明提出的定量相位成像实现装置照明光源使用低相干光源，可以有效抑制激光散斑。

5、本发明提出的定量相位成像实现装置可以进行实时测量，监测目标物体的动态变化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的定量相位成像装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的全息显微成像装置结构示意图，该装置包括：倒置显微镜a和全息成像装置b。其中，倒置显微镜a具有一个光路入口和一个光路出口，线性偏振激光明场发出的光线进入光路入口，经过线性偏振片1照射到待测物体2上，在倒置显微镜a得到物体放大后的全息图像，倒置显微镜a的光路出口与全息成像装置b的光路入口相连接。倒置显微镜a包括：线性偏振片1、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5，沿光路方向，器件顺序为线性偏振片1、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4和反射镜5。

其中，线性偏振片1、第一扩束透镜3、第二扩束透镜4用于对入射光线进行扩束；

反射镜5用于对扩束后的光线进行反射。

全息成像装置b具有一个光路入口和一个光路出口，用于对光场的横模和偏振耦合并进行复合测量，包括：偏振演化模块和偏振测量模块。

偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合，包括第一傅里叶透镜6、第二傅里叶透镜9、空间光调制器7或者液晶相位片等像素可控的偏振器件，第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜组成一个线性光学信息处理***，空间光调制器7位于第一傅里叶透镜6、第二傅里叶透镜9的共焦面上，根据光路方向，器件顺序依次为第一傅里叶透镜6、空间光调制器7和第二傅里叶透镜8。其中，第一傅里叶透镜用于将光束从x，y空间分布变换到动量空间；空间光调制器用于将动量空间中p＝0分量的光偏振旋转任意角度；第二傅里叶透镜用于将光束从动量空间变换到x，y空间。

偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场，包括一个半波片10，四分之一波片9，偏振分束器11和感光器件12，其中感光器件可以是CCD或CMOS等相机。根据光路方向，器件顺序四分之一波片9、半波片10、偏振分束器11和感光器件12。成像光路首先经过偏振演化模块然后进入偏振测量模块。半波片和所述四分之一波片用于得到光束在六组测量基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直下的强度图像；偏振分束器用于改变光束的相位实现零动量分量的偏振旋转；感光器件用于获取图像。

样品经由显微镜成像后由第一傅里叶透镜将光束x，y空间分布变换到动量空间的分布。在第一傅里叶透镜的后焦面上，空间光调制器将动量p＝0部分的光偏振旋转角度θ。具体实现方法是让打在空间光调制器上光束中心位置的几个像素加载适当的灰度图，改变光束的相位来实现零动量分量的偏振旋转。光束经过线性偏振片之后，通过第一傅里叶透镜变换到x，y空间，进入偏振测量模块，通过适当改变半波片和四分之一波片的角度，基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直测量基的测量，提取在CCD上得到的图像结果，可以计算得出波函数的实部和虚部，根据θ(x，y)＝arctan(Reψ/Imψ)计算得出观测物体的相位分布图。

下面对本装置的原理进行具体定量说明。

假定照明光束延z轴传播，考虑光束在x-y平面上的分布为***态|ψ>_s＝∫ψ(x，y)|x，y>dxdy，其中ψ(x，y)为待测光场波函数，指针态为光子的偏振，这里偏振初态为

|V>分别表示水平偏振和竖直偏振。***态和指针态耦合之后进行幺正演化，复合态写为：

|Ψ>_SP＝U(θ)|ψ>|s_i>

其中

|s_i>为指针态初态，θ为耦合强度，

为{|0>，|1>}基下的泡利矩阵，U(θ)表示对偏振指针和二维空间波函数耦合的复合态进行演化操作。接下来对位置进行测量：

<x|ψ>|s_f>＝<x|U(θ)|ψ>|s_i>

<x|ψ>为待测函数，指针态末态为：

是弱值，对末态做偏振测量，|s_f>表示对上述复合态|Ψ>_SP进行位置空间的后选择并归一化得到的末态。

可以通过适当的初始指针态选取(如|s_i>＝|H>，|H>表示水平偏振)使得〈s_i|σ₁|s_i>＝0，〈s_i|σ₂|s_i>＝0，所以进行σ₁，σ₂，σ₃测量之后

代入

得到待测函数

可以看到，待测函数的实部是反比于σ₁，σ₃测量值，虚部是反比于σ₂测量值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全息显微成像的实现装置，其特征在于，该装置包括：倒置显微镜(a)和全息成像装置(b)，其中：

倒置显微镜(a)具有一个光路入口和一个光路出口，线性偏振激光明场发出的光线进入光路入口，倒置显微镜(a)的光路出口与全息成像装置(b)的光路入口相连接，倒置显微镜a用于得到物体放大后的全息图像；

全息成像装置(b)具有一个光路入口和一个光路出口，用于对光场的横模和偏振耦合并进行复合测量。

2.根据权利要求1所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述倒置显微镜(a)包括：线性偏振片、第一扩束透镜、第二扩束透镜和反射镜，沿光路方向，器件顺序为线性偏振片、第一扩束透镜、第二扩束透镜和反射镜。

3.根据权利要求1所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述全息成像装置(b)包括：偏振演化模块和偏振测量模块，其中，

偏振演化模块，具有一个光路入口和一个光路出口，用于将包含待测物体信息的光场和偏振进行耦合；

偏振测量模块，具有一个光路入口，偏振测量模块的光路入口与偏振演化模块的光路出口相连接，用于测量包含待测物体信息的光场。

4.根据权利要求3所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述偏振演化模块包括第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜、空间光调制器，第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜组成一个线性光学信息处理***，空间光调制器位于第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜的共焦面上，根据光路方向，器件顺序依次为第一傅里叶透镜、空间光调制器和第二傅里叶透镜。

5.根据权利要求4所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，

所述第一傅里叶透镜用于将光束从x，y空间分布变换到动量空间；

所述空间光调制器用于将动量空间中p＝0分量的光偏振旋转任意角度；

所述第二傅里叶透镜用于将光束从动量空间变换到x，y空间。

6.根据权利要求4所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述偏振测量模块包括一个半波片、四分之一波片、偏振分束器和感光器件，根据光路方向，器件顺序四分之一波片、半波片、偏振分束器。

7.根据权利要求1所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述半波片和所述四分之一波片用于得到光束在六组测量基对角、反对角、左旋、右旋、水平、竖直下的强度图像；

所述偏振分束器用于改变光束的相位实现零动量分量的偏振旋转；

所述感光器件用于获取图像。

8.根据权利要求7所述的全息显微成像的实现装置，其特征在于，所述感光器件可以是CCD或CMOS相机。

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