CN114371549A - 一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及*** - Google Patents

一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及***，属于光学成像、显微技术领域。方法包括：步骤1、产生入射激光束，并准直后形成准直激光束后照射在待测样品上；步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，在成像面调整成像视场；步骤3、将调整过成像视场后的像通过4F***进行中继，经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，成像于CCD相机上，所述液晶空间光调制器设置于4F***的傅里叶面；步骤4、将成像于CCD相机上的图像通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。本发明的方法及***可以满足在一个CCD相机上实现单帧多幅离焦强度图同时成像，具有较高的灵活性，能够满足生物细胞等动态样品的高速实时相位成像。

Description

一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及***
技术领域
本发明属于光学成像、显微技术领域，更具体地，涉及一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及***。
背景技术
基于光强传输方程的定量相位恢复是一种非干涉相位成像方法，因此无需复杂的光路结构和相位解包裹计算，广泛应用于光学测量与生物医学成像等领域。求解光强传输方程，需要获取多幅离焦强度图以估计轴向强度差分，传统的轴向扫描一般采用移动CCD的方式实现，但机械移动不但会引入额外的误差而且降低了相位成像***的采集速度。
为此，有研究者提出了使用电控可变焦透镜或空间光调制器等特殊光学器件避免离焦扫描时的机械移动，但多幅强度图仍需依次变焦与采集，并不能进一步提高相位成像速度。在定量相位成像中的多离焦面同时采集方面，有研究者提出使用分光光路附加2个或4个CCD相机进行在焦面与离焦面的同时采集，以及使用空间光调制器结合类迈克尔逊干涉结构实现两幅强度图的同时成像。前者单次采集的离焦图像数量具有较大限制，取决于硬件配置，且其离焦距离也不便灵活调整，尽管后者可以控制空间光调制器实现离焦量的调整，但其单次采集的离焦图像总数量也仅2幅，易降低强度轴向差分的准确性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法及***，其目的是在一个CCD相机上实现单帧多幅离焦强度图同时成像。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法，包括如下步骤：
步骤1、产生入射激光束，经准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；
步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，并在显微放大的成像面调整成像视场；
步骤3、将调整过成像视场后的像通过一个4F***进行中继，并经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；所述多焦复用透镜相位模型为多个菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型；其中，所述液晶空间光调制器设置于所述4F***的傅里叶面；
步骤4、将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
进一步地，所述多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅。
进一步地，通过所述液晶空间光调制器编程实现所述多焦复用透镜的步骤如下：
S1、确定使待测样品合焦时的菲涅尔透镜的焦距fr和轴向偏移距离zr，以及对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角；
S2、基于所述合焦时的菲涅尔透镜的焦距fr、轴向偏移距离zr及待测样品物空间的轴向离焦步距Δz，确定K个离焦位置处的菲涅尔透镜的焦距及对应的K个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，其中，K≥1；
S3、基于上述K+1个菲涅尔透镜的焦距及对应的K+1个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，确定K+1个菲涅尔透镜的相位模型及对应的K+1个闪耀光栅的相位模型，并将其融合后得到对应的K+1个融合后的相位模型；
S4、在每个所述融合后的相位模型中随机抽取
Figure BDA0003436817780000031
个不同坐标位置处的值，且不同融合后的相位模型中被抽取的坐标不重复，将抽取得到的值重新组合构成所述多焦复用透镜的相位模型并将其加载在液晶空间光调制器上，其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率。
进一步地，S1中包括子步骤：
S1.1、通过CCD相机任意采集一幅轴向偏移距离为zt的光强图像Pt，设定该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距为ft，且ft满足：
Figure BDA0003436817780000032
其中，fF为4F***中的两个透镜的焦距，M为待测样品进行光学显微放大的放大倍率；
S1.2、在满足奈奎斯特抽样条件下，该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距满足：
Figure BDA0003436817780000033
其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为入射激光束的波长；
S1.3、基于步骤S1.1和S1.2，得到最大的轴向扫描范围，在所述最大的轴向扫描范围内，针对不同的轴向偏移距离zt，通过清晰度评价算子得到对应的光强图像Pt的评价值Ft，当Ft最小时，得到合焦时的轴向偏移距离zr。
进一步地，S2中第i个菲涅尔透镜的焦距fi为：
Figure BDA0003436817780000034
其中，设定离焦位置处的菲涅尔透镜的数量K为2n，且第n+1个为使待测样品合焦时的菲涅尔透镜，i＝1,...,2n+1，n≥1。
进一步地，S3中第i个离焦位置处的菲涅尔透镜的相位模型
Figure BDA0003436817780000041
及对应的闪耀光栅的相位模型
Figure BDA0003436817780000042
分别为：
Figure BDA0003436817780000043
Figure BDA0003436817780000044
其中，
Figure BDA0003436817780000045
θxi、θyi分别为对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角。
按照本发明的第二方面，提供了一种实现第一方面任意一项所述的基于多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像***，沿光路传输方向，依次包括：激光器、准直透镜、显微物镜、第一镜筒透镜、可调矩形光阑、第一透镜、液晶空间光调制器、第二透镜及CCD相机；其中，待测样品为透射样品，设置在所述显微物镜工作距离内；所述显微物镜及第一镜筒透镜组成双远心成像***，所述第一透镜和第二透镜组成光学4F***；
所述激光器用于产生入射激光束，经过所述准直透镜准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；被照明的待测样品经过所述双远心成像***放大成像，通过放置在其成像面的可调矩形光阑调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在所述4F***上，所述液晶空间光调制器位于所述4F***的傅里叶面，经过所述4F***第一透镜的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器调制后，经由第二透镜成像于CCD相机上，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
进一步地，所述裁剪范围包括所述可调矩形光阑通过所述4F***后在所述CCD相机中的成像边界。
进一步地，还包括设置在所述准直透镜与所述显微物镜之间的可调光阑，用于调整准直光束的直径；
或/和还包括设置在所述准直透镜与所述显微物镜之间的可旋转偏振镜，用于控制形成的准直激光束的偏振方向。
按照本发明的第三方面，提供了一种实现第一方面任意一项所述的基于多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像***，沿光路传输方向，依次包括：激光器、准直透镜、第二镜筒透镜、显微物镜、分束镜、第一镜筒透镜、可调矩形光阑、第一透镜、液晶空间光调制器、第二透镜及CCD相机；其中，待测样品为反射样品，设置在所述显微物镜的工作距离内；所述显微物镜及第一镜筒透镜组成双远心成像***，所述第一透镜和第二透镜组成光学4F***；
所述激光器用于产生入射激光束，经过所述准直透镜准直后形成准直激光束照射到所述第二镜筒透镜使准直激光束汇聚；汇聚后的光束照射到所述分束镜上；经过分束镜反射后的光束反射到所述显微物镜后形成平行光束照射到待测样品上，照射到待测样品上的光再次反射到所述显微物镜，并透射到所述第一镜筒透镜放大成像，通过放置在其成像面的可调矩形光阑调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在所述4F***上，所述液晶空间光调制器位于所述4F***的傅里叶面，经过所述4F***第一透镜的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器调制后，经由第二透镜成像于CCD相机上，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过将由液晶空间光调制器编程控制的数字复用透镜放置于4F光学***的傅里叶面，该多焦复用透镜相位模型为多个焦距及轴向离焦步距不同的菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型，结合显微成像，实现多幅离焦强度图在一个CCD相机上实现单帧成像，将成像于CCD相机上的图像通过光强传输方程恢复出待测样品的相位，从而恢复相位物体的三维形貌，相比于现有技术所用的轴向扫描装置，本发明可极大减小多幅离焦强度图像的采集时间，提高相位成像***的响应速度，以满足动态生物细胞等样品的实时三维相位显微成像。
(2)本发明能够实现多幅离焦强度图像的单次采集，其离焦距离及离焦强度图数量均可通过控制液晶空间光调制器进行修改，具有较高的灵活性，能够满足生物细胞等动态样品的高速实时相位成像。
(3)本发明的***通过显微物镜及第一镜筒透镜组成双远心成像***，从而实现了的固定放大率的多幅离焦强度图在一个CCD相机上实现单帧成像。
(4)本发明通过确定最大的轴向扫描范围，在该范围内基光强图像的评价值得到光束在CCD相机上的最清晰的成像截面，不需额外增加电控位移台等机械装置，使得本发明的方法更简单，操作更简便；且通过计算机自动化搜寻确定的最清晰的成像截面的方法相比电控位移台等机械装置更准确。
(5)作为优选，本发明的***，通过设置在准直透镜与显微物镜之间的可调光阑调整准直后形成准直激光束的直径，使准直后的光束的照明面积与待测样品的表面积匹配。
(6)作为优选，对得到的单帧多个离焦强度图裁剪为单个离焦强度图时，裁剪范围包括可调矩形光阑的像的边界，可以满足求解光强传输方程时的诺伊曼边界条件，使恢复出的三维相位不存在边界伪影，最终获得的三维相位更加准确。
总而言之，本发明的方法及***可以满足在一个CCD相机上实现单帧多幅离焦强度图同时成像，其离焦距离及离焦强度图数量均可通过控制液晶空间光调制器进行修改，具有较高的灵活性，能够满足生物细胞等动态样品的高速实时相位成像。
附图说明
图1为本发明的基于多焦复用透镜的定量相位成像***(待测样品为透射样品)。
图2为本发明的实施例提供的多离焦截面的单帧图像示意图。
图3为本发明的实施例中截取的单一截面强度图。
图4为本发明的基于多焦复用透镜的定量相位成像***(待测样品为反射样品)。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-激光器1，2-准直透镜，3-可调光阑，4-可旋转偏振镜，5-待测样品，6-显微物镜，7-第一镜筒透镜，8-可调矩形光阑，9-第一透镜，10-液晶空间光调制器，11-第二透镜，12-CCD相机，13-第二镜筒透镜，14-分束镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提供了一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法，包括如下步骤：
步骤1、产生入射激光束，经准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；
步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，并在显微放大的成像面调整成像视场，使CCD相机采集到的多幅离焦强度图之间相互独立；
步骤3、将调整过成像视场后的像通过一个4F***进行中继，并经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，实现多截面同时成像于CCD相机上；多焦复用透镜相位模型为多个菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型；其中，液晶空间光调制器设置于4F***的傅里叶面；
其中，多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅。
具体的，通过液晶空间光调制器编程实现多焦复用透镜的步骤如下：
S1、确定使待测样品合焦时(即最佳清晰成像时)菲涅尔透镜的焦距fr和轴向偏移距离zr，以及对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角；
S2、基于合焦时的菲涅尔透镜的焦距fr、轴向偏移距离zr及待测样品物空间的轴向离焦步距Δz，确定K个离焦位置处的菲涅尔透镜的焦距及对应的K个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，其中，K≥1；其中，该离焦步距Δz大于待测样品的深度以保证离焦。
S3、基于K+1个菲涅尔透镜的焦距及对应的K+1个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，确定K+1个菲涅尔透镜的相位模型及对应的K+1个闪耀光栅的相位模型，并将其融合后得到对应的K+1个融合后的相位模型；
S4、在每个融合后的相位模型中随机抽取
Figure BDA0003436817780000081
个不同坐标位置处的值，且不同融合后的相位模型中被抽取的坐标不重复，将抽取得到的值重新组合构成多焦复用透镜的相位模型并将其加载在液晶空间光调制器上，其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率。
具体的，S1中包括子步骤：
S1.1、通过CCD相机任意采集一幅轴向偏移距离为zt光强图像Pt，设定该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距为ft，且ft满足：
Figure BDA0003436817780000091
其中，fF为4F***中的两个透镜的焦距，M为待测样品进行光学显微放大的放大倍率；
S1.2、在满足奈奎斯特抽样条件下，该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距满足：
Figure BDA0003436817780000092
其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为入射激光束的波长。
S1.3、基于步骤S1.1和S1.2，得到最大的轴向扫描范围，在最大的轴向扫描范围内，针对不同的轴向偏移距离zt，通过清晰度评价算子得到对应的光强图像Pt的评价值Ft，当Ft最小时，得到合焦时的轴向偏移距离zr；将轴向偏移距离zr代入S1.1中的公式，得到对应的焦距fr即为光束聚焦位置处的菲涅尔透镜的焦距。其中，当轴向偏移距离zt＝0时，对应的焦距为无穷远。
步骤4、将成像于CCD相机上的图像通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
如图1所示，本发明提供的一种的基于上述多焦复用透镜的定量相位成像方法的***结构，沿光路传输方向，依次包括：激光器1、准直透镜2、可调光阑3、可旋转偏振镜4、显微物镜6、第一镜筒透镜7、可调矩形光阑8、第一透镜9、液晶空间光调制器10、第二透镜11及CCD相机12。其中，激光器1、准直透镜2、可调光阑3、可旋转偏振镜4、显微物镜6、第一镜筒透镜7组成显微成像***；第一透镜9和第二透镜11组成光学4F***。其中，待测样品5为透射样品，设置在可旋转偏振镜4和显微物镜6之间，并位于显微物镜的工作范围内；其中，显微物镜6及第一镜筒透镜7组成双远心成像***，以保证离焦时像方放大率恒定。来自激光器的输入光经准直透镜准直为平行光束后，由可调光阑调节光束直径，并由可旋转偏振镜控制其偏振方向后直接照射样品，透过样品的光被显微物镜收集并经过第一镜筒透镜放大成像，放大成像之后经由放置于显微成像***成像面的可调矩形光阑调整成像视场与CCD相机的成像视场匹配，防止多幅离焦强度图之间相互干涉，即使得每幅离焦强度图都是独立的；调整过成像视场后的光束照射到包含液晶空间光调制器的4F***上，其中液晶空间光调制器位于4F***的傅里叶面，且4F***中靠近成像面(可调矩形光阑)一侧透镜的焦点也位于显微成像***成像面上，最后4F***的输出光由CCD接收。其中，第一透镜与第二透镜的焦距均为fF，第一透镜与液晶空间光调制器和显微成像***的成像面(即可调光阑)的距离均为fF，第二透镜与液晶空间光调制器和CCD相机的距离也均为fF，显微成像***的出射光经由第一透镜照射至液晶空间光调制器，被调制后经由第二透镜11成像于CCD相机12。将采集到的图像通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
液晶空间光调制器可以编程实现数字多焦复用透镜的功能，该数字多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及多个衍射角不同的闪耀光栅，从而实现多个离焦强度图同时成像于CCD相机上。
可调光阑3作为优选，用于调整经过准直透镜2准直后的平行光束的直径，使准直后的光束的照明面积与待测样品5的表面积匹配。可旋转偏振镜4作为优选，用于控制准直后的平行光束的偏振方向，使其变为单一的偏振方向。
具体的，利用上述基于多焦复用透镜的定量相位成像***实现多焦面强度图像采集与三维形貌恢复，具有以下步骤：
步骤一，由于样品尺寸的不确定性，在测量前使用液晶空间光调制器实现具有不同焦距的菲涅尔透镜，进行清晰成像截面的搜寻，具体如下：
当由液晶空间光调制器实现焦距为ft的菲涅尔透镜时，需根据下式的相位模型生成相息图并加载至液晶空间光调制器，
Figure BDA0003436817780000111
其中，
Figure BDA0003436817780000112
W×H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为光源波长(即入射激光束的波长)。
即可通过CCD采集离焦距离为zt的图像Pt，并由清晰度评价算子得出图像Pt的评价值Ft，其中：
Figure BDA0003436817780000113
其中，M为显微物镜的放大率。
且由于液晶空间光调制器的离散化特性，在满足奈奎斯特抽样条件下，所生成的菲涅尔透镜存在着最小焦距的限制，即：
Figure BDA0003436817780000114
根据上述两式子，即可确定最大的轴向扫描范围，并在这一范围内确定合适的搜寻范围，并在搜寻范围内得出不同焦距ft下的清晰度评价值Ft，当找到最小的Ft时，即可认为找到了最佳清晰成像截面，记此时的菲涅尔透镜焦距为fr，离焦距离为zr。
步骤二，进行光强轴向差分估计时，至少需要两幅强度图，即一幅在焦与一幅离焦。本实施例为了保证光强轴向差分估计的准确性，确定离焦强度图的采集数量2n+1以适用中心差分法，即K＝2n，n≥1，每幅强度图在物空间的离焦步距为Δz，其中第i幅强度图记为
Figure BDA0003436817780000115
且i＝1,...,2n+1，j＝i-n-1，第n+1幅强度图
Figure BDA0003436817780000116
为聚焦时所采集的清晰强度图(即步骤一确定的焦距为fr，离焦距离为zr的菲涅尔透镜在CCD相机上生成的聚焦强度图)，其余均为离焦的强度图。
步骤三，根据步骤二指定的采集数量2n+1及离焦步距Δz，建立多焦复用透镜的相位模型，具体如下：
首先计算所需的2n+1个菲涅尔透镜的焦距，其中第i个菲涅尔透镜的焦距为：
Figure BDA0003436817780000121
其中，M为显微物镜的放大率，n≥1。
其次，根据第i幅强度图的中心相对CCD面阵中心在x、y两方向的偏移及fF的值，可以利用反正切函数推算第i个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角θxi与θyi。图2示出了n＝4时9个离焦截面的单帧图像示意图，下表给出了相应的衍射角组合方式，表中θ表示闪耀光栅在x、y两方向特定位置的衍射角值。
表1 n＝4时，x、y两方向的衍射角
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9
θ<sub>xi</sub> -θ 0 θ -θ 0 θ -θ 0 θ
θ<sub>yi</sub> θ θ θ 0 0 0 -θ -θ -θ
同时，为了保证较高的衍射效率，设定闪耀光栅的周期单元台阶数为8，即：
Figure BDA0003436817780000122
第i个闪耀光栅的相位模型为：
Figure BDA0003436817780000123
则第i个闪耀光栅与第i个菲涅尔透镜融合的相位模型为：
Figure BDA0003436817780000124
最后，在每个相位坐标(u,v)下，从对应的2n+1个相位集合
Figure BDA0003436817780000125
随机选取一个，遍历所有的相位坐标，并保证从每个相位模型中抽取的样本数为
Figure BDA0003436817780000131
构成多焦复用透镜的相位模型
Figure BDA0003436817780000132
并据此模型用计算机生成对应的相息图。
步骤三，将步骤二中多焦复用透镜的相息图写入液晶空间光调制器，实现多离焦截面同时成像于CCD中。即液晶空间光调制器通过编程实现多焦复用透镜的功能，从而实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上。
将获取的单帧图像进行截取以获得2n+1张强度图(其中一张是待测样品合焦时的强度图，2n张是离焦强度图)，截取时需保证截取范围包括可调矩形光阑的边界，如图3所示，以满足求解光强传输方程时的诺伊曼边界条件。然后运用中心有限差分进行强度轴向微分估计，即：
Figure BDA0003436817780000133
其中，权重ai可依据泰勒展开式得出，具体可由下式推出：
Figure BDA0003436817780000134
步骤四，将步骤三中算得的强度轴向微分
Figure BDA0003436817780000135
及在焦面强度图
Figure BDA00034368177800001310
(即待测样品合焦时的强度图)代入下式，利用离散余弦变换求解光强传输方程，并求得相位：
Figure BDA0003436817780000136
式中，k为波数，
Figure BDA0003436817780000137
为梯度运算符，
Figure BDA0003436817780000138
为逆拉普拉斯运算符。
步骤五，将步骤四中求得的相位代入下式即可换算为待测样品的实际尺度：
Figure BDA0003436817780000139
式中，Δn为待测样品折射率与环境介质折射率之差。
尽管本发明所提供的基于多焦复用透镜的定量相位成像***是以透射式样品为例，但可以对其照明光路稍作修改即可用于反射式样品的测量，其基本光学成像与相位恢复方法仍然适用，因此上式同样提供了反射样品实际物理高度的换算方法。如图4所示，本发明提供的针对反射样品的基于上述多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像***，沿光路传输方向，依次包括：激光器1、准直透镜2、第二镜筒透镜13、显微物镜6、分束镜14、第一镜筒透镜7、可调矩形光阑8、第一透镜9、液晶空间光调制器10、第二透镜11及CCD相机12；其中，待测样品为反射样品，设置在显微物镜6的工作距离内；显微物镜6及第一镜筒透镜7组成双远心成像***，第一透镜9和第二透镜11组成光学4F***；
激光器1，用于产生入射激光束，经过准直透镜2准直后形成准直激光束照射到第二镜筒透镜13使准直激光束汇聚，汇聚后的光束照射到分束镜14上；经过分束镜14的光束反射到显微物镜6后形成平行光束照射到待测样品上，照射到待测样品上的光再次反射到显微物镜6，透射到第一镜筒透镜7放大成像；通过放置在其成像面的可调矩形光阑8调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在4F***上，液晶空间光调制器10位于4F***的傅里叶面，经过4F***第一透镜9的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器10调制后，经由第二透镜11成像于CCD相机12上，实现多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；将成像于CCD相机12上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
最为优选，在准直透镜与显微物镜之间还设置有可调光阑3及可旋转偏振镜4，分别用于调整准直光束的直径及控制形成的准直激光束的偏振方向。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多焦复用透镜的定量相位成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、产生入射激光束，经准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；
步骤2、对照明后的待测样品进行光学显微放大，并在显微放大的成像面调整成像视场；
步骤3、将调整过成像视场后的像通过一个4F***进行中继，并经过加载了多焦复用透镜相位模型的液晶空间光调制器调制后，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机上；所述多焦复用透镜相位模型为多个菲涅尔透镜的相位模型及对应的多个闪耀光栅的相位模型通过随机抽样组成的融合相位模型；其中，所述液晶空间光调制器设置于所述4F***的傅里叶面；
步骤4、将成像于CCD相机上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述多焦复用透镜包括多个焦距不同的菲涅尔透镜及对应的多个衍射角不同的闪耀光栅。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，通过所述液晶空间光调制器编程实现所述多焦复用透镜的步骤如下：
S1、确定使待测样品合焦时的菲涅尔透镜的焦距fr和轴向偏移距离zr，以及对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角；
S2、基于所述合焦时的菲涅尔透镜的焦距fr、轴向偏移距离zr及待测样品物空间的轴向离焦步距Δz，确定K个离焦位置处的菲涅尔透镜的焦距及对应的K个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，其中，K≥1；
S3、基于上述K+1个菲涅尔透镜的焦距及对应的K+1个闪耀光栅在x、y两方向的衍射角，确定K+1个菲涅尔透镜的相位模型及对应的K+1个闪耀光栅的相位模型，并将其融合后得到对应的K+1个融合后的相位模型；
S4、在每个所述融合后的相位模型中随机抽取
Figure FDA0003436817770000021
个不同坐标位置处的值，且不同融合后的相位模型中被抽取的坐标不重复，将抽取得到的值重新组合构成所述多焦复用透镜的相位模型并将其加载在液晶空间光调制器上，其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率。
4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，S1中包括子步骤：
S1.1、通过CCD相机任意采集一幅轴向偏移距离为zt的光强图像Pt，设定该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距为ft，且ft满足：
Figure FDA0003436817770000022
其中，fF为4F***中的两个透镜的焦距，M为待测样品进行光学显微放大的放大倍率；
S1.2、在满足奈奎斯特抽样条件下，该光强图像Pt对应的菲涅尔透镜的焦距满足：
Figure FDA0003436817770000023
其中，W×H为液晶空间光调制器的分辨率，d为像素中心间距，λ为入射激光束的波长；
S1.3、基于步骤S1.1和S1.2，得到最大的轴向扫描范围，在所述最大的轴向扫描范围内，针对不同的轴向偏移距离zt，通过清晰度评价算子得到对应的光强图像Pt的评价值Ft，当Ft最小时，得到合焦时的轴向偏移距离zr。
5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，S2中第i个菲涅尔透镜的焦距fi为：
Figure FDA0003436817770000031
其中，设定离焦位置处的菲涅尔透镜的数量K为2n，且第n+1个为使待测样品合焦时的菲涅尔透镜，i＝1,...,2n+1，n≥1。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，S3中第i个离焦位置处的菲涅尔透镜的相位模型
Figure FDA0003436817770000032
及对应的闪耀光栅的相位模型
Figure FDA0003436817770000033
分别为：
Figure FDA0003436817770000034
Figure FDA0003436817770000035
其中，
Figure FDA0003436817770000036
θxi、θyi分别为对应的闪耀光栅在x、y两方向的衍射角。
7.一种实现权利要求1-6任意一项所述的基于多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像***，其特征在于，沿光路传输方向，依次包括：激光器(1)、准直透镜(2)、显微物镜(6)、第一镜筒透镜(7)、可调矩形光阑(8)、第一透镜(9)、液晶空间光调制器(10)、第二透镜(11)及CCD相机(12)；其中，待测样品为透射样品，设置在所述显微物镜(6)工作距离内；所述显微物镜(6)及第一镜筒透镜(7)组成双远心成像***，所述第一透镜(9)和第二透镜(11)组成光学4F***；
所述激光器(1)用于产生入射激光束，经过所述准直透镜(2)准直后形成准直激光束并照射在待测样品上；被照明的待测样品经过所述双远心成像***放大成像，通过放置在其成像面的可调矩形光阑(8)调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在所述4F***上，所述液晶空间光调制器(10)位于所述4F***的傅里叶面，经过所述4F***第一透镜(9)的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器(10)调制后，经由第二透镜(11)成像于CCD相机(12)上，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机(12)上；将成像于CCD相机(12)上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
8.根据权利要求7所述的成像***，其特征在于，所述裁剪范围包括所述可调矩形光阑通过所述4F***后在所述CCD相机中的成像边界。
9.根据权利要求7所述的成像***，其特征在于，还包括设置在所述准直透镜(2)与所述显微物镜(6)之间的可调光阑(3)，用于调整准直光束的直径；
或/和还包括设置在所述准直透镜(2)与所述显微物镜(6)之间的可旋转偏振镜(4)，用于控制形成的准直激光束的偏振方向。
10.一种实现权利要求1-6任意一项所述的基于多焦复用透镜的定量相位成像方法的成像***，其特征在于，沿光路传输方向，依次包括：激光器(1)、准直透镜(2)、第二镜筒透镜(13)、显微物镜(6)、分束镜(14)、第一镜筒透镜(7)、可调矩形光阑(8)、第一透镜(9)、液晶空间光调制器(10)、第二透镜(11)及CCD相机(12)；其中，待测样品为反射样品，设置在所述显微物镜(6)的工作距离内；所述显微物镜(6)及第一镜筒透镜(7)组成双远心成像***，所述第一透镜(9)和第二透镜(11)组成光学4F***；
所述激光器(1)用于产生入射激光束，经过所述准直透镜(2)准直后形成准直激光束照射到所述第二镜筒透镜(13)使准直激光束汇聚；汇聚后的光束照射到所述分束镜(14)上；经过分束镜(14)反射后的光束反射到所述显微物镜(6)后形成平行光束照射到待测样品上，照射到待测样品上的光再次反射到所述显微物镜(6)，并透射到所述第一镜筒透镜(7)放大成像，通过放置在其成像面的可调矩形光阑(8)调整成像视场；调整过成像视场后的光照射在所述4F***上，所述液晶空间光调制器(10)位于所述4F***的傅里叶面，经过所述4F***第一透镜(9)的光经过加载了多焦复用透镜的相位模型的液晶空间光调制器(10)调制后，经由第二透镜(11)成像于CCD相机(12)上，实现单帧多个离焦强度图同时成像于CCD相机(12)上；将成像于CCD相机(12)上的单帧多个离焦强度图分别裁剪为单个离焦强度图后通过光强传输方程恢复出待测样品的相位。
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