一種兩步衍射相位成像方法及對應(yīng)相位恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩步衍射相位成像方法及對應(yīng)相位恢復(fù)方法，利用光柵衍射的0級先后與+1級和-1級衍射光形成兩步共幾何光路干涉圖樣，具有高度的穩(wěn)定性，然后計(jì)算兩干涉圖樣之差以消除背景光強(qiáng)，繼而運(yùn)用希爾伯特變換恢復(fù)樣品的相位信息。相比離軸干涉常用的相位恢復(fù)方法，本發(fā)明無需高通濾波，高頻信息保留完整，相位恢復(fù)速率快，而且該成像方法適用于所有的離軸干涉，包括輕微離軸干涉。本發(fā)明在相位顯微方面具有廣泛的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景，特別是在透明樣品，如生物細(xì)胞相位成像以及相位測量等應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種兩步衍射相位成像方法及對應(yīng)相位恢復(fù)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于干涉顯微成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于光柵衍射的兩步衍射相位顯微成像方法以及相應(yīng)的相位恢復(fù)運(yùn)算方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)顯微技術(shù)為微觀事物的觀察開啟了一扇大門，在生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。眾多的生物樣品，如活細(xì)胞，大部分是透明的，表現(xiàn)為相位物體。利用相位與強(qiáng)度之間轉(zhuǎn)換的相位成像技術(shù)可對這些樣品進(jìn)行無損傷的清晰成像。目前，干涉相位顯微技術(shù)是其中的主流技術(shù)，具有測量速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]2004年美國GabrielPopescu教授提出傅里葉相位顯微技術(shù)，利用樣品的散射光與非散射光分別作為物場與參考場，使之發(fā)生共幾何光路同軸干涉，結(jié)合相移技術(shù)，采集多幅干涉圖以實(shí)現(xiàn)相位成像。類似技術(shù)還有美國專利技術(shù)US2009290156(A1)(空間光干涉顯微鏡與細(xì)胞組織的傅里葉變換光散射傳輸方法)。該類技術(shù)相位成像高度穩(wěn)定，相位恢復(fù)運(yùn)算簡便，不足的是精確調(diào)控相移在實(shí)際中是比較困難的，而且多次相移也不利于樣品的動態(tài)實(shí)時(shí)測量。相比之下，離軸干涉具有單次拍攝特性，可以很好地用于相位物體快現(xiàn)象的研究。如麻省理工學(xué)院專利技術(shù)CN20110374950.7 (用于希爾伯特相位成像的系統(tǒng)和方法)，它基于典型的馬赫-曾德爾干涉光路，利用希爾伯特積分變換處理單幅干涉圖以實(shí)現(xiàn)干涉相位成像。又如2006年瑞士 LynceeTecSA公司基于離軸干涉首次推出了數(shù)字全息顯微鏡(DHM-1000)，可直接觀測樣品的三維形貌和相位分布。然而此類技術(shù)中物光與參考光采用分離光路干涉，易受外界振動、環(huán)境干擾等影響。對此，共光路的離軸干涉相位成像被提出。如衍射相位顯微技術(shù)以及它的延伸技術(shù)利用光柵的衍射特性在不犧牲穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)了快速成像。但它與其他離軸干涉一樣，不能夠充分利用CCD的分辨率和空間帶寬，而且在相位恢復(fù)過程中需要通過高通濾波消除背景像，容易造成高頻信息的缺失。繼而，一類結(jié)合相移技術(shù)的輕微離軸干涉技術(shù)被提出，如美國杜克大學(xué)AdamWax教授通過控制兩偏振片實(shí)現(xiàn)的兩步輕微離軸干涉。該技術(shù)在相位恢復(fù)運(yùn)算中采用兩干涉圖樣相減消除不需要的背景像，無需高通濾波保證了樣品信息的完整。但是相移需要事后通過擬合背景條紋確定，一定程度上增加了相位恢復(fù)的復(fù)雜性。另外，此技術(shù)采用的是雙光路的干涉顯微，不具備共光路優(yōu)勢。
[0004]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中可從單幅離軸干涉圖解調(diào)相位信息，但離軸干涉不能充分利用CCD空間帶寬，常用的背景像高通濾波也會造成高頻信息缺失；雖然也有一些技術(shù)采用兩幅干涉圖，如文中提到的AdamWax提出的兩步輕微離軸干涉，但采用的是雙光路干涉成像系統(tǒng)，不穩(wěn)定，且需要器件來實(shí)現(xiàn)相移，并需要單獨(dú)測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種兩步衍射相位成像方法及對應(yīng)相位恢復(fù)方法，以充分利用CXD空間帶寬和免除背景像高通濾波，使同時(shí)適用于離軸干涉和輕微離軸干涉，增強(qiáng)相位成像的穩(wěn)定性、精確度和效率。
[0006]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明利用光柵衍射特性的兩步衍射相位成像和相位恢復(fù)技術(shù)，具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種兩步衍射相位成像方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008]第一步，使激光束通過顯微系統(tǒng)形成放大的顯微像，然后通過位于成像屏IP上的光柵(12)，從而分成許多級包含顯微圖像信息的衍射光；
[0009]第二步，所述衍射光通過第三透鏡(13)后進(jìn)行傅里葉變換，在傅里葉平面，利用第一擋板(16)擋住空間光調(diào)制器(14)中-1級衍射光濾波窗口，只允許+1級衍射光全部通過，O級衍射光低通濾波，然后+1級與O級衍射光通過第四透鏡(15)進(jìn)行傅里葉逆變換，完成了 +1級與O級衍射光整個(gè)濾波，他們分別作為樣品光與參考光，在CCD(IS)上形成第一幅干涉圖樣；
[0010]第三步，在傅里葉平面，撤掉第一擋板(16)，采用第二擋板(17)擋住空間光調(diào)制器(14)中+1級衍射光濾波窗口，只允許-1級和O級衍射光通過，然后通過第四透鏡(15)，在CXD(18)上形成第二幅干涉圖樣。
[0011]一種兩步衍射相位成像方法的對應(yīng)相位恢復(fù)方法，其特征在于包括以下步驟:
[0012]第一步，記錄兩干涉圖
[0013]所述光柵衍射的O級與+1級衍射光形成干涉圖樣為
[0014]
I+1 = Is+ Ir+ 2-sjT~n cos(^> + kx)(I)
[0015]其中，Is，Ie分別為物光波和參考光波強(qiáng)度，這兩者之和Itl = IS+IE為背景光強(qiáng)，為與樣品有關(guān)的空間變化相位，k為載波條紋的空間頻率。所述光柵衍射的O級與-1級衍射光形成的干涉圖樣為
[0016]
/_! = Is + Ir + 2^jls1., cos(φ-Lx)(2)
[0017]第二步，計(jì)算兩干涉圖樣之差消除背景光強(qiáng)
[0018]
In-1 I =/[cos(妒+λλ) —cos(爐一λλ)』= —2/sin爐Sin(Iv)
!—— (”

Y = 2y/s./A,
[0019]第三步，獲取與相位相關(guān)的復(fù)解析信號
[0020]首先對式(3)進(jìn)行希爾伯特變換
[0021]
IIT(Zll -1 丨)=y[sin(^ + kx)-sin(^-人:\*)] = 2γcospsin(Ar)(4)
[0022]其中，HT為希爾伯特變換；
[0023]進(jìn)而復(fù)解析信號為
[0024]Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5)
[0025]第四步，求解樣品包裹相位
[0026]φ{(diào)χ, ν) = arclan[Im(Z)/Rc(Z)](6)
[0027]第五步，對(6)式通過解包裹運(yùn)算獲取真實(shí)連續(xù)的樣品相位。
[0028]利用兩干涉圖之差來消除不需要的背景光強(qiáng)，無需高通濾波，以保證樣品信息的完整性，從而適用于離軸和輕微離軸干涉。
[0029]本發(fā)明的工作原理如下:激光器發(fā)出的光束沿著豎直方向向前傳輸透過偏振片，保證光束為線偏振光，然后傳輸通過由第一透鏡、針孔空間濾波器與第二透鏡組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后的光束入射至由樣品、可調(diào)載物臺、顯微物鏡及反射鏡組成的顯微系統(tǒng)，從而形成放大的顯微像；經(jīng)顯微系統(tǒng)出射的光束已轉(zhuǎn)為平行光束，然后沿著水平方向繼續(xù)傳輸至中繼鏡進(jìn)行校正處理，之后通過光圈進(jìn)行光束控制，并把顯微圖像復(fù)制到成像屏IP上。同時(shí)一光柵置于成像屏IP上，可獲取包含圖像全部空間信息的多級衍射，然后衍射光通過由第三透鏡、空間光調(diào)制器與第四透鏡組成的標(biāo)準(zhǔn)4f空間濾波系統(tǒng)分離出+1級與O級衍射光或是-1級與O級衍射光。具體為:首先在第三透鏡的傅里葉平面FP采用第一擋板擋住空間光調(diào)制器中-1級衍射光濾波窗口，只允許+1級衍射光全部通過，O級衍射光低通濾波。根據(jù)空間濾波的特性，圖像的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及突變部分主要是由高頻成分所引起，由此經(jīng)低通濾波的O級衍射光丟失了圖像的高頻信息，那么經(jīng)所述濾波系統(tǒng)后的O級和+1級衍射光可分別作為參考光和樣品光，然后在CCD上形成干涉圖樣。其次，撤掉第一擋板，采用第二擋板擋住空間光調(diào)制器中+1級衍射光濾波窗口，允許-1級衍射光全部通過，O級衍射光低通濾波，分離出的這兩光束在CCD上形成第二幅干涉圖樣。然后兩干涉圖樣相減消除不需要的背景光強(qiáng)，對其結(jié)果應(yīng)用希爾伯特變換獲取與樣品相關(guān)的復(fù)解析信號，最后解調(diào)出樣品相位，從而完成相位成像。
[0030]本發(fā)明具有有益效果。1、本發(fā)明采用類似衍射相位顯微成像光路，具有共光路特征，高度穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行；2、本發(fā)明采用合適的空間光調(diào)制器先允許光柵衍射+1級與O級光通過并形成第一幅干涉條紋，然后允許光柵衍射-1級與O級光通過并形成第二幅干涉條紋，無需相移，從而避免了相移精確調(diào)控的困難；3、本發(fā)明通過選擇不同的衍射光柵，可實(shí)現(xiàn)完全離軸和利用CCD空間帶寬的輕微離軸干涉的切換，因?yàn)楣鈻懦?shù)決定了兩干涉光波的傾斜角；4、本發(fā)明采用兩干涉圖樣相減以消除背景像，無需要求干涉圖樣中的背景像、實(shí)像和共軛像在頻譜面上完全分離，相位恢復(fù)方法可適用于傳統(tǒng)離軸和輕微離軸干涉；5、本發(fā)明在整個(gè)相位恢復(fù)過程中，首先運(yùn)用代數(shù)運(yùn)算消除背景光，不會造成高頻信息丟失，相比常用高通濾波方法會獲得更豐富的信息，然后運(yùn)用一次希爾伯特變換獲取與樣品相關(guān)的復(fù)解析信號，運(yùn)算速率快，利于樣品實(shí)時(shí)相位信息的提取以及快現(xiàn)象的研究。因此本發(fā)明應(yīng)用面廣，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明兩步衍射相位成像方法對應(yīng)的光路示意圖。
[0032]圖中:1:激光器；2:偏振片；3:第一透鏡；4:針孔空間濾波器；5:第二透鏡；6:樣品；7:可調(diào)載物臺；8:物鏡；9:反射鏡；10:中繼鏡；11:光圈；
[0033]12:光柵；13:第三透鏡；14:空間光調(diào)制器；15:第四透鏡；16:第一擋板；17:第二擋板；18:CCD ；IP:成像平面；FP:傅里葉平面；+1:+1級衍射光濾波窗口 ；-1:~1級衍射光濾波窗口 ；0級:-1級衍射光濾波窗口 ；實(shí)黑線為+1級衍射光線；虛線為O級衍射光線；雙點(diǎn)劃線為-1級衍射光線。

【具體實(shí)施方式】
[0034]結(jié)合圖1，本發(fā)明的兩步衍射相位成像方法是利用光柵的衍射特性和空間濾波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
[0035]激光器I發(fā)出的光束通過偏振片2轉(zhuǎn)換為完全的線偏振光，然后入射至由第一透鏡3、針孔空間濾波器4與第二透鏡5組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光接受面，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后的出射光束向前傳輸至樣品6及可調(diào)載物臺7，從而成為攜帶樣品信息的光束，然后通過顯微物鏡8進(jìn)行放大并繼續(xù)向前傳輸至反射鏡9轉(zhuǎn)為平行光束。其中樣品6、可調(diào)載物臺7、顯微物鏡8與反射鏡9可看作為一倒置的顯微鏡系統(tǒng)。通過顯微鏡系統(tǒng)的出射光束沿著水平方向依次向前傳輸通過中繼鏡10進(jìn)行校正處理和通過光圈11進(jìn)行光束控制，然后繼續(xù)向前傳輸至成像屏IP，那么經(jīng)顯微鏡系統(tǒng)放大的顯微像已復(fù)制到成像屏IP上。同時(shí)光柵12置于成像屏IP上，經(jīng)光柵衍射，可分成許多級包含顯微圖像信息的衍射光，然后衍射光繼續(xù)沿著水平方向向前傳輸通過由第三透鏡13、空間光調(diào)制器14與第四透鏡15組成的標(biāo)準(zhǔn)4f空間濾波系統(tǒng)。其中空間光調(diào)制器14位于第三透鏡的傅里葉平面上，有3個(gè)濾波窗口:依次為+1級、O級與-1級衍射光濾波窗口，用于分離出+1級與O級衍射光或是-1級與O級衍射光。具體操作如下:首先，采用第一擋板16擋住空間光調(diào)制器14中-1級濾波窗口，經(jīng)過第三透鏡13的出射衍射光束向前傳輸至空間光調(diào)制器14，+1級衍射光全部通過，O級衍射光低通濾波，這兩光束分別作為物光與參考光，然后繼續(xù)向前傳輸透過第四透鏡15，在(XD18上形成第一幅干涉圖樣。其次，撤掉第一擋板16，采用第二擋板17擋住空間光調(diào)制器14中+1級濾波窗口，選取出-1級與O級衍射光，分別作為物光與參考光，在CCD18上形成第二幅干涉圖樣。這樣就完成了兩幅干涉圖樣的采集。
[0036]所述的光柵12光柵常量這個(gè)幾何參數(shù)決定了光柵+1級以及-1級衍射光的衍射角，從而決定了干涉圖樣的載波頻率，那么也就決定了干涉記錄方式:完全離軸以及輕微離軸。
[0037]本發(fā)明一種兩步衍射相位成像方法相對應(yīng)的相位恢復(fù)方法，具體實(shí)施如下:
[0038]所述的光柵衍射+1級與O級衍射光以及-1級與O級衍射光形成的兩步干涉圖樣可分別表示為:
[0039]
7+1 =Is+Ir+ 2小、Ik cos(^? + lex)( I)
[0040]
/_! = Is +iR + IyjIsIk cos(^- L\)(2)
[0041]其中，Is，Ie分別為物光波(+1級或-1級衍射光)和參考光波(O級衍射光)強(qiáng)度，這兩者之和=Itl = IS+IK為背景光強(qiáng)，’為與樣品有關(guān)的空間變化相位，k為載波條紋的空間頻率。
[0042]然后兩干涉圖樣相減消除背景光強(qiáng)，有
[0043]
Ill-J ! = 7[cos(^ + /tv)-cos(6?-/tv)] = -2/sin ^?sin(/t,v)
,--(3;
Y = 2小s丨i<
[0044]對上式進(jìn)行希爾伯特變換獲取與樣品相位相關(guān)的復(fù)解析信號
[0045]
///'(Z11-1 =+=(4)
[0046]其中，HT為希爾伯特變換，進(jìn)而復(fù)解析信號可表示為
[0047]Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5)
[0048]那么樣品的包裹相位分布可通過下式計(jì)算得到
[0049]
φ(χ,y) - arclan[Im(Z)/Rc(Z)](6)
[0050]最后通過相位解包裹運(yùn)算就可完成本發(fā)明相位成像的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種兩步衍射相位成像方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，使激光束通過顯微系統(tǒng)形成放大的顯微像，然后通過位于成像屏IP上的光柵(12)，從而分成許多級包含顯微圖像信息的衍射光； 第二步，所述衍射光通過第三透鏡(13)后進(jìn)行傅里葉變換，在傅里葉平面，利用第一擋板(16)擋住空間光調(diào)制器(14)中-1級衍射光濾波窗口，只允許+1級衍射光全部通過，O級衍射光低通濾波，然后+1級與O級衍射光通過第四透鏡(15)進(jìn)行傅里葉逆變換，完成了 +1級與O級衍射光整個(gè)濾波，他們分別作為樣品光與參考光，在CCD (18)上形成第一幅干涉圖樣； 第三步，在傅里葉平面，撤掉第一擋板(16)，采用第二擋板(17)擋住空間光調(diào)制器(14)中+1級衍射光濾波窗口，只允許-1級和O級衍射光通過，然后通過第四透鏡(15)，在CXD(IS)上形成第二幅干涉圖樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩步衍射相位成像方法的對應(yīng)相位恢復(fù)方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，記錄兩干涉圖 所述光柵衍射的O級與+1級衍射光形成干涉圖樣為/+I =Is+Ir+ 2今/、/,', cos(爐 + kx)(I) 其中，Is，Ik分別為物光波和參考光波強(qiáng)度，這兩者之和Itl = IS+IK為背景光強(qiáng)，P為與樣品有關(guān)的空間變化相位，k為載波條紋的空間頻率。所述光柵衍射的O級與-1級衍射光形成的干涉圖樣為/_j =^s+Ix + Ik cos(爐—kx)(2) 第二步，計(jì)算兩干涉圖樣之差消除背景光強(qiáng)./■丨—/ , - /[cos(69 +Li j-cosi^-/tv)] = -2/sin ^?sin(A:v) ---(3)
7 = 2^/s./a, 第三步，獲取與相位相關(guān)的復(fù)解析信號 首先對式(3)進(jìn)行希爾伯特變換/// (Z11-1 =+=(4) 其中，HT為希爾伯特變換； 進(jìn)而復(fù)解析信號為
Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5) 第四步，求解樣品包裹相位φ(χ, y) = arctan[Im(Z)/Rc(Z)](6) 第五步，對(6)式通過解包裹運(yùn)算獲取真實(shí)連續(xù)的樣品相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種兩步衍射相位成像方法的對應(yīng)相位恢復(fù)方法，其特征在于:利用兩干涉圖之差來消除不需要的背景光強(qiáng)，無需高通濾波，以保證樣品信息的完整性，從而適用于離軸和輕微離軸干涉。
【文檔編號】G02B21/00GK104199182SQ201410505828
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】徐媛媛, 王亞偉, 季穎, 梁敏捷, 張力 申請人:江蘇大學(xué)