[发明专利]一种两步衍射相位成像方法及对应相位恢复方法

说明书

技术领域

本发明属于干涉显微成像技术领域，具体涉及一种基于光栅衍射的两步衍射相位显微成像方法以及相应的相位恢复运算方法。

背景技术

光学显微技术为微观事物的观察开启了一扇大门，在生物学以及医学等领域发挥了重要作用。众多的生物样品，如活细胞，大部分是透明的，表现为相位物体。利用相位与强度之间转换的相位成像技术可对这些样品进行无损伤的清晰成像。目前，干涉相位显微技术是其中的主流技术，具有测量速度快、分辨率高等优点。

2004年美国Gabriel Popescu教授提出傅里叶相位显微技术，利用样品的散射光与非散射光分别作为物场与参考场，使之发生共几何光路同轴干涉，结合相移技术，采集多幅干涉图以实现相位成像。类似技术还有美国专利技术US2009290156(A1)(空间光干涉显微镜与细胞组织的傅里叶变换光散射传输方法)。该类技术相位成像高度稳定，相位恢复运算简便，不足的是精确调控相移在实际中是比较困难的，而且多次相移也不利于样品的动态实时测量。相比之下，离轴干涉具有单次拍摄特性，可以很好地用于相位物体快现象的研究。如麻省理工学院专利技术CN20110374950.7(用于希尔伯特相位成像的系统和方法)，它基于典型的马赫-曾德尔干涉光路，利用希尔伯特积分变换处理单幅干涉图以实现干涉相位成像。又如2006年瑞士Lyncee Tec SA公司基于离轴干涉首次推出了数字全息显微镜(DHM-1000)，可直接观测样品的三维形貌和相位分布。然而此类技术中物光与参考光采用分离光路干涉，易受外界振动、环境干扰等影响。对此，共光路的离轴干涉相位成像被提出。如衍射相位显微技术以及它的延伸技术利用光栅的衍射特性在不牺牲稳定性的前提下，实现了快速成像。但它与其他离轴干涉一样，不能够充分利用CCD的分辨率和空间带宽，而且在相位恢复过程中需要通过高通滤波消除背景像，容易造成高频信息的缺失。继而，一类结合相移技术的轻微离轴干涉技术被提出，如美国杜克大学Adam Wax教授通过控制两偏振片实现的两步轻微离轴干涉。该技术在相位恢复运算中采用两干涉图样相减消除不需要的背景像，无需高通滤波保证了样品信息的完整。但是相移需要事后通过拟合背景条纹确定，一定程度上增加了相位恢复的复杂性。另外，此技术采用的是双光路的干涉显微，不具备共光路优势。

综上所述，现有技术中可从单幅离轴干涉图解调相位信息，但离轴干涉不能充分利用CCD空间带宽，常用的背景像高通滤波也会造成高频信息缺失；虽然也有一些技术采用两幅干涉图，如文中提到的Adam Wax提出的两步轻微离轴干涉，但采用的是双光路干涉成像系统，不稳定，且需要器件来实现相移，并需要单独测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两步衍射相位成像方法及对应相位恢复方法，以充分利用CCD空间带宽和免除背景像高通滤波，使同时适用于离轴干涉和轻微离轴干涉，增强相位成像的稳定性、精确度和效率。

为了解决以上技术问题，本发明利用光栅衍射特性的两步衍射相位成像和相位恢复技术，具体技术方案如下：

一种两步衍射相位成像方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，使激光束通过显微系统形成放大的显微像，然后通过位于成像屏IP上的光栅(12)，从而分成许多级包含显微图像信息的衍射光；

第二步，所述衍射光通过第三透镜(13)后进行傅里叶变换，在傅里叶平面，利用第一挡板(16)挡住空间光调制器(14)中-1级衍射光滤波窗口，只允许+1级衍射光全部通过，0级衍射光低通滤波，然后+1级与0级衍射光通过第四透镜(15)进行傅里叶逆变换，完成了+1级与0级衍射光整个滤波，他们分别作为样品光与参考光，在CCD(18)上形成第一幅干涉图样；

第三步，在傅里叶平面，撤掉第一挡板(16)，采用第二挡板(17)挡住空间光调制器(14)中+1级衍射光滤波窗口，只允许-1级和0级衍射光通过，然后通过第四透镜(15)，在CCD(18)上形成第二幅干涉图样。

一种两步衍射相位成像方法的对应相位恢复方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，记录两干涉图

所述光栅衍射的0级与+1级衍射光形成干涉图样为

其中，I_S，I_R分别为物光波和参考光波强度，这两者之和I₀＝I_S+I_R为背景光强，为与样品有关的空间变化相位，k为载波条纹的空间频率。所述光栅衍射的0级与-1级衍射光形成的干涉图样为