[发明专利]单帧光强传输定量相位显微系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于光强传输方程的动态定量显微成像装置及其方法。

背景技术

相位恢复是光学测量与成像技术的一个重要课题，无论在生物医学还是工业检测领域，相位成像技术都在发挥着重要的作用。纵观光学测量近半个世纪的进展，最经典的相位测量方法应该非干涉测量法莫属。然而，干涉测量法的缺点也十分明显：干涉测量一般需要高度相干性的光源(如激光)，从而需要较为复杂的干涉装置；额外的参考光路的引入导致对于测量环境的要求变得十分苛刻；高相干性的光源引入的散斑相干噪声限制了成像系统的空间分辨率与测量精度。

不同与干涉测量，另一类非常重要的相位测量技术并不需要借助干涉，它们统称为相位恢复。由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅/强度十分容易。因此，可以将由强度分布来恢复(估算)相位这一过程考虑为一个数学上的“逆问题”，即相位恢复问题。相位恢复方法还可细分为迭代法与直接法。光强传输方程法是相位恢复方法中的一种典型的直接法。光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，其阐明了沿着光轴方向上光强度的变化量与光轴垂直的平面上光波的相位的定量关系。在光强轴向微分以及光强分布已知的情况下，通过数值求解光强传输方程可直接获取相位信息。相比与干涉法与迭代相位恢复法，其主要优点包括：(1)非干涉，仅仅通过测量物面光强直接求解相位信息，不需要引入额外参考光；(2)非迭代，通过直接求解微分方程获得相位；(3)可以很好的应用于白光照明，如传统明场显微镜中的科勒照明(illumination)；(4)无需相位解包裹，直接获取相位的绝对分布，不存在一般干涉测量中的2π相位包裹问题；(5)无须复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，振动不敏感。

光强传输方程法需要采集不同离焦面上的光强信息。为了采集这些离焦光强图像，通常需要采用一个4f系统对物体进行成像([1]L.Waller,Y.Luo,S.Y.Yang,and G.Barbastathis,Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscope,Opt.Lett.35,2961-2963(2010).)，光路结构如图1所示。其中光源经过扩束准直后照射物平面上的待测物体，经过傅里叶变换透镜L₁在透镜后焦面，即傅里叶变换平面(频谱面)形成物体的傅里叶变换频谱，经过频谱滤波后通过傅里叶变换透镜L₂，在像面形成物体的像。由于4f系统中物象呈严格共轭关系，所以通过移动物平面或者移动图像平面(相机)都可以获得物体离焦面上的光强信息。这两种方式在本质上是等价的，但考虑横向与轴向放大率之间的关系，物面离焦距离与相面离焦距离之间的比例会相差f₂²/f₁²的比例系数。

图1所示的4f系统相比于单个透镜的成像系统，最大的特点在于其远心光路结构。传统非远心成像系统仅仅采用透镜L₁进行成像，在成像面会产生额外的球面像差，这将会导致光学系统的放大率随着离焦距离的变化而改变，从而使问题复杂化。其实这个问题在显微镜的设计中早已被考虑到了。远心光路的成像结构在显微镜中又称为无限远校正光学系统，如图2所示。无限远校正光学系统中，标本通过物镜的光线不再由物镜成像，而是作为无限远的平行光束进入镜筒透镜(tube lens)，由镜筒透镜成像。由于物镜与镜筒透镜之间为平行光线，其具有下述优点：改变成像面距离，倍率不会改变；物镜与成像透镜之间插入平行平板元件(如偏振光学元件，滤波片等)，也能保持齐焦，成像不会发生偏移。对比图1与图2，可建立如下联系图1的准直透镜等价于无穷远校正显微镜中的聚光镜，而透镜L₁等价于显微镜中的显微物镜，透镜L₂等价于显微镜中的镜筒透镜，显微镜内部参数之间的关系如图右侧所示。其中镜筒透镜焦距范围取决于不同的制造商，一般在160至200毫米之间。所以本质上而言，无穷远校正显微镜本身就是一套理想的远心成像系统，所以可直接将显微镜采集的光强图像用于光强传输方程相位恢复。只需要简单地移动显微镜的载物台，或者移动显微镜相机接口处的相机平面，就可以获得不同聚焦面上的等倍率的离焦光强图像了。