[实用新型]一种两步衍射相位成像系统

说明书

技术领域

本实用新型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技术。

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。为解决这两问题，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，现有技术中离轴干涉相位显微可从单幅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，且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，如文中提到的Adam Wax提出的两步轻微离轴干涉可解决上述的问题，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，并需对其进行单独测量。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种两步衍射相位成像系统，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，本实用新型利用光栅衍射特性的两步衍射相位成像技术，采用的具体解决方案如下：

一种两步衍射相位成像系统，光路采用类衍射相位成像光路：沿着激光器(1)的输出方向依次连接偏振片(2)以及由第一透镜(3)、针孔空间滤波器(4)与第二透镜(5)组成的扩束准直系统，然后依次连接由样品(6)、可调载物台(7)、显微物镜(8)及反射镜(9)组成的显微系统，形成放大的显微像；沿着显微系统后的出射光束依次放置有中继镜(10)、光圈(11)和置于成像屏IP上的光栅(12)，分成了许多级包含显微图像信息的衍射光；然后各级衍射光通过设定的空间频率滤波系统分离出所需的衍射光，并相干涉，在CCD(18)上形成干涉图样；其特征在于：还包括沿着衍射光束传播方向依次由第三透镜(13)、空间光调制器(14)、第一挡板(16)、第二挡板(17)与第四透镜(15)组成的标准4f空间滤波系统；所述空间光调制器(14)位于第三透镜(13)傅里叶平面FP上，有3个滤波窗口，分别只允许+1级、0级与-1级衍射光束通过；所述第一挡板(16)与第二挡板(17)结构完全相同，分别位于-1级和+1级衍射光在傅里叶平面FP 聚焦区域位置处，用于挡住-1级和+1级衍射光通过。

所述光栅(12)的光栅常量依据具体要求刻制，以实现离轴干涉和轻微离轴干涉，因为两相干涉光波倾斜角由光栅常量决定。