[发明专利]一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法，包括激光器、光强控制单元、显微物镜、第一薄透镜、反射镜、光栅、第二薄透镜、针孔滤波器、偏振片和CMOS相机。本发明还公开了一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微方法。该点衍射数字全息显微装置和方法具有稳定性高、可实时振幅/相位成像等优点，可以被广泛应用于生物医学成像、工业检测等多个领域。

技术领域

本发明属于显微成像技术领域，具体地说，涉及一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法。

背景技术

自从17世纪光学显微镜出现以来，光学显微技术已经成为人们观测微观世界的重要手段。然而，传统的光学显微只能获取观察样品的强度信息，对于透明样品则是无能为力。为克服传统光学显微镜成像对比度较低的缺点，荧光显微技术，利用化学染料或荧光蛋白对细胞进行特异性标记，可实现对细胞特定结构或功能集团的高衬度、选择性成像。因此，人们越来越渴望能发明一种可在自然状态下观察细胞的成像技术。

相位成像，作为一种无标记的显微技术应运而生，该技术利用光波除振幅之外的另一重要特性——相位，不仅可以高衬度地观测透明样品，还可以定量获得物体三维形貌、内部结构与折射率分布等信息。然而，与传统强度成像不同，相位分布是肉眼看不见的，必须采用特殊的成像手段才能获得。夏克-哈特曼(Shack-Hartman)波前传感器，通过测量带有畸变波前经微透镜阵列后各个子焦点的偏移量，可以重构出经微透镜阵列前的波前分布。然而，该方法受到微透镜物理尺寸的限制，其空间分辨率很低，因此很少应用于显微领域。

1942年，泽尼克提出采用环状光源照明样品，同时采用一环状相位板延迟物光波零频分量的相位，从而将样品的相位信息转换为强度信息，实现了相衬显微。随后，Normarski提出了微分干涉相衬显微技术，该技术将物光被分成平行的两份，两份光在某方向上错开一定的距离从而发生干涉。干涉图样反应的是被测相位在剪切方向上的导数。这两种显微技术都提高了透明样品在显微镜下的图像衬度。然而，这两种技术中，图像的强度与样品的相位之间存在非线性的对应关系，从相衬图像中无法获得样品真实的相位分布。

单光束相位显微技术，通过施加一定的约束，使得样品的相位分布在衍射过程中转化为强度调制。通过一定的算法可以从衍射图样中恢复原先的相位信息。例如，基于光强传输方程(Transport of Intensity Equation,TIE)的相位测量技术，通过记录焦平面附近、具有不同离焦量的三幅强度图像，无需迭代运算即可定量获取被测光波的相位信息。该方法具有非干涉、结构简单、适用于部分相干照明、无需相位解包裹等优点。空域叠层成像(Psychography)技术，通过移动一聚焦光束照明样品的不同部位，并记录相应的衍射图像，利用迭代算法可从衍射图像中恢复样品的相位信息。傅里叶叠层显微成像(FourierPsychographic Microscopy,FPM)技术，将相位恢复与合成孔径相结合，通过记录不同角度下的低分辨图像，并利用迭代算法获得大视场和高分辨的振幅和相位图像。该方法不需要精密的机械扫描装置，但是仍需要拍摄大量的强度图像和繁杂的计算过程来再现相位，这制约了FPM在高速和实时成像方面的发展。总体上讲，基于光波衍射约束的单光束相位成像的精度远低于光学干涉的相位精度。