一种两步衍射相位成像方法及对应相位恢复方法
【专利摘要】本发明公开了一种两步衍射相位成像方法及对应相位恢复方法，利用光栅衍射的0级先后与+1级和-1级衍射光形成两步共几何光路干涉图样，具有高度的稳定性，然后计算两干涉图样之差以消除背景光强，继而运用希尔伯特变换恢复样品的相位信息。相比离轴干涉常用的相位恢复方法，本发明无需高通滤波，高频信息保留完整，相位恢复速率快，而且该成像方法适用于所有的离轴干涉，包括轻微离轴干涉。本发明在相位显微方面具有广泛的实用价值与应用前景，特别是在透明样品，如生物细胞相位成像以及相位测量等应用领域。
【专利说明】一种两步衍射相位成像方法及对应相位恢复方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]2004年美国GabrielPopescu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 LynceeTecSA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AdamWax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。
[0004]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AdamWax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】
[0005]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CXD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。
[0006]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:
[0007]—种两步衍射相位成像方法，其特征在于包括以下步骤:
[0008]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；
[0009]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，O级衍射光低通滤波，然后+1级与O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O级衍射光整个滤波，他们分别作为样品光与参考光，在CCD(IS)上形成第一幅干涉图样；
[0010]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O级衍射光通过，然后通过第四透镜(15)，在CXD(18)上形成第二幅干涉图样。
[0011]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:
[0012]第一步，记录两干涉图
[0013]所述光栅衍射的O级与+1级衍射光形成干涉图样为
[0014]
I+1 = Is+ Ir+ 2-sjT~n cos(^> + kx)(I)
[0015]其中，Is，Ie分别为物光波和参考光波强度，这两者之和Itl = IS+IE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O级与-1级衍射光形成的干涉图样为
[0016]
/_! = Is + Ir + 2^jls1., cos(φ-Lx)(2)
[0017]第二步，计算两干涉图样之差消除背景光强
[0018]
In-1 I =/[cos(妒+λλ) —cos(炉一λλ)』= —2/sin炉Sin(Iv)
!—— (”
Y = 2y/s./A,
[0019]第三步，获取与相位相关的复解析信号
[0020]首先对式(3)进行希尔伯特变换
[0021]
IIT(Zll -1 丨)=y[sin(^ + kx)-sin(^-人:\*)] = 2γcospsin(Ar)(4)
[0022]其中，HT为希尔伯特变换；
[0023]进而复解析信号为
[0024]Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5)
[0025]第四步，求解样品包裹相位
[0026]φ{χ, ν) = arclan[Im(Z)/Rc(Z)](6)
[0027]第五步，对(6)式通过解包裹运算获取真实连续的样品相位。
[0028]利用两干涉图之差来消除不需要的背景光强，无需高通滤波，以保证样品信息的完整性，从而适用于离轴和轻微离轴干涉。
[0029]本发明的工作原理如下:激光器发出的光束沿着竖直方向向前传输透过偏振片，保证光束为线偏振光，然后传输通过由第一透镜、针孔空间滤波器与第二透镜组成的扩束准直系统，经扩束准直后的光束入射至由样品、可调载物台、显微物镜及反射镜组成的显微系统，从而形成放大的显微像；经显微系统出射的光束已转为平行光束，然后沿着水平方向继续传输至中继镜进行校正处理，之后通过光圈进行光束控制，并把显微图像复制到成像屏IP上。同时一光栅置于成像屏IP上，可获取包含图像全部空间信息的多级衍射，然后衍射光通过由第三透镜、空间光调制器与第四透镜组成的标准4f空间滤波系统分离出+1级与O级衍射光或是-1级与O级衍射光。具体为:首先在第三透镜的傅里叶平面FP采用第一挡板挡住空间光调制器中-1级衍射光滤波窗口，只允许+1级衍射光全部通过，O级衍射光低通滤波。根据空间滤波的特性，图像的精细结构以及突变部分主要是由高频成分所引起，由此经低通滤波的O级衍射光丢失了图像的高频信息，那么经所述滤波系统后的O级和+1级衍射光可分别作为参考光和样品光，然后在CCD上形成干涉图样。其次，撤掉第一挡板，采用第二挡板挡住空间光调制器中+1级衍射光滤波窗口，允许-1级衍射光全部通过，O级衍射光低通滤波，分离出的这两光束在CCD上形成第二幅干涉图样。然后两干涉图样相减消除不需要的背景光强，对其结果应用希尔伯特变换获取与样品相关的复解析信号，最后解调出样品相位，从而完成相位成像。
[0030]本发明具有有益效果。1、本发明采用类似衍射相位显微成像光路，具有共光路特征，高度稳定，实验可重复进行；2、本发明采用合适的空间光调制器先允许光栅衍射+1级与O级光通过并形成第一幅干涉条纹，然后允许光栅衍射-1级与O级光通过并形成第二幅干涉条纹，无需相移，从而避免了相移精确调控的困难；3、本发明通过选择不同的衍射光栅，可实现完全离轴和利用CCD空间带宽的轻微离轴干涉的切换，因为光栅常数决定了两干涉光波的倾斜角；4、本发明采用两干涉图样相减以消除背景像，无需要求干涉图样中的背景像、实像和共轭像在频谱面上完全分离，相位恢复方法可适用于传统离轴和轻微离轴干涉；5、本发明在整个相位恢复过程中，首先运用代数运算消除背景光，不会造成高频信息丢失，相比常用高通滤波方法会获得更丰富的信息，然后运用一次希尔伯特变换获取与样品相关的复解析信号，运算速率快，利于样品实时相位信息的提取以及快现象的研究。因此本发明应用面广，具有很好的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明两步衍射相位成像方法对应的光路示意图。
[0032]图中:1:激光器；2:偏振片；3:第一透镜；4:针孔空间滤波器；5:第二透镜；6:样品；7:可调载物台；8:物镜；9:反射镜；10:中继镜；11:光圈；
[0033]12:光栅；13:第三透镜；14:空间光调制器；15:第四透镜；16:第一挡板；17:第二挡板；18:CCD ；IP:成像平面；FP:傅里叶平面；+1:+1级衍射光滤波窗口 ；-1:~1级衍射光滤波窗口 ；0级:-1级衍射光滤波窗口 ；实黑线为+1级衍射光线；虚线为O级衍射光线；双点划线为-1级衍射光线。
【具体实施方式】
[0034]结合图1，本发明的两步衍射相位成像方法是利用光栅的衍射特性和空间滤波系统实现的。
[0035]激光器I发出的光束通过偏振片2转换为完全的线偏振光，然后入射至由第一透镜3、针孔空间滤波器4与第二透镜5组成的扩束准直系统的光接受面，经扩束准直系统后的出射光束向前传输至样品6及可调载物台7，从而成为携带样品信息的光束，然后通过显微物镜8进行放大并继续向前传输至反射镜9转为平行光束。其中样品6、可调载物台7、显微物镜8与反射镜9可看作为一倒置的显微镜系统。通过显微镜系统的出射光束沿着水平方向依次向前传输通过中继镜10进行校正处理和通过光圈11进行光束控制，然后继续向前传输至成像屏IP，那么经显微镜系统放大的显微像已复制到成像屏IP上。同时光栅12置于成像屏IP上，经光栅衍射，可分成许多级包含显微图像信息的衍射光，然后衍射光继续沿着水平方向向前传输通过由第三透镜13、空间光调制器14与第四透镜15组成的标准4f空间滤波系统。其中空间光调制器14位于第三透镜的傅里叶平面上，有3个滤波窗口:依次为+1级、O级与-1级衍射光滤波窗口，用于分离出+1级与O级衍射光或是-1级与O级衍射光。具体操作如下:首先，采用第一挡板16挡住空间光调制器14中-1级滤波窗口，经过第三透镜13的出射衍射光束向前传输至空间光调制器14，+1级衍射光全部通过，O级衍射光低通滤波，这两光束分别作为物光与参考光，然后继续向前传输透过第四透镜15，在(XD18上形成第一幅干涉图样。其次，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级滤波窗口，选取出-1级与O级衍射光，分别作为物光与参考光，在CCD18上形成第二幅干涉图样。这样就完成了两幅干涉图样的采集。
[0036]所述的光栅12光栅常量这个几何参数决定了光栅+1级以及-1级衍射光的衍射角，从而决定了干涉图样的载波频率，那么也就决定了干涉记录方式:完全离轴以及轻微离轴。
[0037]本发明一种两步衍射相位成像方法相对应的相位恢复方法，具体实施如下:
[0038]所述的光栅衍射+1级与O级衍射光以及-1级与O级衍射光形成的两步干涉图样可分别表示为:
[0039]
7+1 =Is+Ir+ 2小、Ik cos(^? + lex)( I)
[0040]
/_! = Is +iR + IyjIsIk cos(^- L\)(2)
[0041]其中，Is，Ie分别为物光波(+1级或-1级衍射光)和参考光波(O级衍射光)强度，这两者之和=Itl = IS+IK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。
[0042]然后两干涉图样相减消除背景光强，有
[0043]
Ill-J ! = 7[cos(^ + /tv)-cos(6?-/tv)] = -2/sin ^?sin(/t,v)
,--(3;
Y = 2小s丨i<
[0044]对上式进行希尔伯特变换获取与样品相位相关的复解析信号
[0045]
///'(Z11-1 =+=(4)
[0046]其中，HT为希尔伯特变换，进而复解析信号可表示为
[0047]Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5)
[0048]那么样品的包裹相位分布可通过下式计算得到
[0049]
φ(χ,y) - arclan[Im(Z)/Rc(Z)](6)
[0050]最后通过相位解包裹运算就可完成本发明相位成像的目的。
【权利要求】
1.一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，O级衍射光低通滤波，然后+1级与O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O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O级衍射光通过，然后通过第四透镜(15)，在CXD(IS)上形成第二幅干涉图样。
2.根据权利要求1所述的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O级与+1级衍射光形成干涉图样为/+I =Is+Ir+ 2今/、/,', cos(炉 + kx)(I) 其中，Is，Ik分别为物光波和参考光波强度，这两者之和Itl = IS+IK为背景光强，P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O级与-1级衍射光形成的干涉图样为/_j =^s+Ix + Ik cos(炉—kx)(2) 第二步，计算两干涉图样之差消除背景光强./■丨—/ , - /[cos(69 +Li j-cosi^-/tv)] = -2/sin ^?sin(A:v) ---(3)
7 = 2^/s./a, 第三步，获取与相位相关的复解析信号 首先对式(3)进行希尔伯特变换/// (Z11-1 =+=(4) 其中，HT为希尔伯特变换； 进而复解析信号为
Z = HT (Itl-L1)+j.[-(Itl-L1)] (5) 第四步，求解样品包裹相位φ(χ, y) = arctan[Im(Z)/Rc(Z)](6) 第五步，对(6)式通过解包裹运算获取真实连续的样品相位。
3.根据权利要求2所述的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:利用两干涉图之差来消除不需要的背景光强，无需高通滤波，以保证样品信息的完整性，从而适用于离轴和轻微离轴干涉。
【文档编号】G02B21/00GK104199182SQ201410505828
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】徐媛媛, 王亚伟, 季颖, 梁敏捷, 张力 申请人:江苏大学