一种干涉显微成像方法及干涉显微镜与流程

本发明属于一种干涉显微成像技术，具体涉及一种干涉显微成像方法及干涉显微镜。

背景技术：

干涉显微镜是一种采用相干光干涉技术的显微镜，相比于传统显微镜可以看到透明样品组织的结构分布。其采用干涉原理将相位差分布转化为强度分布供肉眼观察。采用宽光谱光源的低相干性还能实现光学切片，其只对特定光程范围内的样品薄片成像，切片厚度取决于光源的时间相干长度。采用低相干干涉技术的显微镜已经应用于集成电路显微检测、临床病理诊断等领域，具有非接触、无损检测的优点。

当前低相干干涉显微镜(专利201680034161.x)多采用michelson干涉结构，在参考臂与样品臂之间插入显微镜。该结构属分光路结构，当两臂相隔较远时，在环境震动下将会形成不同的相位变化，这严重影响了正常的干涉图样采集，从而无法获取高质量的样品结构图。实践中常加入气浮平台过滤掉环境干扰，因而体积庞大，使用不便，限制了其实际实用场景。也有采用mirau物镜的共光路干涉系统，但当数值孔径较大时其里面的分束板将会造成很大的像差(stanleysiu-chorchim,gskino.correlationmicroscope[j].opt.lett.,1990,15(10):579-581.)，给mirau物镜的结构设计带来了很大的困难。

采用共光路结构的干涉系统因参考光与样品光在同一通道里传输，外部干扰造成的相位变化不会改变相位差因而干涉图样稳定，具有抗干扰的结构优势。除上面采用mirau物镜的共光路设计外，还有一些采用两个干涉仪串联的共光路设计(如benoitalaguillaumee,martinsf,boccarac,etal.high-resolutionhandheldrigidendomicroscopebasedonfull-fieldopticalcoherencetomography[j].journalofbiomedicaloptics)，这些设计要么物镜数值孔径不能做得太大，要么参考光路与样品光路不能完全对称从而带来附加的光程差。

为了改善当前干涉显微镜存在的一些缺陷，本发明提出一种完全对称的光路设计，参考光与样品光经过完全相同的路径，只是顺序不一样，消除了系统结构带来的附加光程差，同时数值孔径不受限制，对环境震动不敏感。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种干涉显微镜，该干涉显微镜，通过在补偿干涉腔中插入第一显微物镜，保证样品光和参考光的光程完全相等，避免了因经过光学器件的不一致导致的干涉面上有些点不等光程。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种干涉显微镜，包括光源发生装置、补偿干涉腔，探测臂、信号采集与处理单元；

所述补偿干涉腔接收所述光源发生装置产生的光束并进行反射后成为反射光束进入所述探测臂；

所述探测臂对所述反射光束进行聚焦形成样品光，并将所述样品光发送给所述信号采集与处理单元；其中，所述探测单元设有第二显微物镜，所述第二显微物镜用于将光聚焦于样品上并将所述样品的结构信息调制成光线返回。

进一步地，所述光源发生装置包括一具有光谱宽度的发光器件和第一透镜。

所述光源发生装置包括一具有光谱宽度的发光器件和第一透镜；其中，

所述补偿干涉腔包括由第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一显微物镜；所述第一显微物镜处在第一分束镜与第二反射镜之间，第二反射镜处在第一显微物镜的焦平面处,第一显微物镜主光轴与第一分束镜表面呈40°-50°角，且所述第一反射镜经所述第一分束镜所成虚像与所述第二反射镜相互平行，所述第一反射镜与所述第二反射镜分别处在第一分束镜两侧。

进一步地，所述探测臂包括第二透镜、第二分束镜、第三分束镜和第二显微物镜；其中，所述第三分束镜与所述第二显微物镜主光轴垂直，第二分束镜与第二显微物镜主光轴呈40°-50°角并与所述补偿干涉腔中的第一分束镜呈80°-100°角。

进一步地，所述第二分束镜与所述第三分束镜的后端面均为反射率为5％-15％的半透膜，前端面为增透膜。

进一步地，所述信号采集与处理单元包括光电传感器和信号处理器，所述信号处理器与光电传感器电连接，且所述样品光通过所述第二透镜到达所述光电传感器。

进一步地，所述光电传感器包括阵列式光电传感器、面阵型光电传感器。

进一步地，光电传感器阵面通过所述探测臂中的第二透镜、第二显微物镜与样品共轭,还通过探测臂中的第二透镜、补偿干涉腔中的第一显微物镜与第二反射镜共轭。

有鉴于此，本发明的目的之二在于提供一种干涉显微成像方法，该方法通过调整使参考光与样品光均经过完全相同的显微物镜只是顺序不一样，保证样品光和参考光的光程完全相等，避免了因经过光学器件的不一致导致的干涉面上有些点不等光程，最终得到高精度的样品内部三维结构图。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种干涉显微成像方法，包括以下步骤：

接收光源发生装置产生的光束，所述光束经过第一分束镜分为两路光束，一路被第一反射镜反射后再经所述第一分束镜透射，另一路经第一物镜再被第二反射镜反射；

两路光束到达第二分束镜，被所述第二分束镜反射至第三分束镜，然后一部分光束被所述第三分束镜反射成为参考光，另一部分被所述第三分束镜透射，被透射的光束被第二显微物镜聚焦于样品上并被所述样品调制后成为样品光反射回所述第二显微物镜；

所述样品光与被参考光通过第二分束镜、第二透镜到达光电传感器的正面；

信号处理器采集来自所述光电传感器的电信号，获得所述样品切面的结构信息。

进一步地，所述样品光中携带有所述样品的结果信息。

进一步地，步骤所述样品光与被参考光通过第二分束镜、第二透镜到达光电传感器的正面具体包括：

调整所述第一反射镜位置使得所述样品光与参考光的光程差在光源相干长度范围；

所述样品光与参考光到达光电传感器的表面形成干涉条纹。

进一步地，还包括步骤：

移动所述样品的位置，所述信号处理器多次采集所述干涉条纹，形成所述样品的内部三维结构图。

有益效果

本发明提供一种干涉显微镜，该干涉显微镜在补偿干涉腔中插入第一显微物镜，使得参考光与样品光经过了完全相同的光学元件只是顺序不一样，其中样品光先经过反射镜再经过探测臂中第二显微物镜再到样品，参考光先经过探测臂中的第二显微物镜再经过反射镜再被分束镜反射，采用完全相同的两只显微物镜可以保证两路光的光程完全相等，避免了因经过光学器件的不一致导致的干涉面上并非每一点都等光程，与此同时，本发明还提供一种干涉显微成像方法，该方法中使参考光与样品光均经过完全相同的显微物镜只是顺序不一样，保证样品光和参考光的光程完全相等，得到高精度的样品内部三维结构图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一种干涉显微镜的一实施例结构示意图；

图2为本发明一种干涉显微镜的另一实施例结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

参考图1，为本实施例一种干涉显微镜一实施例结构示意图所示，具体地，一种干涉显微镜，包括：

光源发生装置、补偿干涉腔，探测臂、信号采集与处理单元；其中，

光源发生装置包括一具有光谱宽度的发光器件s和第一透镜l1，本实施中发光器件s采用led光源，中心波长λ0＝850nm，光谱宽度δλ＝30nm，光源经第一透镜l1准直后成为准平行光；

补偿干涉腔包括第一分束镜bs1,第一反射镜m1,第二反射镜m2,第一显微物镜ms1，第一显微物镜ms1处在第一分束镜bs1与第二反射镜m2之间，第二反射镜m2处在第一显微物镜ms1的焦平面处,第一显微物镜ms1主光轴与第一分束镜bs1表面呈45°角，在其他实施例中，第一显微物镜ms1主光轴与第一分束镜bs1表面的角度在40°-50°范围内即可，且第一反射镜m1经第一分束镜bs1所成虚像与第二反射镜m2相互平行，第一反射镜m1与第二反射镜m2分别处在第一分束镜bs1两侧，第一反射镜m1还与压电陶瓷pzt固联，本实施例中，第一反射镜m1,第二反射镜m2均为全反射镜；

探测臂包括第二透镜l2，第二分束镜bs2,第三分束镜bs3,第二显微物镜ms2，第二分束镜bs2与第三分束镜bs3的后端面为一半透膜，反射率为5％-15％，前端面为增透膜，第三分束镜bs3与第二显微物镜ms2主光轴垂直，第二分束镜bs2与第二显微物镜ms2主光轴呈45°角并与补偿干涉腔中的第一分束镜bs1呈80°-100°角。

信号采集与处理单元包括阵列式光电传感器cam与信号处理器ps，光电传感器cam阵面通过探测臂中的第二透镜l2和显微物镜ms2与样品sample共轭,还通过探测臂中的第二透镜l2和补偿干涉腔中的第一显微物镜ms1与第二反射镜m2共轭，由此，样品与第二反射镜m2均成像于光电传感器表面，通过调整第一反射镜m1相对于第一分束镜bs1的位置，可以保证第二反射镜面m2与样品sample经过相同的光程成像于光电传感器cam的阵面，因参与成像的光束均来自于同一光束，它们将在传感器cam阵面上形成干涉条纹，信号处理器ps与传感器cam电连接，同时信号处理器ps还与电陶瓷pzt连接。

参考图1中的箭头标示，本实施例中的一种干涉显微成像方法为：

发光器件s发出的宽光谱光源经第一透镜l1准直后被补偿干涉腔中的第一分束镜bs1分成两路光束，其中一束被的第一反射镜m1反射后经第一分束镜bs1透射出来，另一路经过的第一显微物镜ms1再被第二反射镜m2反射后经第一分束镜反bs1射出来。

从补偿干涉腔出来的两束光进入探测臂后均被探测臂中的第二分束镜bs2反射到第三分束镜bs3,然后均被第三分束镜bs3以10％的反射率反射和90％(设定一具体实施例中第三分束镜bs3的反射率为10％)的透射率透射，透射光均被第二显微物镜ms2聚焦于样品上并被样品调制后反射回第二显微物镜ms2并与10％的第三分束镜bs3反射光在第三分束镜bs3处汇合形成四路光束(四路光束包括第三分束镜bs3反射10％的两束光、第二显微物镜ms2经样品反射的两束光)，这四路光束再通过相同的通路第二分束镜bs2、第二透镜l2到达传感器cam的阵面，这4路光光束中，其中两路光束携带有样品的结构信息成为样品光(样品光是经第二显微物镜ms2到达样品，经样品调节后反射的光)，另两路没有样品的结构信息而成为参考光(参考光是第三分束镜bs3反射的光)，其中一路样品光与参考光均经过了一次显微物镜，通过调整补偿干涉腔中参考镜(反射镜m1)的位置可以保证样品光与参考光的光程差在光源相干长度范围内，因而能在光电传感器表面形干涉条纹，另两路光形成背景光叠加在干涉条纹上。信号处理器ps采集来自光电传感器的电信号，每采集一次干涉图通过控制加载在pzt上的电压带动第一反射镜m1进行微小位移，位移范围不得超过一个波长。第一反射镜m1的位移将改变参与干涉的样品光与参考光的光程差，进而使传感器cam阵面上的干涉条纹移动，采集多幅干涉图像后，经过数值拟合，可以还原出样品内与光轴垂直的切面处的反射率，进而获得切面的结构信息，通过移动样品对内部切面进行扫描可以在显示器mn上显示得到的层析图像(切面结构信息图)，最后形成样品内部的三维结构图，本实施例中的干涉显微镜还可适用于组织活体检测。

本实施例中的一种干涉显微镜采用共光路设计，探测臂可以设计得很长并用于活体内窥实时检测，而无需进行组织活检取样；得益于补偿干涉腔中插入的第一显微物镜ms1，使得参考光与样品光经过了完全相同的光学元件只是顺序不一样，其中样品光先经过第一反射镜m1再经过第二显微物镜ms2再到被样品反射，参考光先经过显微物镜ms1再经过第二反射镜m2再经第三分束镜bs3反射，采用完全相同的两只显微物镜可以保证两路光的光程完全相等，避免了因经过光学器件的不一致导致的在干涉面上并非每一点都等光程。

实施例2

如图2所示，本实施例采用同实施例1相同的补偿干涉腔，只是在探测臂中插入传像单元格林透镜棒或传像光纤束(f-b)。参考光与样品光均在传像单元中传输,不会改变光程差，因而可以实现内窥干涉成像。具体成像过程与实施例1一致，这里不再赘述。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。