一种基于超构透镜色散变焦的定量相位成像装置及方法

技术领域

本发明属于定量相位成像领域，尤其是一种基于超构透镜色散变焦的定量相位成像装置及方法。

背景技术

定量相位成像技术是一种定量、无标记的显微成像技术，可以实现对透明或近透明样品的高衬度成像，并获得透明或近透明样品的物理厚度与折射率等信息。传统的基于干涉的相位测量方法，通过引入额外的参考光，利用相干光照明，将不可见的相位信息转化为强度信息，通过后续算法将相位信息解调出来；然而，这类技术对光源相干性要求高，且需要引入额外的参考光路，使得整个系统对测量环境的要求十分严格。另一类无标记显微成像技术，例如泽尼克相衬技术、微分干涉技术，这类技术的工作原理是透明或近透明样品的结构特征以及不同的折射率分布会对入射光波产生不同的相位延迟，通过引入相移将不可见的相位信息转化为强度信息，最终提升透明或近透明样品等弱吸收样品在显微镜下的成像对比度；然而，这类技术最终获得的图像强度与相位分布并不是线性关系，因此只适用于透明或近透明样品成像时的定性分析，而透明或近透明样品的物理厚度与折射率信息并不能从图像中获得，为透明或近透明样品的定量分析带来极大不便。

超构表面是通过亚波长结构单元去局域地调控光场的光学设计，超构透镜就是其中一种典型的超构表面器件应用。现有技术中利用超构透镜实现对透明或近透明样品不同深度清晰成像，离焦信息被淹没在清晰成像信息中，由于相位信息只有在离焦或者非对称照明的条件下才会被传递到光强中，因此现有技术中基于超构透镜的成像方法未获得足够的离焦信息，因此无法实现定量相位成像。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种无需机械移动和干涉技术的情况下进行定量相位成像的装置及方法。

技术方案：本发明所述的基于超构透镜色散变焦的定量相位成像装置，包括光源系统、透明或近透明样品、超构透镜和图像传感器；

所述光源系统发射一定波长范围的宽带光，经过不同滤波后获得不同波长的窄带光；在不同波长的窄带光照明下，所述超构透镜对所述透明或近透明样品成像并通过所述图像传感器采集，结合光强传输方程定量恢复所述透明或近透明样品的相位信息；

所述超构透镜在设计波长处对所述透明或近透明样品聚焦成像，在偏离设计波长时对所述透明或近透明样品离焦成像，所述超构透镜的相位设计为聚焦相位。

进一步地，所述超构透镜采用消球差的聚焦相位设计：

或者，所述超构透镜采用双曲型聚焦相位设计：

或者，所述超构透镜采用二次型聚焦相位设计：

其中λ

基于上述公式设计的超构透镜，在设计波长处可以实现聚焦成像；当入射光波长偏离设计波长时，由于超构透镜的色差，超构透镜的焦距将会偏离f

进一步地，所述光源系统包括光源、聚光镜和滤光片；所述光源发射一定波长范围的宽带光，经过不同滤波后获得不同波长的窄带光，聚光镜用于将所述光源发出的宽带光准直，通过更换不同中心波长的所述滤光片用于从宽带光中滤出不同波长的窄带光。

进一步地，还包括位于所述光源和聚光镜之间的第一偏振器，以及位于超构透镜和图像传感器之间的第二偏振器；所述第一偏振器将所述光源发出的入射光调制为左旋偏振光，所述超构透镜将左旋偏振光调制为右旋偏振光，所述第二偏振器仅允许右旋偏振光通过；或者，所述第一偏振器将所述准直光源发出的入射光调制为右旋偏振光，所述超构透镜将右旋偏振光调制为左旋偏振光，所述第二偏振器仅允许左旋偏振光通过。

进一步地，所述光强传输方程为：

其中，I为光强，z为离焦距离，ξ＝λz为广义离焦距离，

进一步地，所述图像传感器采集聚焦图像及一定数量的离焦图像，结合光强传输方程进行多项式拟合得到所述透明或近透明样品的光强沿光轴方向的变化：

I(z)＝a

其中，I为光强，a

本发明所述的基于超构透镜色散变焦的定量相位成像方法，在不同波长的窄带光处，超构透镜对透明或近透明样本成像并通过图像传感器采集，结合光强传输方程定量恢复所述透明或近透明样本的相位信息，所述超构透镜在设计波长处对所述透明或近透明样本聚焦成像，在偏离设计波长时对所述透明或近透明样本离焦成像，所述超构透镜的相位设计为聚焦相位。

进一步地，所述超构透镜采用消球差的聚焦相位设计：

或者，所述超构透镜采用双曲型聚焦相位设计：

或者，所述超构透镜采用二次型聚焦相位设计：

其中λ

进一步地，所述光源系统包括光源、聚光镜和滤光片；所述光源发出一定波长范围的宽带光，聚光镜将所述光源发出的宽带光准直，通过更换不同中心波长的所述滤光片从宽带光中滤出不同波长的窄带光；光源和聚光镜之间设有第一偏振器，超构透镜和图像传感器之间设有第二偏振器；所述第一偏振器将所述光源发出的入射光调制为左旋偏振光，所述超构透镜将左旋偏振光调制为右旋偏振光，所述第二偏振器仅允许右旋偏振光通过；或者，所述第一偏振器将所述光源发出的入射光调制为右旋偏振光，所述超构透镜将右旋偏振光调制为左旋偏振光，所述第二偏振器仅允许左旋偏振光通过。

进一步地，所述成像系统采集聚焦图像及一定数量的离焦图像，结合光强传输方程进行多项式拟合得到所述透明或近透明样本的光强沿光轴方向的变化：

I(z)＝a

其中，I为光强，a

所述光强传输方程为：

其中，ξ＝λz为广义离焦距离，

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)利用超构透镜色散变焦，对超构透镜相位进行设计，避免了机械移动带来的对准误差，操作过程更加简便；(2)(2)在无需染色的情况获得透明或近透明样品的定量相位信息，进而分析透明或近透明样品的物理厚度及折射率信息；(3)发挥了超构透镜轻薄小巧的优势，与传统变焦透镜相比，在超薄体积上有巨大的优势。

附图说明

图1为本发明的定量相位成像装置的示意图。

图2为本发明实施例中的超构透镜在光学显微镜下的图片。

图3为本发明实施例中的超构透镜在扫描电镜下的图片。

图4为本发明实施例中超构透镜在不同波长下的生物细胞离焦图像，波长分别对应420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm。

图5为本发明实施例中透明或近透明样品在明场显微镜下的成像结果图。

图6为本发明实施例中透明或近透明样品的定量相位成像结果图。

具体实施方式

在明场显微镜下观察未染色的透明或近透明样品时，需要把透明或近透明样品放在物镜的前焦面位置，由于透明或近透明样品对光的吸收很弱，难以观察到高对比度图像。但是当透明或近透明样品产生离焦时，图像对比度就会提高。这是因为相位信息只有在离焦或者非对称照明的条件下才会被传递到光强中，前人利用超构透镜色散变焦功能对染色的生物样品不同深度清晰成像，离焦信息被淹没在清晰成像信息中，并未获得足够的离焦信息，因此无法实现定量相位成像。本发明提出了基于超构透镜色散变焦的定量相位成像装置及方法，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示为本发明基于超构透镜色散变焦的定量相位成像装置的示意图，包括光源7，第一偏振器202，聚光镜6，滤光片5，透明或近透明样品4，超构透镜3，第二偏振器201，图像传感器1。

光源7为LED，可以发出宽带光，中心波长为450nm，光谱范围覆盖420nm到480nm。光源7位于聚光镜6的后焦面，聚光镜6将光源7发散光准直。滤光片5的带宽是10nm，中心波长覆盖420nm到480nm，通过更换不同中心波长的滤光片5，可以滤出不同波长的窄带光。基于几何相位设计的超构透镜3，设计波长与LED发光中心波长一致为450nm。针对显微成像，其聚焦相位设计如下：

公式(a)表示消球差相位设计，公式(b)表示双曲型聚焦相位设计，公式(c)表示二次型聚焦相位设计。其中，λ

在本实施例中，选择公式(a)进行超构透镜相位设计。其中，设计波长λ

在实际使用中也可以采用公式(b)或者采用公式(c)进行超构透镜相位设计，设计波长λ

当入射光波长偏离设计波长λ

本实施例中，第一偏振器202可以将入射光调制为右旋偏振光，超构透镜3可以将右旋偏振光调制为左旋偏振光，第二偏振器201仅允许左旋偏振光通过，滤除未经超构透镜3调制的其他出射光，从而提升成像信噪比。

透明或近透明样品4放置于超构透镜3的工作距离s处，超构透镜3对透明或近透明样品4成像于图像传感器1位置。

在实际操作过程中，利用超构透镜的色散变焦功能，可以在无机械移动的情况下采集一系列离焦图像。并结合光强传输方程定量恢复透明或近透明样品相位信息，下面作具体说明：

光强传输方程的数学表达形式为：

其中，k表示入射光波矢，I表示光强，z表示离焦距离，φ表示待测透明或近透明样品相位。Δ

其中，ξ＝λz，表示广义离焦距离，λ是光源7的照明波长，本实施例里λ＝420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm。

在本实施例中，采集的7幅图像分别对应离焦距离-172um、-111um、-54um、0um、51um、100um、147um，离焦距离z＝0时是聚焦成像，提供了透明或近透明样品在不同深度的光强信息，结合多项式拟合可以得到光强沿光轴方向的变化：

I(z)＝a

其中，I表示光强，a

本发明所述装置还包括底板8、光源支撑架9、间隔柱10、背板11和顶板12。光源支撑架9与底板8连接，用于支撑光源7；间隔柱10用于确定聚光镜6和光源7之间的距离；图像传感器1安装在顶板12上。

本发明所述基于超构透镜色散变焦的定量相位成像方法，光源7发出的入射光中心波长为450nm，光谱范围覆盖420nm到480nm。经过第一偏振器202，将入射光调制为右旋圆偏振光，滤光片5为中心波长从420nm到480nm、带宽10nm的滤光片，可以从光源7滤出从420nm到480nm的窄带平行光，波长分别为420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm。超构透镜3将携带透明或近透明样品4信息的右旋圆偏振光调制为左旋圆偏振光，然后第二偏振器201滤除未经超构透镜3调制的杂散光，提升信噪比。最后成像于图像传感器1上。当切换入射光波长从420nm到480nm时，超构透镜3的焦距将发生变化，图像传感器1最终记录7幅不同离焦距离的图像。如图4所示分别为超构透镜3在波长为420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm下的透明或近透明样品离焦图像。

通过数值计算可以求解光强微分，并结合光强传输方程直接获得待测透明或近透明样品的定量相位信息。图5所示为透明或近透明样品样品在普通明场显微镜下的成像效果，在明场显微镜下，无标记的透明或近透明样品难以分辨形状轮廓。图6为本发明的定量相位成像结果，与明场成像效果相比，极大提升了成像对比度，并且获得了生物细胞的定量相位信息，结合相应算法可以计算透明或近透明样品的物理厚度和折射率等信息。