一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及的是一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置及方法。

背景技术

传统的光学显微镜虽然能够实现无标记观察，但依赖于样品本身的光学属性，缺乏特异性。后续发展出的荧光显微镜虽然打破了远场衍射极限对分辨率的限制，但荧光显微空间上的分辨率提高往往以牺牲时间分辨率为代价，且荧光显微技术具有较高的光毒性和光漂白，染色过程复杂、耗时，荧光蛋白或荧光染料会改变细胞的正常生理状态，标记后的细胞无法再进入人体，这些劣势阻碍了荧光显微技术在生物医疗领域的应用。

为了能够对透明相位样品进行无标记成像，现有方法是将相衬显微，全息术与阿贝衍射极限结合，产生与样品有关的光程变化图，再通过对成像图像进行后续的重构处理获得完整的样品相位信息，而目前大多数的重构方法都是利用多步相移方法，这种方法需要采集多张成像强度图，成像过程耗时。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置及方法，克服现有相位成像需要采集多张成像强度图，成像过程耗时的缺陷。

本发明所公开的第一实施例为一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，其中，包括：激光光源；

扩束准直单元，用于对所述激光光源发出的激光光束进行扩束准直后投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光；

相位调制单元，用于接收携带样品信息的所述高斯光，并根据导入的螺旋相位片全息图对所述高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光；

探测器，用于采集携带样品信息的所述涡旋光，获得成像强度图；

控制终端，用于接收所述成像强度图，根据所述成像强度图生成初始物函数，并对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，其中，所述扩束准直单元包括：

针孔滤波器，用于接收所述激光光源发出的激光光束，并对所述激光光束进行扩束；

半波片，用于接收扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的偏振方向进行调整，以使得所述激光光束的偏振方向与所述相位调制单元的工作方向一致；

第一透镜，用于对调整偏振方向的激光光束进行准直，并将准直后的激光光束投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，其中，所述扩束准直单元与所述相位调制单元之间依次设置有物镜、管镜以及光阑，所述光阑设置于所述管镜的后焦面；

所述物镜和所述管镜用于接收所述扩束准直单元产生的携带样品信息的高斯光，并对所述高斯光进行放大；

所述光阑用于接收所述物镜和所述管镜放大后的高斯光，并对放大后的高斯光进行过滤。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，其中，所述光阑与所述相位调制单元之间设置有第二透镜，所述相位调制单元与所述探测器之间设置有第三透镜，所述第三透镜的前焦面与所述第二透镜的后焦面重合，所述相位调制器设置于所述第二透镜的后焦面，所述探测器设置所述第三透镜的后焦面；

所述第二透镜用于接收所述光阑过滤后的高斯光，并将过滤后的高斯光汇聚至所述相位调制单元进行相位调制；

所述第三透镜用于接收所述相位调制单元产生的携带样品信息的涡旋光，并将所述涡旋光投射至所述探测器进行成像。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，其中，所述相位调制单元为螺旋相位板或液晶空间光调制器。

本发明所公开的第二实施例为一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法，其中，包括：

对激光光源发出的激光光束进行扩束准直后投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光；

根据导入的螺旋相位片全息图对所述高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光；

采集携带样品信息的所述涡旋光，获得成像强度图；

根据所述成像强度图生成初始物函数，并对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法，其中，所述对激光光源发出的激光光束进行扩束准直后投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光的步骤包括：

对激光光源发出的激光光束进行扩束，得到扩束后的激光光束；

对扩束后的激光光束的偏振方向进行调整，得到调整偏振方向的激光光束；

对调整偏振方向的激光光束进行准直，并将准直后的激光光束投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法，其中，所述根据所述成像强度图生成初始物函数的步骤包括：

生成尺寸与所述成像强度图的尺寸相同的随机矩阵；

将所述随机矩阵插入预设相位函数中构建初始物函数的相位部分，生成初始物函数。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法，其中，所述对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像的步骤包括：

对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数；

当迭代次数或迭代收敛不满足预设条件时，将所述目标物函数作为初始物函数，并继续执行对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数的步骤，直至迭代次数或迭代收敛满足预设条件；

根据所述目标物函数，获得重构的样品相位信息图像。

所述的基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法，其中，所述对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数的步骤包括：

对所述初始物函数进行傅里叶变换，并利用预设第一螺旋相位调制函数对变换后的初始物函数进行相位调制，得到第一像函数；

利用所述成像强度图的强度对所述第一像函数的振幅进行更新，得到第二像函数；

对所述第二像函数进行逆傅里叶变换，并利用预设第二螺旋相位调制函数对变换后的所述第二像函数进行相位调制，得到第三像函数；其中，所述第二螺旋相位调制函数与所述第一螺旋相位调制函数的相位相反；

将所述第三像函数的振幅更新为预设值，生成目标物函数。

有益效果，本发明通过对携带样品信息的高斯光束进行相位调制，将采集到的高斯光转换为涡旋光，实现了单次拍摄记录成像强度图即可获得样品相位信息，装置简单，操作方便，成像速度快且成像视场大，明场成像消除了暗场成像的限制，大幅提高了相位显微成像时间分辨率，简化了成像步骤。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置的一种结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置的另一种结构示意图；

图3是本发明实施例中提供的一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置的局部结构示意图；

图4是本发明实施例中提供的螺旋相位片全息图；

图5是图4中的螺旋相位片与闪耀光栅结合后的叉形光栅全息图；

图6是相位型光栅未经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图7是相位型光栅经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图8是图7的成像强度图对应的重构振幅图；

图9是图7的成像强度图对应的重构相位图；

图10是相位型分辨率板未经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图11是相位型分辨率板经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图12是图11的成像强度图对应的重构振幅图；

图13是图11的成像强度图对应的重构相位图；

图14是神经元细胞未经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图15是神经元细胞经过螺旋相位片相位调制的成像强度图；

图16是图15的成像强度图对应的重构振幅图；

图17是图15的成像强度图对应的重构相位图；

图18是本发明实施例提供的一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法的实施例流程图；

图19是本发明实施例提供的一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像方法的具体应用实施例流程图。

附图中各标记：1、激光光源；2、扩束准直单元；3、样品；4、相位调制单元；5、探测器；6、控制终端；7、衰减片；8、物镜；9、管镜；10、光阑；11、第二透镜；12、第三透镜；21、针孔滤波器；22、半波片；23、第一透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

荧光显微镜打破了远场衍射极限对分辨率的限制，通过不同的荧光染料或荧光蛋白对透明的相位型样品内部不同成分分别标记，荧光蛋白或荧光染料提供了具有分子特异性的高对比度成像。但荧光显微空间上的分辨率提高往往以牺牲时间分辨率为代价，且荧光显微技术具有较高的光毒性和光漂白，染色过程复杂、耗时，荧光蛋白或荧光染料会改变细胞的正常生理状态，标记后的细胞无法再进入人体，这些劣势阻碍荧光显微技术在生物医疗领域的应用。

为了能够对透明相位样品进行无标记成像，泽尼克发展了相衬显微成像技术，Gabor提出全息术，研究人员将相衬显微，全息术与阿贝衍射极限结合发展出了定量相位成像技术，这种无标记技术产生的图像是与样品有关的光程变化图，图像中包含了样品厚度和结构的折射率信息，具有较高的对比度，同时也避免了荧光标记所带来的光漂白和光毒性。再通过对成像图像进行后续的重构处理获得完整的样品相位信息。但目前大多数的重构方法是利用多步相移方法，这种方法需要采集多张成像强度图，实验过程耗时。另外定量相位成像的成像系统大多是基于暗场成像，比较受限。

为了解决上述问题，本发明提供了基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，如图1～图3所示。本发明提供了一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置，所述装置包括：激光光源1；用于对所述激光光源1发出的激光光束进行扩束准直后投射到样品3上，产生携带样品信息的高斯光的扩束准直单元2；用于接收携带样品信息的所述高斯光，并根据导入的螺旋相位片全息图对所述高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光的相位调制单元4；用于采集携带样品信息的所述涡旋光，获得成像强度图的探测器5；以及用于接收所述成像强度图，根据所述成像强度图生成初始物函数，并对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像的控制终端6。具体成像过程中，激光光源1产生的连续激光光束，经过扩束准直单元2扩束准直后投射到样品3上，产生携带样品信息的高斯光，高斯光经过相位调制单元4进行相位调制后，产生携带样品信息的涡旋光，涡旋光经过探测器5采集获得成像强度图，并通过控制终端对成像强度图进行处理，获得重构的样品相位信息图像。本实施例中通过对携带样品信息的高斯光束进行相位调制，将采集到的高斯分布光束转换为涡旋光的形式，并通过后期数据处理成像，装置简单，操作方便，成像速度快且成像视场大，明场成像消除了暗场成像的限制，实现了单次拍摄记录成像强度图即可获得样品相位信息，大幅提高了相位显微成像的实验时间，简化了实验步骤。

在一具体实施方式中，所述扩束准直单元2包括：用于接收所述激光光源1发出的激光光束，并对所述激光光束进行扩束的针孔滤波器21；用于接收扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的偏振方向进行调整的半波片22；用于对调整偏振方向的激光光束进行准直，并将准直后的激光光束投射到样品3上，产生携带样品信息的高斯光的第一透镜23。具体实施过程中，激光光源1与样品3之间依次设置有针孔滤波器21、半波片22以及第一透镜23。激光光源1发出的激光光束经过针孔滤波器21进行空间滤波以及扩束后，由半波片22对激光光束的偏振方向进行调节，以使得激光光束的偏振方向与相位调制单元4的工作方向一致，最后由第一透镜23对偏振方向调整的激光光束进行准直，使所述激光光束以平行光的形式投射到样品面上，产生携带样品信息的高斯光。

在一具体实施方式中，考虑到激光光源1发出的激光光束的光强较强，直接利用激光光源1发出的激光光束进行成像，成像质量差，本实施例中在激光光源1与针孔滤波器21之间还设置有衰减片7，所述衰减片7用于接收所述激光光源1发出的激光光束，对所述激光光束进行衰减，并将衰减后的激光光束投射到针孔滤波器21上。

在一具体实施方式中，所述扩束准直单元2与所述相位调制单元4之间依次设置有物镜8、管镜9以及光阑10，所述物镜8和所述管镜9用于接收所述扩束准直单元2产生的携带样品信息的高斯光，并对所述高斯光进行放大，所述光阑10用于接收所述物镜8和所述管镜9放大后的高斯光，并对放大后的高斯光进行过滤。具体实施过程中，所述光阑10设置于所述管镜9的后焦平面，扩束准直单元2产生的携带样品信息的高斯光，经过物镜8透射，在管镜9的后焦面形成放大的光斑，再由处于管镜9后焦面的光阑10对光斑大小进行控制。

在一具体实施方式中，如图3所示，所述装置还包括：第二透镜11和第三透镜12，所述第二透镜11位于所述光阑10与所述相位调制单元4之间，所述第二透镜11和所述第三透镜12组成4f系统，所述相位调制单元4位于所述4f系统中，即位于所述第二透镜11和所述第三透镜12之间。所述第二透镜11用于接收所述光阑10过滤后的高斯光，并将过滤后的高斯光汇聚至所述相位调制单元4进行相位调制；所述第三透镜12用于接收所述相位调制单元4产生的携带样品信息的涡旋光，并将所述涡旋光投射至所述探测器5进行成像。具体实施过程中，所述第三透镜12的前焦面与所述第二透镜11的后焦面重合，所述相位调制单元4设置于所述第二透镜11的后焦面，所述探测器5设置所述第三透镜12的后焦面，光阑10过滤后的高斯光由第二透镜11汇聚至相位调制单元4进行相位调制，产生的携带样品信息的涡旋光，携带样品信息的涡旋光由相位调制单元4出射后，被第三透镜12准直投射至探测器5进行成像。

在一具体实施例中，如图1所示，所述相位调制单元4为液晶空间光调制器，液晶空间光调制器中包含若干液晶分子，每个液晶分子对应一个像素，像素值0代表相位值为0，像素值255代表相位值为2π。液晶空间光调制器通过数据线与控制终端6连接，控制终端6通过matlab软件等写出螺旋相位片全息图如图4所示，将单张全息图导入液晶空间光调制器中，全息图的模式为1080×1920的8位图片，全息图作用与否由软件开关控制。当携带有样品信息的高斯光照射到液晶空间光调制器中时，通过液晶空间光调制器中导入的螺旋相位片全息图，将携带样品信息的高斯光转换为携带样品信息的涡旋光。由于液晶空间光调制器分辨率有限，在加载螺旋相位片时其中心会出现相位失真，造成涡旋光束质量不高，因此本实施例中在螺旋相位片中心区域引入闪耀光栅，在液晶空间光调制器中载入叉形光栅全息图如图5所示，所述叉形光栅全息图是由图4中的螺旋相位片与闪耀光栅在2π内取余结合形成的。

在另一具体实施例中，如图2所示，所述相位调制单元4为螺旋相位板，与相位调制单元4为液晶空间光调制器时类似，螺旋相位板通过数据线与控制终端6连接，控制终端6通过matlab软件等写出螺旋相位片全息图后，将单张全息图导入螺旋相位板中，当携带有样品信息的高斯光照射到螺旋相位板中时，通过螺旋相位板中导入的螺旋相位片全息图，将携带样品信息的高斯光转换为携带样品信息的涡旋光，随后涡旋光由探测器5采集，并由控制终端对探测器采集的成像强度图进行数据处理，得到重构的样品相位信息图像。

如图6～图17所示，是样品分别为相位型光栅、相位型分辨率板以及神经元细胞对应的成像强度图、重构振幅图以及重构相位图，由图6～图17可以看出经过螺旋相位片相位调制得到的成像强度图相比未经螺旋相位片相位调制得到的成像强度图更加清晰，且对经过螺旋相位片相位调制得到的成像强度图进行处理，可以重构出清晰的样品相位信息图像。

此外，本发明还提供了一种上述基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置的成像方法，如图6所示，其包括以下步骤：

S1、对激光光源发出的激光光束进行扩束准直后投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光；

S2、根据导入的螺旋相位片全息图对所述高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光；

S3、采集携带样品信息的所述涡旋光，获得成像强度图；

S4、根据所述成像强度图生成初始物函数，并对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像。

具体实施时，激光光源产生的激光光束经过衰减片进行衰减，并通过针孔滤波器、半波片以及第一透镜进行扩束准直以及偏振方向改变后，以平行光的形式投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光；然后由相位调制单元根据导入的螺旋相位片全息图对高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光；随后涡旋光由探测器采集，获得成像强度图；最后成像强度图通过控制终端进行处理，根据成像强度图生成物函数，并对物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像。本实施例中通过对携带样品信息的高斯光束进行相位调制，将采集到的高斯分布光束转换为涡旋光的形式，通过后期数据处理，实现了单次二维记录获得样品的相位信息，大幅提高了相位显微成像的实验时间，简化了实验步骤。

在一具体实施方式中，所述步骤S1具体包括步骤：

S11、对激光光源发出的激光光束进行扩束，得到扩束后的激光光束；

S12、对扩束后的激光光束的偏振方向进行调整，得到调整偏振方向的激光光束；

S13、对调整偏振方向的激光光束进行准直，并将准直后的激光光束投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光。

具体地，激光器发出的激光光束首先通过针孔滤波器进行扩束，得到扩束后的激光光束，随后由半波片对扩束后的激光光束进行偏振方向调整，得到改变偏振方向的激光光束，最后由第一透镜对改变偏振方向的激光光束进行准直，以平行光的形式将激光光束投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光。

在一具体实施方式中，步骤S4中所述根据所述成像强度图生成初始物函数的步骤包括:

S41、生成尺寸与所述成像强度图的尺寸相同的随机矩阵；

S42、将所述随机矩阵插入预设相位函数中构建初始物函数的相位部分，生成初始物函数。

具体实施时，控制终端通过数据线与探测器连接，控制终端对探测器的存储位置、曝光时间、拍摄状态等进行控制。控制终端获取到探测器采集的成像强度图后，生成尺寸与成像强度图相同大小的随机矩阵

在一具体实施方式中，步骤S4中所述对所述初始物函数进行迭代更新，获得重构的样品相位信息图像的步骤包括：

S43、对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数；

S44、当迭代次数或迭代收敛不满足预设条件时，将所述目标物函数作为初始物函数，并继续执行对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数的步骤，直至迭代次数或迭代收敛满足预设条件；

S45、根据所述目标物函数，获得重构的样品相位信息图像。

具体地，在对初始物函数进行迭代更新时，首先进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数。然后判断迭代次数或迭代收敛是否满足预设条件，若是，则输出目标物函数的相位部分，作为重构的样品相位信息图像；若否，则以生成的目标物函数作为初始物函数，继续执行上述对所述初始物函数进行傅里叶变换、相位调制以及振幅更新，生成目标物函数的步骤，直至迭代次数或迭代收敛满足预设条件。

在一具体实施方式中，所述步骤S43具体包括：

S431、对所述初始物函数进行傅里叶变换，并利用预设第一螺旋相位调制函数对变换后的初始物函数进行相位调制，得到第一像函数；

S432、利用所述成像强度图的强度对所述第一像函数的振幅进行更新，得到第二像函数；

S433、对所述第二像函数进行逆傅里叶变换，并利用预设第二螺旋相位调制函数对变换后的所述第二像函数进行相位调制，得到第三像函数；其中，所述第二螺旋相位调制函数与所述第一螺旋相位调制函数的相位相反；

S434、将所述第三像函数的振幅更新为预设值，生成目标物函数。

具体地，在生成目标物函数时，首先对初始物函数进行傅里叶变换，变换后的初始物函数对应的相位为0～2π，然后将变换后的初始物函数与预先设置的第一螺旋相位函数

进一步地，保持第一像函数的相位不变，将探测器采集的成像强度图的强度开根号值作为已知振幅替换第一像函数的振幅，得到第二像函数。然后对第二像函数进行逆傅里叶变换，并将变换后的第二像函数与预先设置的第二螺旋相位调制函数相乘，其中，所述第二螺旋相位调制函数的相位与所述第一螺旋相位调制函数的相位相反。随后将相位调制后的第二像函数进行逆傅里叶变换，得到第三像函数。最后保持第三像函数的相位不变，将第三像函数的振幅部分用1替换，生成目标物函数。

为了更好地理解本发明的技术，本发明还提供一种具体的应用实施例，如图19中所示，具体包括如下步骤：

步骤201、生成尺寸与成像强度图的尺寸相同的随机矩阵；

步骤202、将随机矩阵插入相位函数中构建初始物函数的相位部分，生成初始物函数；

步骤203、对初始物函数进行两次傅里叶变换并与第一螺旋相位调制函数相乘，生成第一像函数；

步骤204、保持第一像函数的相位不变，将第一像函数的振幅替换为成像强度图的强度开根号值，生成第二像函数；

步骤205、对第二像函数进行两次逆傅里叶变换并与第二螺旋相位调制函数相乘，生成第三像函数；

步骤206、保持第三像函数的相位不变，将第三像函数的振幅替换为已知振幅，生成目标物函数；

步骤207、判断是否满足预设迭代次数或迭代收敛，若否，则执行步骤208；若是，则执行步骤209；

步骤208、将目标物函数作为初始物函数；

步骤209、获得重构的样品相位信息图像。

综上所述，本发明提供了一种基于螺旋相位片的明场相位显微成像装置及方法，所述装置包括：激光光源；对激光光束进行扩束准直后投射到样品上，产生携带样品信息的高斯光的扩束准直单元；根据导入的螺旋相位片全息图对高斯光进行相位调制，产生携带样品信息的涡旋光的相位调制单元；采集涡旋光，获得成像强度图的探测器；对成像强度图进行处理，获得重构的样品相位信息图像的控制终端。本发明通过对携带样品信息的高斯光束进行相位调制，将采集到的高斯光转换为涡旋光，实现了单次拍摄记录成像强度图即可获得样品相位信息，装置简单，操作方便，成像速度快且成像视场大，明场成像消除了暗场成像的限制，大幅提高了相位显微成像时间分辨率，简化了成像步骤。

应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。