本發(fā)明涉及顯微成像，尤其涉及一種基于主動(dòng)液晶偏振光柵的二維微分干涉定量相位顯微成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光場的信息可以由振幅、偏振、相位、頻率等參量表征，當(dāng)光場與物質(zhì)發(fā)生作用后，其攜帶的信息可以反映物體的理化特性，例如光譜信息可以反映物質(zhì)的元素組成、振幅信息可用于測量物體的透射率、相位信息包含了物體的三維折射率分布等。然而，由于人眼或光電傳感器對光場的相位信息不敏感，傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)往往忽略了相位這一重要的信息，對相位信息的直接測量一直是個(gè)難題。近半個(gè)世紀(jì)以來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，以干涉原理為代表的相位測量技術(shù)在計(jì)量學(xué)中發(fā)揮了突出的作用。如今，相位成像技術(shù)在超精密測量、自適應(yīng)光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2、在無標(biāo)記的生物活細(xì)胞成像領(lǐng)域，相位成像技術(shù)可以用于識(shí)別細(xì)胞大小、形態(tài)以及特征結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)明場顯微鏡下，由于生物細(xì)胞的大多數(shù)細(xì)胞器對光具有非常弱的吸收，光波的振幅不會(huì)發(fā)生明顯變化，因此難以觀察細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)方法往往采用熒光染色技術(shù)來增強(qiáng)成像對比度，達(dá)到方便觀察的目的。但這種方法使用的熒光染料和熒光蛋白會(huì)對細(xì)胞的活性產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重限制了對活體細(xì)胞的觀察和研究。1942年zernike發(fā)明了zernike相襯顯微鏡，通過特制的相位濾波片使物體的相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息，使得組織細(xì)胞可以在未染色的情況下觀察。隨后nomarski在1952年基于偏振分束和剪切干涉原理發(fā)明了微分干涉顯微鏡(differential?interference?contrast,dic)，可以在像平面上呈現(xiàn)出與細(xì)胞光學(xué)密度相關(guān)的類浮雕偽三維圖案。

3、盡管上述方法在相位成像領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但依然存在三方面問題。一是這類方法測量的強(qiáng)度與樣品的相位具有非線性的關(guān)系，導(dǎo)致無法定量地恢復(fù)相位信息，這對于一些需要準(zhǔn)確相位數(shù)據(jù)的研究領(lǐng)域是一個(gè)較為嚴(yán)重的問題。二是體積較大，由于光路中通常需要大塊的折射棱鏡，無法實(shí)現(xiàn)緊湊型的光學(xué)系統(tǒng)，這大大限制了其應(yīng)用范圍，尤其是對于那些需要在特殊培養(yǎng)箱中進(jìn)行長時(shí)間觀察的生物樣本，過大的體積會(huì)造成許多額外的問題。三是多模態(tài)轉(zhuǎn)換困難。部分研究中需要對樣本的強(qiáng)度和相位信息同時(shí)進(jìn)行觀察，然而傳統(tǒng)相位成像需要對系統(tǒng)的光學(xué)組件進(jìn)行精密校準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，無法在明場顯微系統(tǒng)和相位顯微系統(tǒng)之間進(jìn)行快速的功能轉(zhuǎn)換，這對研究造成了極大的不便。

4、近年來，新型光學(xué)器件的出現(xiàn)為定量相位成像提供了全新的解決方案。主動(dòng)液晶偏振光柵(active?liquid?crystal?polarization?grating,active?lcpg)具有優(yōu)良的光場調(diào)控性能，以及輕薄的特點(diǎn)，可用于代替微分干涉顯微鏡中的沃拉斯頓棱鏡，實(shí)現(xiàn)更加緊湊的成像系統(tǒng)。同時(shí)，主動(dòng)液晶光柵可以通過控制電壓實(shí)現(xiàn)液晶狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)多種成像模式的快速轉(zhuǎn)換。同時(shí)，經(jīng)過一定的光路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)定量相位成像，很好地解決了上述的三方面問題。

5、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息已構(gòu)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于主動(dòng)液晶偏振光柵的二維微分干涉定量相位顯微成像系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、根據(jù)本說明書的第一方面，提供一種基于主動(dòng)液晶偏振光柵的二維微分干涉定量相位顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

4、照明系統(tǒng)組件，包括激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡和線偏振起偏器，用于為樣品提供合適的照明光源；

5、主動(dòng)液晶偏振光柵組件，液晶偏振光柵中液晶分子的周期性排列可以將不同偏振狀態(tài)的光向不同方向偏折，形成+1級(jí)和-1級(jí)衍射光，從而實(shí)現(xiàn)樣品在某一方向上的dic成像。本發(fā)明采用4片主動(dòng)lcpg，布置于樣品之后，其中2片液晶分子周期性變化方向?yàn)閤方向的lcpg(以下簡稱xlcpg)和2片液晶分子周期性變化方向?yàn)閥方向的lcpg(以下簡稱ylcpg)交替布置，其中1片xlcpg和1片ylcpg為1個(gè)固定的lcpg組，兩個(gè)lcpg組之間的間距可通過精密機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)分辨率可調(diào)的微分干涉對比成像；

6、顯微系統(tǒng)，布置于主動(dòng)液晶偏振光柵組件之后，用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的顯微成像；

7、偏振相機(jī)，布置于顯微系統(tǒng)之后，用于獲取顯微物鏡所成的像并實(shí)現(xiàn)微分干涉定量相位顯微成像。偏振相機(jī)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的探測器前放置了特殊設(shè)計(jì)的偏振濾波陣列，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)捕獲4幅偏振態(tài)不同的圖像，將4幅圖像進(jìn)行計(jì)算處理后可以實(shí)現(xiàn)精確的定量相位成像；

8、機(jī)械控制組件，布置于兩個(gè)lcpg組之間，用于調(diào)節(jié)兩個(gè)lcpg組的間距，從而實(shí)現(xiàn)對分辨率的調(diào)節(jié)；

9、電氣控制組件，與主動(dòng)lcpg相連，用于控制lcpg液晶分子的排列狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多方向的dic成像以及不同成像模式之間的快速轉(zhuǎn)換。如附圖1、附圖2所示，主動(dòng)液晶偏振光柵在未通電的情況下，液晶偏振光柵的液晶分子按照設(shè)計(jì)周期λ排列分布，產(chǎn)生光柵的效果，對不同偏振狀態(tài)的圓偏振光產(chǎn)生不同方向的偏折效果，從而實(shí)現(xiàn)光線的橫向剪切；而主動(dòng)液晶偏振光柵在通電的情況下，液晶分子重新排列，均朝向與照射光偏振方向垂直的方向，對照射光而言各向同性，因此沒有偏折效果，光線可直接透過。為實(shí)現(xiàn)二維dic成像，可以用電氣控制組件產(chǎn)生高頻交流電，當(dāng)xlcpg不加電壓，而ylcpg加電壓，即可實(shí)現(xiàn)x方向的dic成像；同理，當(dāng)xlcpg加電壓，而ylcpg不加電壓，即可實(shí)現(xiàn)y方向的dic成像。當(dāng)變化頻率足夠高時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)二維dic成像。另外，當(dāng)xlcpg和ylcpg均加電壓時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)明場成像，從而可以實(shí)現(xiàn)dic成像與明場成像的自由切換。

10、優(yōu)選的，所述激光器為半導(dǎo)體激光器、固體激光器中的任意一種。

11、優(yōu)選的，所述主動(dòng)lcpg的通光口徑為10-30mm，大于顯微物鏡的成像視場。

12、優(yōu)選的，所述兩個(gè)lcpg組之間的間距小于20mm，以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的定量微分干涉對比成像分辨率。

13、優(yōu)選的，所述顯微系統(tǒng)包括顯微物鏡和筒鏡，顯微物鏡的工作距離大于等于30mm，以提供充足的調(diào)節(jié)空間，以及滿足較大體積樣品的成像需求。

14、優(yōu)選的，所述偏振相機(jī)的分辨率大于1024×1024。

15、根據(jù)本說明書的第二方面，提供一種透反射一體式的基于主動(dòng)液晶偏振光柵的二維微分干涉定量相位顯微成像系統(tǒng)，使用者可以根據(jù)需要自由選擇透射式或反射式成像對樣品進(jìn)行觀察。該系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)組件、主動(dòng)液晶偏振光柵組件、顯微系統(tǒng)組件、機(jī)械控制組件和電氣控制組件五部分。照明系統(tǒng)組件中包括液晶相位延遲器，電氣控制組件可以控制液晶相位延遲器的工作狀態(tài)，從而控制照射光的偏振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)透射式與反射式之間的轉(zhuǎn)換。

16、反射式的工作過程與第一方面所述系統(tǒng)的工作過程基本一致。電氣控制組件控制液晶相位延遲器的工作狀態(tài)，使照明光透過后變?yōu)榫€偏振光，液晶相位延遲器后的光開關(guān)工作在透射狀態(tài)。后續(xù)工作過程與第一方面所述系統(tǒng)相同。

17、透射式的工作過程如下：由照明系統(tǒng)組件經(jīng)液晶相位延遲器產(chǎn)生圓偏振光，經(jīng)光開關(guān)、反射鏡反射后與樣品作用；帶有樣品信息的圓偏振透射光經(jīng)過λ/4波片后變?yōu)榫€偏振光，并在液晶偏振光柵的作用下分成橫向剪切距離極小的兩束帶有相同樣品信息的正交圓偏振光；正交圓偏振光經(jīng)過顯微系統(tǒng)后，在偏振相機(jī)感光面上發(fā)生干涉，形成微分干涉的效果；通過偏振相機(jī)同時(shí)記錄4幅相位延遲不同的微分干涉對比圖像，利用移相法計(jì)算得到精確的定量dic圖像。

18、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

19、1.本發(fā)明基于主動(dòng)液晶光柵強(qiáng)大的光場調(diào)控能力，通過特殊的光路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維定量dic成像，解決了傳統(tǒng)dic成像系統(tǒng)只能沿一個(gè)方向非線性成像的問題；

20、2.本發(fā)明采用體積較小的液晶光柵來替代傳統(tǒng)dic系統(tǒng)中的體積較大的光學(xué)折射元件，實(shí)現(xiàn)了更加緊湊的光路設(shè)計(jì)，符合當(dāng)前對于小型化、輕量化的光學(xué)器件的需求，易于集成到其它顯微成像設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像，極大拓展了其應(yīng)用范圍；

21、3.本發(fā)明采用主動(dòng)液晶光柵，通過外部電路來控制液晶分子的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)成像模式在明場成像與二維定量dic成像之間的快速切換，滿足不同條件下對樣品觀察的需求。