一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校 正系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我們知道，在對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行活體成像時(shí)，常常由于生物樣品表面的不平整性和 樣品內(nèi)部折射率分布不均勻性，使系統(tǒng)引入了較大的像差，最終導(dǎo)致獲得的圖片質(zhì)量較差。 目前，已有的像差校正方法為自適應(yīng)光學(xué)像差校正，這是一種傳統(tǒng)的像差校正方法，它需要 在生物樣品中植入?yún)⒖脊庠矗ㄒ话銥闊晒庵榈葻晒獠牧希?，這樣對(duì)生物樣品有較大的傷害， 且限制了該方法在活體成像上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正系統(tǒng)，其目的 在于通過(guò)調(diào)控兩束相干光中某一束光的相位，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩束光的相干加強(qiáng)和相干減弱的操 控，從而實(shí)現(xiàn)了顯微系統(tǒng)的像差校正；旨在解決深層組織細(xì)胞活體成像質(zhì)量差的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明提供了一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正系統(tǒng)，包括：激光光源，反光鏡M，依 次設(shè)置在所述激光光源與所述反光鏡之間且位于所述反光鏡的入射光路上的用于控制激 光光強(qiáng)的中性光密度濾光片、用于控制激光的偏振方向的半波片和用于調(diào)整激光光束直徑 的擴(kuò)束鏡，空間光調(diào)制器，依次設(shè)置在所述空間光調(diào)制器的反射光路上的用于調(diào)整反射光 束直徑的透鏡組、對(duì)調(diào)整后的激光進(jìn)行聚焦后用于激發(fā)樣品的第二物鏡L2、用于收集樣品 發(fā)出的信號(hào)光的第一物鏡L1、用于對(duì)第一物鏡L1收集的信號(hào)光進(jìn)行聚焦的透鏡L7和用于 采集聚焦后的信號(hào)光并進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的CCD，以及用于控制所述空間光調(diào)制器和所述CCD 并確?？臻g光調(diào)制器灰度圖加載更新速率與所述CCD的采集速率同步的控制模塊；所述反 光鏡的反射光作為所述空間光調(diào)制器的入射光，通過(guò)所述反光鏡控制所述空間光調(diào)制器的 入射光與其反射光之間的夾角。
[0005] 更進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器的入射光與其平面法線方向之間的夾角為3°~ 9° 〇
[0006] 更進(jìn)一步地，所述夾角優(yōu)選為6°。
[0007] 更進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器的液晶層中液晶分子為平行排列，其排列方向與 空間光調(diào)制器的液晶面板長(zhǎng)邊的方向一致。
[0008] 更進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器SLM的入射光的偏振方向與所述空間光調(diào)制器的 液晶面板長(zhǎng)邊的方向一致。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述擴(kuò)束鏡包括依次設(shè)置的第一透鏡L3和第二透鏡L4 ;經(jīng)過(guò)所述擴(kuò) 束鏡擴(kuò)束后的光束的直徑等于所述空間光調(diào)制器的液晶面板的窄邊尺寸。
[0010] 更進(jìn)一步地，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡前、后的光束滿(mǎn)足如下關(guān)系r0*f4 =rl*f3 ;r0為擴(kuò)束前 光束的光斑半徑，rl為擴(kuò)束后光束的光斑半徑，f3為所述第一透鏡的焦距，f4為所述第二 透鏡的焦距，2rl為空間光調(diào)制器的液晶面板的窄邊尺寸。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述透鏡組包括依次設(shè)置的第三透鏡L5和第四透鏡L6,依次經(jīng)過(guò)所 述第三透鏡L5和第四透鏡L6后的光束的直徑等于所述第二物鏡L2的光瞳直徑。
[0012] 更進(jìn)一步地，所述激光光源產(chǎn)生波長(zhǎng)為633nm的激光。
[0013] 本發(fā)明通過(guò)調(diào)控兩束相干光中某一束光的相位，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩束光的相干加強(qiáng)和相 干減弱的操控，從而實(shí)現(xiàn)了顯微系統(tǒng)的像差校正；無(wú)需在樣品中植入?yún)⒖脊庠?，且像差校?的速度快，因此非常適合用于活體樣品的深層像差校正成像。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖2是模擬在自由空間中參考光與調(diào)制光之間的相干示意圖；
[0016] 圖3是空間光調(diào)制器相位加載分區(qū)示意圖；
[0017]圖4中（a)為第一次像差校正過(guò)程中采集的點(diǎn)陣圖，（b)為通過(guò)點(diǎn)陣圖得到的光 斑強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線圖，（c)為經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到的強(qiáng)度頻域圖，（d)為相位頻域 圖；
[0018] 圖5中（a)是第二次進(jìn)行像差校正過(guò)程中產(chǎn)生的點(diǎn)陣圖，（b)為最后校正完成的 點(diǎn)陣圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0020] 本發(fā)明提供了一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正的方法和系統(tǒng)，旨在解決深層組織細(xì) 胞活體成像像差的問(wèn)題。尤其適用于深層生物細(xì)胞的活體顯微成像。
[0021] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正系統(tǒng)，包括：
[0022] 激光光源，用于產(chǎn)生激光，激光波長(zhǎng)為633nm;
[0023] 中性光密度濾光片（Neutraldensityfilter，NDF)，用于接收所述激光并控制所 述激光的光強(qiáng)；具體地，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)濾波片來(lái)控制激光的光強(qiáng)，濾波片可以為圓輪狀的， 通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪子就可以控制光的強(qiáng)度。
[0024] 半波片，用于控制光的偏振方向；半波片即二分之一玻片，二分之一玻片可以是圓 盤(pán)狀的，刻度是0-360°，控制的最好方法是通過(guò)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)二分之一玻片在CCD上得到最強(qiáng) 的光斑時(shí)，此時(shí)的二分之一玻片的角度為最佳角度。
[0025]透鏡組合（L3和L4)，用于擴(kuò)束，使激光光束的直徑大小剛好能與空間光調(diào)制器 (Spatiallightmodulator，SLM)的液晶面窄邊的尺寸大小一致；若初始的光斑半徑為rO， 擴(kuò)束后光斑的半徑為rl，兩個(gè)透鏡的焦距分別為f3、f4.他們之間滿(mǎn)足r0*f4 =rl*f3的 關(guān)系式。其中2*rl即為SLM的窄邊尺寸。其中，SLM的液晶面板的所有尺寸均是已知的。
[0026] 反光鏡（M)，用于控制空間光調(diào)制器SLM的入射光和反射光之間的夾角，確保兩束 光之間的夾角在12°，這樣可以最大限度提高液晶面的反射效率，降低光的損耗。
[0027]空間光調(diào)制器（SLM)，用于產(chǎn)生我們需要的灰度圖，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的相干性進(jìn)行調(diào) 控。
[0028] 透鏡組合（L5和L6)，用于調(diào)整經(jīng)過(guò)SLM反射后光束的直徑大小，確保經(jīng)過(guò)調(diào)整后 的光束大小剛好能覆蓋第二物鏡（L2)的光瞳（其中，光瞳的大小是固定已知的，通過(guò)前面 的換算公式就可以知道L5,L6用多大的焦距比較合適），這樣可以最大限度地發(fā)揮物鏡的 性能。
[0029] 第一物鏡（L1)，用于收集樣品發(fā)出的信號(hào)光；
[0030] 第二物鏡（L2)，對(duì)調(diào)整后的激光進(jìn)行聚焦后激發(fā)樣品；
[0031] 透鏡（L7)，用于對(duì)第一物鏡（L1)收集的信號(hào)光進(jìn)行聚焦；
[0032] CCD，采集聚焦后的信號(hào)光，并進(jìn)行實(shí)時(shí)成像；
[0033] 控制模塊，用于控制空間光調(diào)制器SLM和CCD，確保空間光調(diào)制器灰度圖加載更新 速率與C⑶的采集速率同步。具體地，可以通過(guò)MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，MATLAB中有控制SLM和 CCD的模塊，在編寫(xiě)程序時(shí)直接調(diào)用就可以。
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例，首先依次對(duì)SLM相位調(diào)制度進(jìn)行測(cè)量、伽馬校正和液晶面分區(qū)，影 響SLM調(diào)制特性的主要因素包括：波長(zhǎng)、入射光的偏振態(tài)以及入射角。同樣的灰度信號(hào)，波 長(zhǎng)越短，SLM引起的相位延遲越大。本發(fā)明實(shí)施例所用的液晶層中液晶分子為平行排列，排 列方向與SLM面板長(zhǎng)邊的方向一致，實(shí)際應(yīng)用中為了獲得最大的相位調(diào)整度，應(yīng)該調(diào)整入 射光的偏振方向與長(zhǎng)邊方向一致。
[0035] 此外，在使用中應(yīng)該保持入射光束以盡可能小的入射角（入射角最佳為6度）入 射SLM液晶面，原則上入射光束與SLM平面法線方向的夾角應(yīng)該控制在6°以?xún)?nèi)。伽馬校 正，主要是對(duì)SLM的調(diào)整特性進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目的是使SLM產(chǎn)生良好的純相位調(diào)制，使相 位調(diào)制度隨256 (0~255)灰階度信號(hào)線性地從0變到2π。
[0036] 伽馬校正完成后，需要確認(rèn)SLM液晶面的分區(qū)方式，本發(fā)明實(shí)施例中將SLM的液晶 面分成3X3的9個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都賦值一個(gè)頻率（ωJ，然后讓這9個(gè)區(qū)域的相位隨時(shí)間 周期性變化。由于這九個(gè)區(qū)域?qū)⑷肷涞墓馐殖?束，每一束都會(huì)與其它的8束形成相干， 因此隨著時(shí)間的變化，相干減弱和相關(guān)加強(qiáng)也成周期性變化。
[0037] 本發(fā)明實(shí)施例中，在進(jìn)行相干自適應(yīng)光學(xué)像差校正時(shí)，點(diǎn)亮激光器，調(diào)節(jié)NDF使激 光強(qiáng)度降到滿(mǎn)足我們要求的范圍內(nèi)（CCD采集的所有光斑都不要溢出為準(zhǔn)，最亮的地方灰 度值為255即可），旋轉(zhuǎn)半波片的角度使激光的偏振方向與液晶面的長(zhǎng)邊平行（旋轉(zhuǎn)二分之 一玻片，在CCD上得到光斑強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)候，就是玻片調(diào)到最佳的時(shí)候，因?yàn)镾LM在光路中 位置是固定的，因此只用調(diào)二分之一玻片即可。），接著調(diào)節(jié)透鏡組（L3和L4)使激光的光 束放大變粗，將激光光束放大到使其直徑與液晶面的寬邊一致即可，放大后的光束經(jīng)過(guò)SLM 的液晶面的調(diào)整和反射后，經(jīng)過(guò)透鏡組合（L5和L6)的調(diào)整，使光束的大小調(diào)整到與物鏡 (L2)的光瞳大小相當(dāng)為佳，在物鏡（L2)的焦面上放置一塊散射性強(qiáng)的透明樣品（厚度約為 100ym)，經(jīng)過(guò)物鏡（L1)聚焦后的光斑經(jīng)過(guò)樣品后會(huì)發(fā)生散射，然后用物鏡（L1)來(lái)收集散 射后的光，在物鏡（L1)的后面再加一塊透鏡L7,對(duì)物鏡（L1)收集的散射光進(jìn)行