專利名稱：基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)顯微干涉層析裝置，特別是一種可應(yīng)用于生物細(xì)胞內(nèi)部折射率空間分布定量測量的顯微干涉層析裝置。
背景技術(shù)：
折射率及其空間分布是表征生物組織光學(xué)特性的重要參量，深入了解生物樣品內(nèi)折射率的空間分布對于生物組織光學(xué)模型的建立以及相關(guān)光傳輸理論的研究有著重要的意義。現(xiàn)有大量研究報道了組織內(nèi)折射率的局部異常對生物組織內(nèi)光傳輸過程的影響及其在發(fā)展疾病診斷技術(shù)中的應(yīng)用。例如，正常和惡性乳房組織之間存在折射率的差異，這對于發(fā)展光學(xué)無創(chuàng)傷診斷技術(shù)有著非常重要的價值。在細(xì)胞尺度上，折射率可以是描述生物樣品光學(xué)特性的獨立參量，是研究和分析細(xì)胞尺度上各類光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)，它同樣是發(fā)展疾病光學(xué)診療技術(shù)的基礎(chǔ)，因此在細(xì)胞尺度上，測量生物樣品的折射率及其空間分布對于深入認(rèn)識組織樣品的光學(xué)特性、生物組織內(nèi)的光傳輸過程以及發(fā)展生物組織無創(chuàng)傷診斷技術(shù)都有著重要的價值。2009年1月15日公開的美國專利(申請?zhí)朠CT/US2008/008447) 提出了基于時間移相馬赫曾德干涉裝置，通過旋轉(zhuǎn)入射光角度獲取活細(xì)胞多方向折射率投影，并進(jìn)行生物細(xì)胞折射率空間分布的三維層析就似乎，得到了紅血球內(nèi)部折射率的三維分布。這種方法采用同軸干涉技術(shù)，通過時間移相技術(shù)獲取干涉投影數(shù)據(jù)，因此在光路中必須要有帶電控高精度時間相移裝置，這使得光路較為復(fù)雜、可靠性差，同時還必須要采集三幅以上的干涉圖才能獲得一個方向的干涉投影數(shù)據(jù)，使得干涉投影數(shù)據(jù)的獲取過程變得較為復(fù)雜，特別是實時性很差，這對于活體細(xì)胞的測量是十分不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種裝置簡單、實時性好的光學(xué)顯微折射率層析裝置，它將馬赫曾德干涉、微離軸顯微干涉、偏振相移、高速圖像采集、希爾伯特相位提取等技術(shù)相結(jié)合，有效克服了時間移相帶來的實時性問題，同時使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好和重復(fù)性好等優(yōu)點。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，包括偏振He-Ne激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、第一消偏振分光棱鏡、第二消偏振分光棱鏡、共焦顯微物鏡組即前顯微物鏡和后顯微物鏡、第一五維調(diào)節(jié)架、第二五維調(diào)節(jié)架、 電控三維平移臺、1/4波片、第一全反鏡、第二全反鏡、偏振分光棱鏡、第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置；線偏振He-Ne激光器之后放置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，其后放置一消偏振分光棱鏡進(jìn)行偏振分束；消偏振分光棱鏡的第一個輸出面之后放置前顯微物鏡和后顯微物鏡，前顯微物鏡和后顯微物鏡的共焦點處放置有待測細(xì)胞樣品，待測細(xì)胞樣品放置在電控三維平移臺上，前顯微物鏡放置在第一五維調(diào)節(jié)架上，后顯微物鏡放置在第二五維調(diào)節(jié)架上，后顯微物鏡之后放置消偏振分光棱鏡；消偏振分光棱鏡的第二個輸出面之后放置第一全反鏡將光路轉(zhuǎn)90度，第一全反鏡之后放置1/4波片進(jìn)行偏振態(tài)變化，1/4波片之后放置第二全反鏡將光路再轉(zhuǎn)90 度；第二全反鏡之后放置第二消偏振分光棱鏡對相互正交的入射光進(jìn)行合束，第二消偏振分光棱鏡之后放置偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡的第一輸出面之后放置第一高速 CMOS數(shù)字圖像采集裝置，第二輸出面之后放置第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置，第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置同時分別獲取相移為 ；τ/2的干涉圖，用以實時提取多方向干涉投影數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點1.本發(fā)明結(jié)合微離軸干涉、偏振相移、希爾
伯特相位提取和圖像高速采集等技術(shù)，能同時獲得相移為τ/2的兩幅干涉圖，然后通過希
爾伯特相位提取法和相位解包法，恢復(fù)攜帶有細(xì)胞樣品折射率空間分布信息的相位投影數(shù)據(jù)，可將干涉投影數(shù)據(jù)獲取速度提高3倍以上，同時與離軸干涉相比，優(yōu)化了頻譜帶寬，提高了后期重建精度。2.以偏振相移代替了時間相移，簡化了光學(xué)顯微干涉層析裝置，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單、操作更為簡便，避免了時間相移的噪聲干擾，降低了裝置的成本。3.以錐形光束投影取代傳統(tǒng)的平行光投影，可顯著提高光學(xué)顯微放大的倍數(shù)，有效改善了光學(xué)顯微干涉層析裝置空間分辨率。4.采用高速CMOS相機(jī)的獲取干涉圖，可使干涉圖像的獲取時間縮短至毫秒量級， 生物樣品的動態(tài)檢測能力。


附圖是本發(fā)明基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。為了克服背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明同樣以馬赫曾德干涉儀為基礎(chǔ)，提出了基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析技術(shù)，通過將微離軸干涉和偏振相移技術(shù)相結(jié)合，同步獲得兩幅干涉圖，然后通過相位解包獲得一個方向的干涉投影數(shù)據(jù)；通過對樣品進(jìn)行二維掃描，獲得多個方向的干涉投影數(shù)據(jù)，再進(jìn)行待測樣品折射率空間分布的三維重建。該方法可將干涉投影數(shù)據(jù)獲取速度提高3倍以上，有效提高了測量速度；與此同時以偏振相移取代時間相移，簡化了實驗裝置的復(fù)雜性、操作的簡便性，同時還降低裝置的成本。本發(fā)明基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，其工作原理為線偏振 He-Ne激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡的擴(kuò)束準(zhǔn)直之后，由經(jīng)消偏振分光棱鏡將其分為相互垂直傳播的物光和參考光，且保持入射時的線偏振狀態(tài)；共焦物鏡組中的第一物鏡將物光會聚在細(xì)胞樣品上，共焦物鏡組中的第二物鏡將從細(xì)胞樣品出射的物鏡準(zhǔn)直，然后入射到消偏振合光棱鏡上；參考光經(jīng)全反射鏡的反射，傳播方向改變90度，然后經(jīng)過一個1/4 波片，偏振態(tài)變?yōu)閳A偏振光(或橢圓偏振光)，之后再由一個全反射鏡將其傳播方向改變90 度，入射到消偏振合光棱鏡上，與物光合成一束；然后，由偏振分光棱鏡對其進(jìn)行偏振分光， P偏振光分量形成的干涉圖由一路高速CMOS相機(jī)采集，并送入計算機(jī)處理，S偏振分量形成的干涉圖由另一路高速CMOS相機(jī)采集，并送入計算機(jī)處理。為了使整個干涉光路處于微離軸狀態(tài)，調(diào)節(jié)第一個平面鏡的偏擺角使參考光和物光之間存在一個小的θ角，以保證干涉頻譜圖的±1級之間相互不交疊，但均和零級條紋重合，即處于微離軸狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過希爾伯特相位提取法和相位解包法，從載頻干涉圖中恢復(fù)出攜帶有細(xì)胞樣品折射率空間分布信息的相位投影數(shù)據(jù)。通過電控平移臺的精確控制，可實現(xiàn)細(xì)胞樣品的二維掃描，從而獲得細(xì)胞樣品折射率空間分布的多方向相位投影數(shù)據(jù)，然后引用三維重構(gòu)算法對細(xì)胞樣品折射率的空間分布進(jìn)行三維重構(gòu)，得到折射率的三維分布數(shù)據(jù)。結(jié)合圖1，本發(fā)明基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，包括偏振He-Ne激光器1、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2、第一消偏振分光棱鏡3、第二消偏振分光棱鏡7、共焦顯微物鏡組即前顯微物鏡4和后顯微物鏡6、第一五維調(diào)節(jié)架15、第二五維調(diào)節(jié)架16、電控三維平移臺5、 1/4波片9、第一全反鏡8、第二全反鏡10、偏振分光棱鏡11、第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置12和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置13 ；線偏振He-Ne激光器1之后放置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡 2進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，其后放置一消偏振分光棱鏡3進(jìn)行偏振分束；消偏振分光棱鏡3的第一個輸出面之后放置前顯微物鏡4和后顯微物鏡6，前顯微物鏡4和后顯微物鏡6的共焦點處放置有待測細(xì)胞樣品，待測細(xì)胞樣品放置在電控三維平移臺5上，前顯微物鏡4放置在第一五維調(diào)節(jié)架15上，后顯微物鏡6放置在第二五維調(diào)節(jié)架16上，后顯微物鏡6之后放置消偏振分光棱鏡7 ；消偏振分光棱鏡3的第二個輸出面之后放置第一全反鏡8將光路轉(zhuǎn)90度，第一全反鏡8之后放置1/4波片9進(jìn)行偏振態(tài)變化，1/4波片9之后放置第二全反鏡10將光路再轉(zhuǎn)90度；第二全反鏡10之后放置第二消偏振分光棱鏡7對相互正交的入射光進(jìn)行合束，第二消偏振分光棱鏡7之后放置偏振分光棱鏡11，偏振分光棱鏡11的第一輸出面之后放置第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置12，第二輸出面之后放置第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置13，第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置12和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置13同
時分別獲取相移為對'2的干涉圖，用以實時提取多方向干涉投影數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，通過1/4波片9和偏振分光棱鏡11實現(xiàn)的偏振相移，結(jié)合第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置12和第二高速CMOS數(shù)
字圖像采集裝置13可同時獲得相移為的兩幅干涉圖。結(jié)合圖1對本發(fā)明作更加詳細(xì)的說明，基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，它由偏振He-Ne激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、消偏振分光棱鏡、共焦顯微物鏡組、五維調(diào)節(jié)架、 待測細(xì)胞樣品、電動平移臺、平面鏡、消偏振分光棱鏡和高速圖像采集裝置等組成，其中線偏振He-Ne激光器1的輸出波長為632. 8nm,功率4mW，光斑大小約7mm，穩(wěn)定性小于1.5% ；
擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2由平凹透鏡(A = Wmm , Z1 = -15·)和平凸透鏡(D2 = 40mm , f2 = 150mm )
組成，擴(kuò)束比為10倍；消偏振分光棱鏡3和7的分光比為1 1，且能保證出射光的偏振態(tài)與入射光一致；共焦物鏡對4和6的放大率為25X (25/1. 48，160/0. 17)，數(shù)值孔徑為0. 4，放置于五維調(diào)節(jié)架上以便進(jìn)行對焦調(diào)節(jié)；待測細(xì)胞樣品為血紅細(xì)胞由電控平移臺5可進(jìn)行三維精確移動，步距0. 078ym;l/4波片的快軸方向與入射光的偏振方向成45度角；偏振分光棱鏡11能將P和S偏振分量分開，從相互垂直的兩個方向出射；高速CMOS相機(jī)12和13 型號為Mintron 1310，像素數(shù)為100i3(H)x512(V),每秒可采集500幅圖像。其工作過程為 線偏振He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2的擴(kuò)束準(zhǔn)直后，由消偏振分光棱鏡3將其分為相互垂直傳播的物光和參考光，且保持入射時的線偏振狀態(tài)；共焦物鏡組中的第一物鏡4將物光會聚在細(xì)胞樣品上，共焦物鏡組中的第二物鏡6將從細(xì)胞樣品出射的物鏡準(zhǔn)直，然后入射到消偏振分光棱鏡7上；參考光經(jīng)全反射鏡8的反射，傳播方向改變90度， 然后經(jīng)過一個1/4波片9，偏振態(tài)變?yōu)閳A偏振光(或橢圓偏振光)，之后再由一個全反射鏡10 將其傳播方向改變90度，入射到消偏振分光棱鏡7上，與物光合成一束；然后，由偏振分光棱鏡11對其進(jìn)行偏振分光，P偏振光分量形成的干涉圖由一路高速CMOS相機(jī)12采集，并送入計算機(jī)14處理，S偏振分量形成的干涉圖由另一路高速CMOS相機(jī)13采集，并送入計算機(jī)14處理。為了使整個干涉光路處于微離軸狀態(tài)，調(diào)節(jié)第一個平面鏡8的偏擺角使參考光和物光之間存在一個小的θ角，以保證干涉頻譜圖的土 1級之間相互不交疊，但均和零級條紋重合，即處于微離軸狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過希爾伯特相位提取法和相位解包法，從載頻干涉圖中恢復(fù)出攜帶有細(xì)胞樣品折射率空間分布信息的相位投影數(shù)據(jù)。通過電控平移臺的精確控制，可實現(xiàn)細(xì)胞樣品的二維掃描，從而獲得細(xì)胞樣品折射率空間分布的多方向相位投影數(shù)據(jù)，然后引用三維重構(gòu)算法對細(xì)胞樣品折射率的空間分布進(jìn)行三維重構(gòu)，得到折射率的三維分布數(shù)據(jù)。本發(fā)明所采用的希爾伯特相位提取和解包方法可描述為當(dāng)干涉條紋的強度分布為
jJtκf + κf+ψ*+κWl-*qx+ak)i k;u (1)
式中，盡和藎分別代表參考光和物光的分布，φ0Ε!是樣品引起的相位變化，q為條紋
的空間頻率，由參考光和樣品光之間的夾角決定。a =0，^ =^表示加入。μ波片后參
12As 4
考光路的相位變化。設(shè)F" = [J1 -I2+ j ■ HTfJt - I2)] ■ exp(- jqx) /1 - exp(j j)(2) 貝Ij 9QBJ ~ aictaflClltt^/ReF) (3)
其中，HT是希爾伯特變換。干涉圖經(jīng)預(yù)處理之后，通過希爾伯特變換后可得到包裹的相位場分布，即真實的相位值分布經(jīng)過2 π的模運算，因此，還必須要相位解包(Phase Unwrapping)運算，恢復(fù)真實的相位分布。相位解包的基本原則是沿一定的路徑對調(diào)制相位數(shù)據(jù)進(jìn)行“積分”。若路徑
確定，則某一點的相位梯度為->& = βη-θη_ι，其中 為像點序號。如果|Δ糾大于某一閾值，
例如π,則認(rèn)為是相位條紋邊緣，相位值有2π的不連續(xù)。這個相位不連續(xù)可以加以修正，修正的方法是根據(jù)Δ5的正負(fù)相應(yīng)的在相位值上加上或減去2 τ,然后記下當(dāng)前象素點的相位條紋序數(shù)N，重復(fù)此過程，當(dāng)下一點不為相位條紋邊緣時，則象素點的相位條紋序數(shù)仍然為 N，當(dāng)遇到相位條紋邊緣點時，則象素點的相位條紋序數(shù)N相應(yīng)加上或減去1。當(dāng)所有的象素點的相位值都經(jīng)過解調(diào)制計算后，解調(diào)相位可以表示為
θ = θ+ 2πΝ(ΑΛ
un本發(fā)明采用網(wǎng)絡(luò)流法進(jìn)行相位解包，先將相位展開問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)中求解最小范數(shù)的極值問題，可以有效地避免誤差傳遞，而且展開的相位重新纏繞后與原始干涉相位一致性好，可有效地解決生物組織干涉圖的相位展開問題，且相對于局部處理仍然保持了較高的相位展開精度。
權(quán)利要求
1.一種基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，其特征在于包括偏振He-Ne激光器[1]、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡[2]、第一消偏振分光棱鏡[3]、第二消偏振分光棱鏡[7]、共焦顯微物鏡組即前顯微物鏡[4]和后顯微物鏡W]、第一五維調(diào)節(jié)架[15]、第二五維調(diào)節(jié)架[16]、 電控三維平移臺[5]、1/4波片[9]、第一全反鏡[8]、第二全反鏡[10]、偏振分光棱鏡[11]、 第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[12]和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[13]；線偏振 He-Ne激光器[1]之后放置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡[2]進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，其后放置一消偏振分光棱鏡[3] 進(jìn)行偏振分束；消偏振分光棱鏡[3]的第一個輸出面之后放置前顯微物鏡[4]和后顯微物鏡W]，前顯微物鏡[4]和后顯微物鏡W]的共焦點處放置有待測細(xì)胞樣品，待測細(xì)胞樣品放置在電控三維平移臺[5]上，前顯微物鏡[4]放置在第一五維調(diào)節(jié)架[15]上，后顯微物鏡[6]放置在第二五維調(diào)節(jié)架[16]上，后顯微物鏡[6]之后放置消偏振分光棱鏡[7]；消偏振分光棱鏡[3]的第二個輸出面之后放置第一全反鏡[8]將光路轉(zhuǎn)90度，第一全反鏡[8] 之后放置1/4波片[9]進(jìn)行偏振態(tài)變化，1/4波片[9]之后放置第二全反鏡[10]將光路再轉(zhuǎn)90度；第二全反鏡[10]之后放置第二消偏振分光棱鏡[7]對相互正交的入射光進(jìn)行合束，第二消偏振分光棱鏡[7]之后放置偏振分光棱鏡[11]，偏振分光棱鏡[11]的第一輸出面之后放置第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[12]，第二輸出面之后放置第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[13]，第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[12]和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[13]同時分別獲取相移為功2的干涉圖，用以實時提取多方向干涉投影數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，其特征在于 通過1/4波片[9]和偏振分光棱鏡[11]實現(xiàn) τ/2的偏振相移，結(jié)合第一高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[12]和第二高速CMOS數(shù)字圖像采集裝置[13]可同時獲得相移為 τ/2的兩幅干涉圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微離軸顯微干涉投影的折射率層析裝置，本發(fā)明將微離軸干涉、偏振相移、希爾伯特相位提取和圖像高速采集等技術(shù)相結(jié)合，通過將微離軸干涉和偏振相移技術(shù)相結(jié)合，同步獲得兩幅干涉圖，然后提取攜帶有細(xì)胞樣品折射率空間分布信息的相位投影數(shù)據(jù)，可將干涉投影數(shù)據(jù)獲取速度提高3倍以上，在此基礎(chǔ)上，通過電控平移臺的二維掃描，獲得細(xì)胞樣品折射率空間分布的多方向投影數(shù)據(jù)，然后實現(xiàn)折射率空間分布的三維重構(gòu)，具有裝置簡單、速度快、操作簡便和成本低等突出優(yōu)點。
文檔編號G01N21/45GK102539381SQ20101060425
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者李振華, 來建成, 王綬玙, 薛亮 申請人:南京理工大學(xué)