显微螺旋相衬成像方法及系统

本发明涉及一种显微螺旋相衬成像方法及系统，属于相衬成像领域。

背景技术：

1、在光学显微领域，为了实现对透明样品非染色原位成像，通常使用相差显微技术、微分干涉相差显微技术、螺旋相衬成像技术等。对上述技术具体说明如下：

2、1)相差显微镜是利用环形照明光源与物镜后焦面的环形相差环，来实现参考光与物体散射光的相位强度重新分布，获得物体散射边界强度增强的现为效果，达到观察透明样品的边缘的目的。

3、2)微分干涉相差显微镜，是利用一对渥拉斯顿棱镜，将入射偏振光源分离成辐照在样品微小剪切位移位置的两个正交偏振分量，而后再重组使之重合后相干成像，实现探测样品相位变化的功能。

4、3)为实现与1)中的相差显微镜利用空间滤波技术实现边界增强功能外，同时实现2)中的微分干涉相差显微镜实现浮雕像的效果，frey a.davis等人于2000年在imageprocessing with the radial hilbert transform:theory and experiments中提出了一种基于4f系统的螺旋相衬成像系统。该系统是利用一对共焦的透镜，在成像光路的共焦傅里叶面使用带有螺旋相位的空间光调制器进行滤波，从而最终在输出面实现边界凸显或者浮雕像的效果。但是若需要在显微系统中实现该功能需要在成像过程中加入额外的透镜进行傅里叶变换，会导致成像分辨率下降的问题，以及对现有显微镜结构进行改造等不便。

5、上述问题是在实现螺旋相衬成像过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新型的显微螺旋相衬成像方法及系统避免了通常情况下引入额外的傅里叶透镜带来的分辨率下降问题，且无需对显微镜进行改造。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种显微螺旋相衬成像方法，用于在显微镜成像面实现边界增强或浮雕像效果，来观测低衬度差样品的形貌相位差异，包括以下步骤，

4、s1、构建螺旋相差物镜，螺旋相差物镜包括依次设置的共轭成像透镜组和螺旋相位片，共轭成像透镜组为任意满足共轭成像规律的成像透镜组；

5、s2、由步骤s1得到的螺旋相差物镜，布置显微螺旋相衬成像系统，显微螺旋相衬成像系统包括依次设置的光源、聚光镜、螺旋相差物镜、目镜和拍照记录系统；

6、s3、调整螺旋相差物镜中的螺旋相位片位置，使螺旋相位片所在平面为系统光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面，获得调整后的显微螺旋相衬成像系统；

7、s4、将透明样品置于聚光镜与螺旋相差物镜之间，调节聚光镜，当光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点在共轭面的成像与螺旋相位片中心重合时，在螺旋相差物镜的成像面获得边界增强效果的实像；当光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点在共轭面的成像偏离螺旋相位片中心，且螺旋相位片中心仍落在会聚点在共轭面成像的内部时，在螺旋相差物镜的成像面获得浮雕效果的实像；

8、s5、步骤s4获得的实像再经过目镜第二次放大，即可在观测面获得两次放大后的具有边界增强或浮雕效果的虚像。

9、进一步地，步骤s1中，螺旋相位片的透射系数其中，circ表示孔径函数，exp表示以e为底的指数函数，r为径向坐标，θ为角向坐标，l为任意整数，r为螺旋相位片半径。

10、进一步地，步骤s3中，使螺旋相位片所在平面为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面，具体为，光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面和共轭成像透镜组的物方主平面的距离分别为δ和r，像方主平面距离螺旋相位片和螺旋相位片与成像面的距离分别为d1和d2，其中，r、d1满足：其中，f为像方焦距。

11、进一步地，步骤s3中，调整后的显微螺旋相衬成像系统中，物平面与成像面的距离关系满足：其中，δ和r分别为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面和共轭成像透镜组的物方主平面的距离，d1和d2分别为共轭成像透镜组的像方主平面距离螺旋相位片和螺旋相位片与成像面的距离，f为像方焦距。

12、进一步地，步骤s4中，调节聚光镜后，物平面的光场分布、螺旋相位片所在平面的光场分布与成像面的光场分布分别为：

13、物平面的光场分布为：

14、

15、其中，x0，y0为物平面坐标，i为虚数单位，k为波数，a(x0，y0)为物体透射函数，δ为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面的距离；

16、距离像方主平面d1处，即螺旋相位片所在平面的光场分布为：

17、

18、其中，x1，y1为螺旋相位片所在平面的空间坐标，α为不影响光场分布的常数，exp表示以e为底的指数函数，x0，y0为物平面坐标，i为虚数单位，k为波数，a(x0，y0)为物体透射函数，δ为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面的距离，r为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与共轭成像透镜组的物方主平面的距离，f表示傅里叶变换，u，v表示傅里叶变换的频谱坐标，λ为波长；

19、再经过距离d2的衍射消除二次相位因子后最终在成像面的光场分布e2(x2，y2)为：

20、e2(x2，y2)＝β·p(x2，y2)f{h(r，θ)

21、

22、其中，x2，y2为成像面空间坐标，β为不影响成像面光场分布的常数，x0，y0为物平面坐标，f表示傅里叶变换，u，v表示傅里叶变换的频谱坐标，d1和d2分别为共轭成像透镜组的像方主平面距离螺旋相位片和螺旋相位片与成像面的距离，λ为波长，u′，v′为傅里叶变换的频谱坐标，p(x2，y2)为不影响光场强度分布的二次相位因子，i为虚数单位，k为波数，h(r，θ)为螺旋相位片的透射函数，r为径向坐标，θ为角向坐标。

23、一种实现上述任一项所述的显微螺旋相衬成像方法的显微螺旋相衬成像系统，包括依次设置的光源、聚光镜、螺旋相差物镜、目镜和拍照记录系统，螺旋相差物镜包括共轭成像透镜组和螺旋相位片，共轭成像透镜组可以为任意满足共轭成像规律的成像透镜组，螺旋相位片所在平面为系统光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面。

24、进一步地，聚光镜与螺旋相差物镜间设有滤色片。

25、本发明的有益效果是：该种显微螺旋相衬成像方法及系统，通过将螺旋型相位片加装于系统光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点的共轭面，即可在不引入额外的进行傅里叶变换的透镜以及避免对显微镜进行结构改造的前提下在正常显微镜系统的拍照或记录系统中，获得类似径向剪切干涉对比成像(微分干涉)的浮雕效果或相衬成像中的边界增强的显微图像，可用于观测低衬度差样品的形貌相位差异，避免了引入额外透镜带来的分辨率下降以及需要对显微镜进行结构改造的问题。

技术特征：

1.一种显微螺旋相衬成像方法，用于在显微镜成像面实现边界增强或浮雕像效果，来观测低衬度差样品的形貌相位差异，其特征在于：包括以下步骤，

2.如权利要求1所述的螺旋相衬成像方法，其特征在于：步骤s1中，螺旋相位片的透射系数其中，circ表示孔径函数，exp表示以e为底的指数函数，r为径向坐标，θ为角向坐标，l为任意整数，r为螺旋相位片半径。

3.如权利要求1所述的螺旋相衬成像方法，其特征在于：步骤s3中，使螺旋相位片所在平面为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面，具体为，光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面和共轭成像透镜组的物方主平面的距离分别为δ和r，共轭成像透镜组的像方主平面距离螺旋相位片和螺旋相位片与成像面的距离分别为d1和d2，其中，r、d1满足：其中，f为像方焦距。

4.如权利要求1所述的显微螺旋相衬成像方法，其特征在于：步骤s3中，调整后的显微螺旋相衬成像系统中，物平面与成像面的距离关系满足：其中，δ和r分别为光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面与物平面和共轭成像透镜组的物方主平面的距离，d1和d2分别为共轭成像透镜组的像方主平面距离螺旋相位片和螺旋相位片与成像面的距离，f为像方焦距。

5.如权利要求1-4任一项所述的显微螺旋相衬成像方法，其特征在于：步骤s4中，调节聚光镜后，物平面的光场分布、螺旋相位片所在平面的光场分布与成像面的光场分布分别为：

6.一种实现权利要求1-5任一项所述的显微螺旋相衬成像方法的显微螺旋相衬成像系统，其特征在于：包括依次设置的光源、聚光镜、螺旋相差物镜、目镜和拍照记录系统，螺旋相差物镜包括共轭成像透镜组和螺旋相位片，螺旋相位片所在平面为系统光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面。

7.如权利要求6所述的显微螺旋相衬成像系统，其特征在于：聚光镜与螺旋相差物镜间设有滤色片。

技术总结
本发明提供一种显微螺旋相衬成像方法及系统，该方法通过构建螺旋相差物镜，包括依次设置的共轭成像透镜组和螺旋相位片；布置显微螺旋相衬成像系统；调节螺旋相差物镜，使螺旋相位片所在平面为背景光经过聚光镜后的会聚点所在平面的共轭面；将透明样品置于聚光镜与螺旋相差物镜间，调节聚光镜，使光源发出的背景光经过聚光镜后的会聚中心在共轭面的成像与螺旋相位片中心重合，物镜成像面获得具有螺旋相衬效果的实像，再经过目镜第二次放大即可在显微镜成像面观察到边界增强或者浮雕效果的虚像；本发明能够在不引入额外的进行傅里叶变换的透镜前提下，获得浮雕效果或相衬成像中的边界增强的像，可用于观测低衬度差样品的形貌相位差异。

技术研发人员：洪煦昊,孙旭辉,吴浩,秦亦强,张超,姚依正,吴淦,陈欢,王童,马艺冰
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11