基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置及方法与流程

本发明涉及显微成像，尤其涉及一种在光栅成像的基础上利用偏振复用实现不同深度物体同时成像的不等间隔多平面成像装置，同时涉及利用该装置实现不等间隔多平面成像的方法。

背景技术：

自最初显微镜的诞生以来，光学显微镜的发展已经有了四百多年的历史。显微镜技术的发展在很大程度上推动了生命科学的进程，随着人类科技的不断进步，光学显微镜的放大率已经超过1000倍。在显微镜功能越来越强大，越来越人性化的同时，人们对它的要求也会越来越高。主要在于显微镜的景深和分辨率存在矛盾：当需要采集三维物体多个深度处的强度信息时，由于显微成像系统的景深有限，尤其是在使用大数值孔径的显微物镜时，即使是微小的离焦也会使得显微镜无法得到清晰的成像。我们不得不在纵向上移动待测样品和显微物镜，在这个过程中误差不能避免，而且由于物距发生变化，样品的横向放大率也会不同。因此，非机械移动实现多平面同时成像成为了现阶段显微成像技术的一个热点问题。

Blanchard与Greenaway在1999年提出把振幅型扭曲光栅和透镜组合，成功地将三个不同深度的物体在光栅不同衍射级次同时成像，然而由于振幅型扭曲光栅的衍射效率比较低，通常只有0级和±1级被有效利用,所以Blanchard与Greenaway提出可以使用相位型的光栅来提高衍射效率(衍射级数量通常<10)。相位型扭曲光栅技术在显微成像领域就得到了越来越广泛的应用，比如多平面3D粒子的成像与追踪、流体速度测量等，通过观察物体在九个平面上成像的变化来判断物体的位置和速度。更值得一提的是，该技术可以达到纳米级的轴向分辨率，所以在显微领域会有很大的应用空间。相对于扫描成像这些传统的多平面成像方法来说，该技术不但避免了成像过程中机械移动所带来的误差，而且省去了扫描物体和重建图像的时间，实现了多平面的实时成像。2013年周常河等在扭曲光栅中引入了达曼光栅，也使得更多的衍射级次可以被利用(达到了7*7)。2016年周常河等又改进了达曼光栅，进一步提高了扭曲光栅的衍射效率。达曼光栅的引入虽然在有效衍射级的数量上有了很大的提升，但是，随着衍射级的数量的增加，由于CCD靶面的面积有限，可以获取到视场就相对减少，而且只能对等间距的物体层面进行同时成像。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的在于针对现有技术存在的缺陷提出一种基于偏振复用技术实现不等间隔多平面成像的装置；本发明的第二目的是提供利用该装置实现不等间隔多平面成像的方法。

技术方案：本发明采用如下技术方案实现：一种基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置，包括用于分光调制的第一部分和用于聚焦成像的第二部分，第一部分包括光源、起偏器、扩束准直装置、光阑、分光装置、第二分光棱镜及加载有光栅A和光栅B的空间光调制器，各元件沿光路方向依次直线布置；其中，分光装置包括偏振分光棱镜和第一分光棱镜，物光光束r通过分光装置分成两束偏振态相互正交且传输方向一致的线偏振光，且在第一分光棱镜与第二分光棱镜之间设有用于调整入射光偏振角度的半波片；第二部分包括与半波片、光栅B位于同一直线的第三分光棱镜、第四分光棱镜、将光栅的衍射光聚焦于第四分光棱镜的第一反射镜和第二反射镜、用于成像的光电耦合器件及位于第四分光棱镜和光电耦合器件之间的第一透镜和检偏器。

进一步的，空间光调制器的靶面一分为二，光栅A和光栅B分别加载于靶面的两个部分，且光栅A和光栅B均为相位扭曲型光栅。

优选的，扩束准直装置包括用于扩束的显微物镜和用于准直的第二透镜。

基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的方法，包括如下步骤：

(a)打开光源，将所需光栅加载到空间光调制器上，调整光栅A和光栅B的参数，得到清晰的成像效果；

(b)光源经起偏器调制的线偏振光依次通过样品M的各不同层面，产生的物光光束由分光装置分成两束偏振态相互正交且传播方向一致的线偏正光，再经过第二分光棱镜分别照射到空间光调制器上；

(c)光束r2照射到光栅A，产生的衍射光经第一反射镜反射到第四分光棱镜上；

(d)光束r1照射到光栅B，产生的衍射光经第三分光棱镜和第二反射镜反射到第四分光棱镜上；

(e)衍射光a和衍射光b经第四分光棱镜汇合，再经由第一透镜聚焦到光电耦合器件接受成像；其中，通过调整第一反射镜和第二反射镜微调衍射级的位置，使光栅A和光栅B产生的0级相互重合，其次，通过调整检偏器的角度选取特定的衍射级，观察样品M的不同深度层面。

有益效果：与现有技术相比，本发明基于偏振复用利用相位型扭曲光栅将多层图像在同一平面内成像，并使得X和Y方向的衍射级耦合上相互正交的偏振态，通过调整两部分光栅的参数，实现多平面的不等间隔成像，不再是等间距成像，同时利用偏振特性可以对所成的图像进行选择性的观察和研究，适用于纵向分布不均匀的物体。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明实施例的成像示意图；

图3为本发明的偏振态正交原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置，包括用于分光调制的第一部分以及将衍射光汇聚成像的第二部分，第一部分包括光源1、起偏器2、扩束准直装置3、光阑4、由偏振分光棱镜501和第一分光棱镜502组成的分光装置5、第二分光棱镜6、设于第一分光棱镜502与第二分光棱镜6之间的半波片7及加载有相位扭曲型光栅A和相位扭曲型光栅B的空间光调制器8，优选的，扩束准直装置3显微物镜301和第二透镜302组成，其中，显微物镜301用于扩束，第二透镜302用于准直；

光源1、起偏器2、扩束准直装置3、光阑4、分光装置5及第二分光棱镜6沿光路方向依次直线排布，由于空间光调制器8对入射光都有偏振角度的要求，要求入射光的偏振方向与空间光调制器8显示板的长边方向一致，在偏振方向与空间光调制器8显示板长边方向不一致的光束r2入射到空间光调制器8前的位置处加设半波片7，使得该入射光满足空间光调制器8的使用要求，又可以得到偏振态相互正交的出射光。

第二部分的作用为，将第一部分中两束光束产生的衍射光聚焦成像，具体包括与半波片7、光栅B位于同一直线的第三分光棱镜10、第四分光棱镜12、将光栅的衍射光聚焦于第四分光棱镜12的第一反射镜9和第二反射镜11、用于成像的光电耦合器件15及位于第四分光棱镜12和光电耦合器件15之间的第一透镜13和检偏器14。

利用本装置实现不等间隔多平面成像的方法为：

(a)首先在电脑上模拟出所需光栅图样，打开光源1，把光栅加载到空间光调制器8的靶面上，其中，空间光调制器8的靶面一分为二，分别加载了两个不同的相位扭曲型光栅A和相位扭曲型光栅B；其中，两部分光栅的方向相差90度，即把其中一个光栅旋转90度就得到第二个光栅，理论上在空间光调制器8上加载更多的光栅可以得到更多的信息，但是受到空间光调制器8和光电耦合器件15的靶面尺寸的限制，所以加载光栅的数量受到限制，优选的，将光栅分成两部分；调整相位扭曲型光栅A和相位扭曲型光栅B的参数，得到清晰的成像效果；

(b)光源1发出的单色激光经起偏器2得到的线偏正光依次经过扩束准直装置3中的显微物镜301和第二透镜302，又经光阑4透过样品M，形成物光光束r，物光光束r首先经过分光装置5中的偏振分光棱镜501分成偏振态相互正交的光束r1和光束r2，且光束r1与原物光光束r的传播方向一致，光束r2的传播方向与光束r1呈90°，第一分光棱镜502又将光束r2的传播方向改变90°，使光束r2与光束r1成为偏振态相互正交且传输方向一致的线偏振光，再经半波片7和第二分光棱镜6分别照射在空间光调制器8中的光栅A和光栅B上；

(c)光栅A产生的衍射光a经第一反射镜9反射到第四分光棱镜12上，光栅B产生的衍射光b经由第三分光棱镜10和第二反射镜11反射到第四分光棱镜12上，反射到第四分光棱镜12上的两束光由第一透镜13聚焦到光电耦合器件15上接收成像，通过调整第一反射镜9和第二反射镜11来微调两束光产生的衍射级的位置，使得光栅A和光栅B产生的0级能够相互重合，充分利用光电耦合器件15的靶面的有效区域来接收成像信息；

如图2所示，样品M为具有八个不同层面的物体，物光光束r经分光装置5后，形成偏振态不同的光束r1和光束r2，两束光为偏振态相互正交且传输方向一致的线偏振光，经过不同距离衍射到空间光调制器8表面，其中，光束r2照射到光栅A，光束r1照射到光栅B，设衍射距离分别是A、B、C、D、E、F、G、H，且A＞B＞C＞D＞E＞F＞G＞H；再经装置第二部分的各元件汇合成像于光电耦合器件15上，大的字母表示成像清晰，小的字母表示成像模糊。

如图3所示，1、2、3、4、5、6、7、8代表样品M的八个不同的物体层面，各物体层面到光栅的距离各不相同。标号为单数的物体层面经光栅A成像，且所成偏振方向为水平，如图中水平双箭头所示；标号为双数的物体层面经光栅B成像，且所成像偏振方向为垂直，如图中垂直双箭头所示；其中1和2的距离为d1，2和3的距离为d2，d1和d2可以通过调整光栅的参数来改变。与仅由相位扭曲型光栅实现多平面成像的技术相比，本发明首先利用光栅的特性使得八个物体层面在同一平面成像，通过调整光栅A和光栅B的离焦参量实现不等间隔成像，在物体比较大的时候，各衍射级的成像分别对应不同深度的物体，此时只需要调整光电耦合器件15前的检偏器就可以得到不同深度层面物体的信息，适用于运动物体、活性物体组织的成像。