[发明专利]基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置及方法

说明书

本发明公开了基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置及方法，涉及微尺度透明体测试技术领域。本发明提供一种通过冗余光路以获取四种不同离焦程度下的相位体图像并根据这些图像计算SPEC参数以确定相位体相对于成像系统物镜在光轴方向上的位置的方法，实现透明相位体三维空间位置的实时测量。本发明通过在光路中增加冗余光路，无需采用光路的机械运动来实现光路的调节，提升系统的稳定性。采用直接计算方式，不需要迭代优化过程，计算过程简单。冗余光路同时工作可实现实时图像获取与处理，可用于相位体运动分析中。

技术领域

本发明涉及微尺度透明体测试技术领域，特指一种通过冗余光路测量处理的四幅相位图片以实现透明体离焦距离获取的测量系统及方法，其适用于所测量的微尺度透明体相对于背景介质具有不同折射率的透明体在光轴方向的位置的测量。

背景技术

物体的三维位置信息是确定物体运动变化规律的基础数据，在生物学、物理学、化学、机械工程及信息等领域扮演着重要的角色，其中的微尺度透明体(以细胞为代表)三维位置的测量是生物学研究的基础。

目前，为了实现微尺度透明体测量，学术界一般采用荧光靶定探测和相位显微成像方法。对于通常的测试对象——细胞而言，荧光靶定探测需要荧光粉与细胞作用，这可能影响细胞的生命过程，最终导致测量结果与真实的细胞运动变化过程之间的误差。相位显微成像方法能实现细胞厚度分布数据的获取且对相位体特性影响较小，近年来得到广泛重视，但在相位体光轴位置数据获取方面，传统的相位显微成像方法操作较复杂，需要对成像系统进行机械调整或通过数值计算实现数值聚焦(P.Langehanenberg,B.Kemper,D.Dirksen,and G.von Bally.Autofocusing in digital holographic phase contrastmicroscopy on pure phase objects for live cell imaging.Applied Optics,2008,47:D176-D182)。采用机械调整以获取相位体位置的方式容易影响成像系统的稳定性；而通过数值计算的方式需要一个复杂的尝试优化过程。在相位体位置确定的过程中，一个关键是采用合理的衡量相位体离焦程度的参数。目前已有的衡量离焦程度的参数与成像系统参数、成像背景以及成像物的关系复杂，难以建立离焦程度参数与离焦距离之间的确定关系，所以难以通过这些参数的绝对量来衡量成像物的离焦程度，需要首先建立离焦程度参数与离焦距离之间的关系曲线，再将测量计算结果与关系曲线进行比较以确定成像物的离焦程度(在光轴方向上的位置)。已有的研究结果(P.Langehanenberg,B.Kemper,D.Dirksen,andG.von Bally.Autofocusing in digital holographic phase contrast microscopy onpure phase objects for live cell imaging.Applied Optics,2008,47:D176-D182)表明，权重谱分析参数(Weighted spectral analysis，SPEC)具有较理想的性能(稳定性好、可运行范围宽、对比度大、适应范围广)，最适合作为相位体的离焦程度衡量参数。通过文献的数据还可以看出，SPEC参数具有较好的对称性，且其随离焦程度的变化在小范围内可近似为线性。利用SPEC参数的这些特征可根据实验数据快速确定成像系统的物平面以及成像相位体的离焦程度。

为此，本发明拟通过冗余光路以获取四种不同离焦程度下的相位体图像并根据这些图像计算SPEC参数以确定相位体相对于成像系统物镜在光轴方向上的位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过冗余光路以获取四种不同离焦程度下的相位体图像并根据这些图像计算SPEC参数以确定相位体相对于成像系统物镜在光轴方向上的位置的方法，实现透明相位体三维空间位置的实时测量。

本发明按下述技术方案实现：