[发明专利]基于偏振编码的相衬显微系统及其成像方法

说明书

本发明提供了一种基于偏振编码的相衬显微系统及其成像方法，该系统包括光源、载物台、物镜和CCD图像传感器；在所述光源与载物台之间依次设有第一透镜和第一偏振片，在所述物镜与CCD图像传感器之间依次设有第二偏振片、四分之一波片、第二透镜和第三偏振片；所述第二偏振片位于物镜和四分之一波片之间的傅里叶变换平面处，且其中心位置为竖直方向偏振，第二偏振片的外周位置为水平方向偏振。本发明通过调节入射光处的第一偏振片，可以灵活调控参考光和信号光的光强，从而获得最佳对比度的显微图像。还可通过改变入射光偏振，获得样品的暗场显微图像。

技术领域

本发明涉及相衬显微技术领域，具体地说是涉及一种基于偏振编码的相衬显微系统及其成像方法。

背景技术

显微技术作为连接微观与宏观世界的桥梁，已经被广泛应用在医学、生物、化工等领域。根据实际需求的不同，各式各样的显微手段也已经被研发出来。其中，大多显微技术是对透过物体后的光强信息进行成像。但是，在实际应用中，有很多目标物体是无色透明的(例如大多数生物细胞)，这使得仅依靠强度信息的显微技术难以获得高对比度的图像。

荷兰科学家泽尼克巧妙地提出了相衬显微技术，并因此获得了1953年的诺贝尔物理学奖。相衬显微技术是一种基于光学干涉手段的显微成像技术，其主要的工作原理是：光线在穿过透明物体时，由于介质厚度、折射率的变化会导致光线相位的改变，相位的变化通常也会携带相当多的信息。然而，这个相位变化通过普通显微技术进行测量的时候这部分信息就全部丢弃了。相衬显微技术则可以将穿过物体的光线与参考光源相结合，利用干涉原理把产生的相位差转换为图像中的强度的变化，这样就可以利用光线通过物体的相位差来获得高对比度的图像。相衬显微技术观察物体时不需要进行染色，在观察细胞的时候也就不会对细胞标本产生伤害，进而保证了生物细胞的正常活动和生长，因此这种显微技术通常被用来研究细胞结构。

目前，现有的相衬显微技术存在以下不足：

1、相衬显微技术的参考光和信号光的光强无法做到灵活调控，导致观测图像无法保证是否达到最佳的对比度。

2、相衬显微技术是通过插入±π/2的相移元件来实现调控参考光相位，由于相移元件需要精确控制光的相位延迟量，因此加工复杂且昂贵。而且对于一个相移元件只能调控单一的相位延迟，无法实现灵活调控相位。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振编码的相衬显微系统及其成像方法，以提供一种无需复杂的相移元件，仅通过调节偏振元件，实现灵活的参考光相位移动，并获得高对比度的相衬显微图像的方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于偏振编码的相衬显微系统，包括光源、载物台、物镜和CCD图像传感器；在所述光源与载物台之间依次设有第一透镜和第一偏振片，在所述物镜与CCD图像传感器之间依次设有第二偏振片、四分之一波片、第二透镜和第三偏振片；

第一透镜用于将光源发射的入射光形成光强均匀分布的平行光束；所述第一偏振片和第三偏振片均为线偏振片，所述第二偏振片位于物镜和四分之一波片之间的傅里叶变换平面处，所述第二偏振片的中心位置为竖直方向偏振，第二偏振片的外周位置为水平方向偏振，所述第二偏振片用于将焦点处的低频信号和焦点外的高频信号进行偏振调控，使信号具有正交偏振，再利用四分之一波片实现将相位信息编码到偏振态，最后通过第二透镜和第三偏振片后用CCD图像传感器进行记录。

所述光源为单色LED灯光源或者将宽光谱光源利用滤光片得到的光谱宽度为50nm的光源。

一种基于偏振编码的相衬显微成像方法，包括以下步骤：

(a)设置上述的系统；

(b)光源发射的入射光经过第一透镜后形成光强均匀分布的平行光束，之后通过第一偏振片，设第一偏振片的偏转角为θ，角度为θ的线偏振光通过载物台上的样品后，忽略样品对偏振态的影响，可以表示为：