[发明专利]一种空间相移的结构光超分辨成像系统及方法

权利要求书

1.一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，包括计算机以及沿光路方向依次设置的光源、显微物镜(10)、四分之一波片(11)、第三聚光透镜(12)、第二非偏振分光棱镜(13)、第一偏振片(14)、第一图像传感器(15)、第三非偏振分光棱镜(16)、第二偏振片(17)、第二图像传感器(18)、第三偏振片(19)和第三图像传感器(20)；

所述光源配置为产生两束偏振方向相互正交的线偏振光束相干叠加，形成结构光照明待测物体(9)；

光路中各光学元件的中心保持在光轴上，以使光源发出的光束经过待测物体(9)后，再依次通过显微物镜(10)、四分之一波片(11)、第三聚光透镜(12)入射到第二非偏振分光棱镜(13)中，并被分为能量相同的第一光束和第二光束；第一光束透过第二非偏振分光棱镜(13)，经第一偏振片(14)被第一图像传感器(15)接收，第二光束被第二非偏振分光棱镜(13)反射，经第三非偏振分光棱镜(16)分为第三光束和第四光束；第三光束经第二偏振片(17)被第二图像传感器(18)接收，第四光束经第三偏振片(19)被第三图像传感器(20)接收；

所述计算机与第一图像传感器(15)、第二图像传感器(18)、以及第三图像传感器(20)通信连接，并设置为解调出原始的高频信息，重建物光波，获得三幅带有固定相位差的结构光图像。

2.根据权利要求1所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，还包括沿光路方向依次设置的He-Ne激光器(1)、衰减片(2)、扩束镜(3)、第一非偏振分光棱镜(4)、空间光调制器(5)、第一聚光透镜(6)、滤光片(7)和第二聚光透镜(8)；

所述光源采用He-Ne激光器(1)产生，并配置为产生的光束依次经衰减片(2)、扩束镜(3)，透过第一非偏振分光棱镜(4)进入空间光调制器(5)，经由空间光调制器(5)调制，产生多方向入射的光束，经过调制的光束反射回第一非偏振分光棱镜(4)，经第一非偏振分光棱镜(4)反射进入由第一聚光透镜(6)和第二聚光透镜(8)组合成的4f系统，4f系统的傅里叶平面处放置有滤光片(7)，所述滤光片(7)为带有两个正交偏振薄膜的特制滤光片，光束通过4f系统之后留下两束正交偏振光束照明待测物体(9)。

3.根据权利要求1所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述第一图像传感器(15)、第二图像传感器(18)和第三图像传感器(20)均为面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机或线阵黑白相机，其感光器件采用CMOS或CCD。

4.根据权利要求2所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述多方向入射的光束通过空间光调制器(5)、物理光栅或双棱镜方式产生。

5.根据权利要求2所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述空间光调制器(5)内加载有二值光栅，所述光栅周期T＝81μm，所述光栅设置的角度分别为0°、60°和120°，所述光束通过空间光调制器(5)产生-1、0、+1三个衍射级次的光束。

6.根据权利要求1所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述四分之一波片(11)与x轴方向的夹角为45°，所述第一偏振片(14)、第二偏振片(17)和第三偏振片(19)的相对于水平方向的偏转角度设置为不相同。

7.根据权利要求1所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述待测物体(9)的结构光图像通过反射或透射方式形成。

8.根据权利要求1所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述四分之一波片(11)与所述第三聚光透镜(12)的位置可相互调换。

9.根据权利要求2所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，其特征在于，所述He-Ne激光器(1)产生光束的波长为632.8nm，所述扩束镜(3)将光斑直径扩大2～20倍。

10.一种空间相移的结构光超分辨成像方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种空间相移的结构光超分辨成像系统，并包括以下步骤：

步骤一：获取两束携带物光信息O(x,y)的正交偏振光；

步骤二：两束正交偏振光经过四分之一波片，线偏振光变为左旋或右旋圆偏振光；

步骤三：物光和参考光分别通过透振方向与x轴方向夹角不同的第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片，对应的第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器采集三幅结构光照明图；

步骤四：对采集得到的三幅结构光照明图进行结构光解调，通过变换等式得到分离的三部分频谱：IGL(f)、IGN(f)、IGL(f)，将错位的频谱IGL(f)、IGH(f)移回正确位置，并将处于正确位置的三部分信息叠加与融合，以扩展频域信息；

步骤五：在空间光调制器SLM上加载不同方向的衍射光栅，重复步骤一到四，获得所有方向的超分辨率测量结果。