本發(fā)明涉及顯微成像，尤其涉及一種在光柵成像的基礎(chǔ)上利用偏振復(fù)用實(shí)現(xiàn)不同深度物體同時(shí)成像的不等間隔多平面成像裝置，同時(shí)涉及利用該裝置實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的方法。

背景技術(shù)：

自最初顯微鏡的誕生以來(lái)，光學(xué)顯微鏡的發(fā)展已經(jīng)有了四百多年的歷史。顯微鏡技術(shù)的發(fā)展在很大程度上推動(dòng)了生命科學(xué)的進(jìn)程，隨著人類科技的不斷進(jìn)步，光學(xué)顯微鏡的放大率已經(jīng)超過(guò)1000倍。在顯微鏡功能越來(lái)越強(qiáng)大，越來(lái)越人性化的同時(shí)，人們對(duì)它的要求也會(huì)越來(lái)越高。主要在于顯微鏡的景深和分辨率存在矛盾：當(dāng)需要采集三維物體多個(gè)深度處的強(qiáng)度信息時(shí)，由于顯微成像系統(tǒng)的景深有限，尤其是在使用大數(shù)值孔徑的顯微物鏡時(shí)，即使是微小的離焦也會(huì)使得顯微鏡無(wú)法得到清晰的成像。我們不得不在縱向上移動(dòng)待測(cè)樣品和顯微物鏡，在這個(gè)過(guò)程中誤差不能避免，而且由于物距發(fā)生變化，樣品的橫向放大率也會(huì)不同。因此，非機(jī)械移動(dòng)實(shí)現(xiàn)多平面同時(shí)成像成為了現(xiàn)階段顯微成像技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

Blanchard與Greenaway在1999年提出把振幅型扭曲光柵和透鏡組合，成功地將三個(gè)不同深度的物體在光柵不同衍射級(jí)次同時(shí)成像，然而由于振幅型扭曲光柵的衍射效率比較低，通常只有0級(jí)和±1級(jí)被有效利用,所以Blanchard與Greenaway提出可以使用相位型的光柵來(lái)提高衍射效率(衍射級(jí)數(shù)量通常<10)。相位型扭曲光柵技術(shù)在顯微成像領(lǐng)域就得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，比如多平面3D粒子的成像與追蹤、流體速度測(cè)量等，通過(guò)觀察物體在九個(gè)平面上成像的變化來(lái)判斷物體的位置和速度。更值得一提的是，該技術(shù)可以達(dá)到納米級(jí)的軸向分辨率，所以在顯微領(lǐng)域會(huì)有很大的應(yīng)用空間。相對(duì)于掃描成像這些傳統(tǒng)的多平面成像方法來(lái)說(shuō)，該技術(shù)不但避免了成像過(guò)程中機(jī)械移動(dòng)所帶來(lái)的誤差，而且省去了掃描物體和重建圖像的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了多平面的實(shí)時(shí)成像。2013年周常河等在扭曲光柵中引入了達(dá)曼光柵，也使得更多的衍射級(jí)次可以被利用(達(dá)到了7*7)。2016年周常河等又改進(jìn)了達(dá)曼光柵，進(jìn)一步提高了扭曲光柵的衍射效率。達(dá)曼光柵的引入雖然在有效衍射級(jí)的數(shù)量上有了很大的提升，但是，隨著衍射級(jí)的數(shù)量的增加，由于CCD靶面的面積有限，可以獲取到視場(chǎng)就相對(duì)減少，而且只能對(duì)等間距的物體層面進(jìn)行同時(shí)成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種基于偏振復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的裝置；本發(fā)明的第二目的是提供利用該裝置實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于偏振復(fù)用實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的裝置，包括用于分光調(diào)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、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置、光闌、分光裝置、第二分光棱鏡及加載有光柵A和光柵B的空間光調(diào)制器，各元件沿光路方向依次直線布置；其中，分光裝置包括偏振分光棱鏡和第一分光棱鏡，物光光束r通過(guò)分光裝置分成兩束偏振態(tài)相互正交且傳輸方向一致的線偏振光，且在第一分光棱鏡與第二分光棱鏡之間設(shè)有用于調(diào)整入射光偏振角度的半波片；第二部分包括與半波片、光柵B位于同一直線的第三分光棱鏡、第四分光棱鏡、將光柵的衍射光聚焦于第四分光棱鏡的第一反射鏡和第二反射鏡、用于成像的光電耦合器件及位于第四分光棱鏡和光電耦合器件之間的第一透鏡和檢偏器。

進(jìn)一步的，空間光調(diào)制器的靶面一分為二，光柵A和光柵B分別加載于靶面的兩個(gè)部分，且光柵A和光柵B均為相位扭曲型光柵。

優(yōu)選的，擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置包括用于擴(kuò)束的顯微物鏡和用于準(zhǔn)直的第二透鏡。

基于偏振復(fù)用實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的方法，包括如下步驟：

(a)打開光源，將所需光柵加載到空間光調(diào)制器上，調(diào)整光柵A和光柵B的參數(shù)，得到清晰的成像效果；

(b)光源經(jīng)起偏器調(diào)制的線偏振光依次通過(guò)樣品M的各不同層面，產(chǎn)生的物光光束由分光裝置分成兩束偏振態(tài)相互正交且傳播方向一致的線偏正光，再經(jīng)過(guò)第二分光棱鏡分別照射到空間光調(diào)制器上；

(c)光束r2照射到光柵A，產(chǎn)生的衍射光經(jīng)第一反射鏡反射到第四分光棱鏡上；

(d)光束r1照射到光柵B，產(chǎn)生的衍射光經(jīng)第三分光棱鏡和第二反射鏡反射到第四分光棱鏡上；

(e)衍射光a和衍射光b經(jīng)第四分光棱鏡匯合，再經(jīng)由第一透鏡聚焦到光電耦合器件接受成像；其中，通過(guò)調(diào)整第一反射鏡和第二反射鏡微調(diào)衍射級(jí)的位置，使光柵A和光柵B產(chǎn)生的0級(jí)相互重合，其次，通過(guò)調(diào)整檢偏器的角度選取特定的衍射級(jí)，觀察樣品M的不同深度層面。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于偏振復(fù)用利用相位型扭曲光柵將多層圖像在同一平面內(nèi)成像，并使得X和Y方向的衍射級(jí)耦合上相互正交的偏振態(tài)，通過(guò)調(diào)整兩部分光柵的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多平面的不等間隔成像，不再是等間距成像，同時(shí)利用偏振特性可以對(duì)所成的圖像進(jìn)行選擇性的觀察和研究，適用于縱向分布不均勻的物體。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的成像示意圖；

圖3為本發(fā)明的偏振態(tài)正交原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，基于偏振復(fù)用實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的裝置，包括用于分光調(diào)制的第一部分以及將衍射光匯聚成像的第二部分，第一部分包括光源1、起偏器2、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置3、光闌4、由偏振分光棱鏡501和第一分光棱鏡502組成的分光裝置5、第二分光棱鏡6、設(shè)于第一分光棱鏡502與第二分光棱鏡6之間的半波片7及加載有相位扭曲型光柵A和相位扭曲型光柵B的空間光調(diào)制器8，優(yōu)選的，擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置3顯微物鏡301和第二透鏡302組成，其中，顯微物鏡301用于擴(kuò)束，第二透鏡302用于準(zhǔn)直；

光源1、起偏器2、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置3、光闌4、分光裝置5及第二分光棱鏡6沿光路方向依次直線排布，由于空間光調(diào)制器8對(duì)入射光都有偏振角度的要求，要求入射光的偏振方向與空間光調(diào)制器8顯示板的長(zhǎng)邊方向一致，在偏振方向與空間光調(diào)制器8顯示板長(zhǎng)邊方向不一致的光束r2入射到空間光調(diào)制器8前的位置處加設(shè)半波片7，使得該入射光滿足空間光調(diào)制器8的使用要求，又可以得到偏振態(tài)相互正交的出射光。

第二部分的作用為，將第一部分中兩束光束產(chǎn)生的衍射光聚焦成像，具體包括與半波片7、光柵B位于同一直線的第三分光棱鏡10、第四分光棱鏡12、將光柵的衍射光聚焦于第四分光棱鏡12的第一反射鏡9和第二反射鏡11、用于成像的光電耦合器件15及位于第四分光棱鏡12和光電耦合器件15之間的第一透鏡13和檢偏器14。

利用本裝置實(shí)現(xiàn)不等間隔多平面成像的方法為：

(a)首先在電腦上模擬出所需光柵圖樣，打開光源1，把光柵加載到空間光調(diào)制器8的靶面上，其中，空間光調(diào)制器8的靶面一分為二，分別加載了兩個(gè)不同的相位扭曲型光柵A和相位扭曲型光柵B；其中，兩部分光柵的方向相差90度，即把其中一個(gè)光柵旋轉(zhuǎn)90度就得到第二個(gè)光柵，理論上在空間光調(diào)制器8上加載更多的光柵可以得到更多的信息，但是受到空間光調(diào)制器8和光電耦合器件15的靶面尺寸的限制，所以加載光柵的數(shù)量受到限制，優(yōu)選的，將光柵分成兩部分；調(diào)整相位扭曲型光柵A和相位扭曲型光柵B的參數(shù)，得到清晰的成像效果；

(b)光源1發(fā)出的單色激光經(jīng)起偏器2得到的線偏正光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置3中的顯微物鏡301和第二透鏡302，又經(jīng)光闌4透過(guò)樣品M，形成物光光束r，物光光束r首先經(jīng)過(guò)分光裝置5中的偏振分光棱鏡501分成偏振態(tài)相互正交的光束r1和光束r2，且光束r1與原物光光束r的傳播方向一致，光束r2的傳播方向與光束r1呈90°，第一分光棱鏡502又將光束r2的傳播方向改變90°，使光束r2與光束r1成為偏振態(tài)相互正交且傳輸方向一致的線偏振光，再經(jīng)半波片7和第二分光棱鏡6分別照射在空間光調(diào)制器8中的光柵A和光柵B上；

(c)光柵A產(chǎn)生的衍射光a經(jīng)第一反射鏡9反射到第四分光棱鏡12上，光柵B產(chǎn)生的衍射光b經(jīng)由第三分光棱鏡10和第二反射鏡11反射到第四分光棱鏡12上，反射到第四分光棱鏡12上的兩束光由第一透鏡13聚焦到光電耦合器件15上接收成像，通過(guò)調(diào)整第一反射鏡9和第二反射鏡11來(lái)微調(diào)兩束光產(chǎn)生的衍射級(jí)的位置，使得光柵A和光柵B產(chǎn)生的0級(jí)能夠相互重合，充分利用光電耦合器件15的靶面的有效區(qū)域來(lái)接收成像信息；

如圖2所示，樣品M為具有八個(gè)不同層面的物體，物光光束r經(jīng)分光裝置5后，形成偏振態(tài)不同的光束r1和光束r2，兩束光為偏振態(tài)相互正交且傳輸方向一致的線偏振光，經(jīng)過(guò)不同距離衍射到空間光調(diào)制器8表面，其中，光束r2照射到光柵A，光束r1照射到光柵B，設(shè)衍射距離分別是A、B、C、D、E、F、G、H，且A＞B＞C＞D＞E＞F＞G＞H；再經(jīng)裝置第二部分的各元件匯合成像于光電耦合器件15上，大的字母表示成像清晰，小的字母表示成像模糊。

如圖3所示，1、2、3、4、5、6、7、8代表樣品M的八個(gè)不同的物體層面，各物體層面到光柵的距離各不相同。標(biāo)號(hào)為單數(shù)的物體層面經(jīng)光柵A成像，且所成偏振方向?yàn)樗剑鐖D中水平雙箭頭所示；標(biāo)號(hào)為雙數(shù)的物體層面經(jīng)光柵B成像，且所成像偏振方向?yàn)榇怪?，如圖中垂直雙箭頭所示；其中1和2的距離為d1，2和3的距離為d2，d1和d2可以通過(guò)調(diào)整光柵的參數(shù)來(lái)改變。與僅由相位扭曲型光柵實(shí)現(xiàn)多平面成像的技術(shù)相比，本發(fā)明首先利用光柵的特性使得八個(gè)物體層面在同一平面成像，通過(guò)調(diào)整光柵A和光柵B的離焦參量實(shí)現(xiàn)不等間隔成像，在物體比較大的時(shí)候，各衍射級(jí)的成像分別對(duì)應(yīng)不同深度的物體，此時(shí)只需要調(diào)整光電耦合器件15前的檢偏器就可以得到不同深度層面物體的信息，適用于運(yùn)動(dòng)物體、活性物體組織的成像。