阅读说明：本技术 一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统 (Differential interference imaging system capable of quickly changing shearing direction and size ) 是由 吕晓旭 周成鑫 钟丽云 宁钦文 刘胜德 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统,包括：光源、滤光片、起偏器、样品台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、剪切组件、检偏器、图像传感器。光源发出的线偏振光经过滤光片调整光强和起偏器调整偏振方向后,再经过置于样品台上的透明样品后被无限远成像显微物镜收集并通过镜筒透镜成像,成像光束被剪切组件分为两束偏振方向相互垂直、具有微小剪切量的线偏振光场,再由检偏器合成后成为干涉光场,最终在图像传感器中形成微分干涉图像。本发明提供的微分干涉成像系统可以灵活地装配到常规光学显微镜上,结构简单,易于实现,能够通过对非染色样品进行高质量的定量相位测量来研究样品的形态与结构。(The invention relates to a differential interference imaging system capable of rapidly changing shearing direction and size, comprising: the device comprises a light source, an optical filter, a polarizer, a sample stage, an infinite imaging microscope objective, a tube lens, a shearing assembly, an analyzer and an image sensor. Linearly polarized light emitted by a light source passes through a light filter to adjust light intensity and a polarizer to adjust polarization direction, then passes through a transparent sample arranged on a sample stage, is collected by an infinite imaging microscope objective and is imaged through a tube lens, an imaging light beam is divided into two linearly polarized light fields with mutually vertical polarization directions and small shearing amount by a shearing assembly, the two linearly polarized light fields are synthesized by an analyzer to form an interference light field, and finally a differential interference image is formed in an image sensor. The differential interference imaging system provided by the invention can be flexibly assembled on a conventional optical microscope, has a simple structure, is easy to realize, and can be used for researching the form and structure of a sample by carrying out high-quality quantitative phase measurement on a non-dyed sample.)

一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统。

背景技术

微分干涉成像系统广泛应用于透明样品的检测与成像。如微分干涉相衬显微镜，它主要是将干涉成像光束在横向剪切开一定距离，将两束光在样品不同特征区域的光程差异转化为强度变化，产生一个视觉伪3D(浮雕)效果，从而能够很明显的观察到透明样品的细节信息。相对于其它类型的显微技术，具有突出的相衬度，高空间分辨率和光学切片能力，且无需进行荧光标记和染色等优点，从而可以实现对样品的原位观察和测量。

传统的微分干涉成像系统，通常采用Nomarski棱镜实现物方光束沿横向的剪切，该方法存在一些明显的缺点：一是需要采用特殊的棱镜，棱镜的加工和调试相当复杂；二是使用微分干涉成像系统观察样本时，由于样本性质不同，以及更换不同放大倍率物镜后，需要改变剪切量来达到更好的观察效果，传统的办法是更换不同的Normarski棱镜，这增加了操作的复杂性；三是剪切棱镜的剪切方向不易调整，使得使用受到极大限制；四是不能实现样品的定量测量，难以满足数据分析的需要。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于液晶可变延迟器剪切的微分干涉成像技术。该方法利用液晶的电控双折射效应实现共光路中的微分剪切干涉，通过液晶可变延迟器与波片的组合，能够快速而且准确地改变剪切方向以及任意剪切量的大小，避免了繁琐的机械移动，且易于实现。

一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统，包括：光源、滤光片、起偏器、样品台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、剪切组件、检偏器、图像传感器，光源发出的线偏振光经过滤光片调整光强和起偏器调整偏振方向后，再经过置于样品台上的透明样品后被无限远成像显微物镜收集并通过镜筒透镜成像，成像光束被剪切组件分为两束偏振方向相互垂直、具有微小剪切量的线偏振光场，再由检偏器合成后成为干涉光场，最终在图像传感器中形成微分干涉图像。

优选的，所述剪切组件由第一液晶可变延迟器、第一二分之一波片、第二液晶可变延迟器、第三液晶可变延迟器、第二二分之一波片、第四液晶可变延迟器组成，通过调整第一液晶可变延迟器、第二液晶可变延迟器、第三液晶可变延迟器和第四液晶可变延迟器的控制电压，从而能够快速且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

优选的，建立空间直角坐标系，以所述微分干涉成像系统的光路的主光轴为z轴，以所述光源发出的线偏振光的偏振方向为x轴，则所述起偏器慢轴方向在xy平面内且与x轴的夹角为45°，所述第一液晶可变延迟器的慢轴方向为x轴方向，所述第一二分之一波片的慢轴方向在xy平面内且与x轴夹角为45°，所述第二液晶可变延迟器的慢轴方向为x轴方向，且与第一液晶可变延迟器呈轴对称放置，所述第三液晶可变延迟器的慢轴方向为y轴方向，所述第二二分之一波片的慢轴方向在xy平面内且与x轴夹角为45°，所述第四液晶可变延迟器的慢轴方向为y轴方向，且与第三液晶可变延迟器呈轴对称放置，所述检偏器的慢轴与x轴的夹角为45°，所述图像传感器放置在镜筒透镜的等效空气焦距处。

优选的，所述剪切组件由第一凸透镜、第一液晶可变延迟器、第二液晶可变延迟器、二分之一波片、第三液晶可变延迟器、第四液晶可变延迟器、第二凸透镜组成，通过调整第一液晶可变延迟器、第二液晶可变延迟器、第三液晶可变延迟器和第四液晶可变延迟器的控制电压，从而能够快速且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

优选的，建立空间直角坐标系，以所述微分干涉成像系统的光路的主光轴为z轴，以所述光源发出的线偏振光的偏振方向为x轴，则所述起偏器慢轴方向在xy平面内且与x轴的夹角为45°，所述第一凸透镜与第二凸透镜共同组成一个4f系统，所述第一液晶可变延迟器的慢轴方向为x轴方向，所述第二液晶可变延迟器的慢轴方向为y轴方向，所述二分之一波片的慢轴方向在xy平面内且与x轴夹角为45°，所述第三液晶可变延迟器的慢轴方向为y轴方向，且与第二液晶可变延迟器呈轴对称放置，所述第四液晶可变延迟器的慢轴方向为x轴方向，且与第一液晶可变延迟器呈轴对称放置，所述检偏器的慢轴与x轴的夹角为45°，所述图像传感器放置在所述4f系统的等效空气焦距处。

优选的，所述剪切组件由分束镜、第一液晶可变延迟器、第二液晶可变延迟器、四分之一波片、反射镜组成，通过调整第一液晶可变延迟器和第二液晶可变延迟器的控制电压，从而能够快速且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

优选的，建立空间直角坐标系，以所述微分干涉成像系统的光路的主光轴为z轴，以所述光源发出的线偏振光的偏振方向为x轴，则所述起偏器慢轴方向在xy平面内且与x轴的夹角为45°，所述第一液晶可变延迟器的慢轴方向为x轴方向，所述第二液晶可变延迟器的慢轴方向为y轴方向，所述检偏器的慢轴与x轴的夹角为45°，所述图像传感器放置在镜筒透镜的等效空气焦距处。

优选的，所述微小剪切量的范围是0～7.6μm。

一种可快速改变剪切方向和大小的微分干涉成像系统，在实现干涉成像的光路中，包含液晶可变延迟器和波片的组合。

本发明还提供一种微分干涉成像方法，在干涉成像的光路中使用液晶可变延迟器和波片的组合，通过调整液晶可变延迟器的控制电压来改变液晶分子的取向，从而快速改变待干涉成像光束的剪切方向和剪切量。

本发明提供的微分干涉成像系统可以灵活地装配到常规光学显微镜上，结构简单，易于实现，能够通过对非染色样品进行高质量的定量相位测量来研究样品的形态与结构。本发明采用的剪切组件结构简单，没有机械调整装置，调整非常容易。通过调整向列型液晶器件的驱动电压，能够灵活的改变剪切量大小，并获得任意的剪切方向，因此可以根据样品的不同性质，选择最优的剪切方向，获得被测样品的最佳相衬效果。另外，液晶响应时间仅为毫秒量级，因此能够快速获得任意剪切方向的图像，增强了测量的时效性和便捷性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的透射式微分干涉成像系统结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的对称透射式微分干涉成像系统结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的反射式微分干涉成像系统结构示意图；

图4为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统采集得到的聚苯乙烯小球的亮场像；

图5为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统横向剪切时采集得到的聚苯乙烯小球的微分像；

图6为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统横向剪切量增加后采集得到的聚苯乙烯小球的微分像；

图7为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统纵向剪切时采集得到的聚苯乙烯小球的微分像；

图8为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统纵向剪切量增加后采集得到的聚苯乙烯小球的微分像；

图9为采用本发明实施例一提供的微分干涉成像系统倾斜方向剪切采集得到的聚苯乙烯小球的微分像。

具体实施方式

为了深入理解本发明，以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参见附图1，本发明实施例一提供的透射式微分干涉成像系统包括：光源101、滤光片102、起偏器103、样品台104、无限远成像显微物镜105、镜筒透镜106、第一液晶可变延迟器107、第一二分之一波片108、第二液晶可变延迟器109、第三液晶可变延迟器110、第二二分之一波片111、第四液晶可变延迟器112、检偏器113、图像传感器114。

其中，第一液晶可变延迟器107、第一二分之一波片108、第二液晶可变延迟器109、第三液晶可变延迟器110、第二二分之一波片111、第四液晶可变延迟器112共同组成剪切组件。

所述光源101发出中心波长650nm、带宽为40nm的线偏振光，偏振方向沿图示坐标轴x轴方向。

所述滤光片102在本实施例中是用来调整由光源101产生的光强，使其达到合适的强度。所述滤光片102采用中性密度滤光片。

所述起偏器103的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴的夹角为45°，用来调整入射光的偏振方向。

所述样品台104用于放置透明样品。

所述第一液晶可变延迟器107的慢轴方向为图示坐标轴x轴方向，随着控制电压的改变，光轴在xz平面内偏转。

所述第一二分之一波片108的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴夹角为45°。

所述第二液晶可变延迟器109的慢轴方向为图示坐标轴x轴方向，随着控制电压的改变光轴在xz平面内偏转，且与第一液晶可变延迟器107呈轴对称放置。

所述第三液晶可变延迟器110的慢轴方向为图示坐标轴y轴方向，随着控制电压的改变光轴在yz平面内偏转。

所述第二二分之一波片111的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴夹角为45°。

所述第四液晶可变延迟器112的慢轴方向为图示坐标轴y轴方向，随着控制电压的改变光轴在yz平面内偏转，且与第三液晶可变延迟器110呈轴对称放置。

所述检偏器113的慢轴与图示坐标轴的x轴成45°。

所述图像传感器114放置在镜筒透镜106的等效空气焦距处。

本发明透射式微分干涉成像系统在工作时，通过旋转滤光片102来调节由光源101产生的线偏振光，获得合适的光强。由起偏器103调整线偏振光的偏振态后，照射到透明样品上被无限远成像显微物镜105收集并通过镜筒透镜106成像。经过镜筒透镜106后的光束以汇聚球面波的形式通过第一液晶可变延迟器107，由于液晶的电控双折射效应，光束被微分剪切成两束振动方向相互垂直的p光与s光，且剪切方向沿x轴正方向。从第一液晶可变延迟器107出射的p光和s光经过第一二分之一波片108后，两束线偏振光的偏振方向均旋转90°，入射的p光变换为s光，s光变换为p光，经过第一二分之一波片108变换后获得的p光通过第二液晶可变延迟器109后沿x轴负方向被微分剪切开一定距离，此时沿x轴方向的剪切量为通过第一液晶可变延迟器107和第二液晶可变延迟器109剪切后的总和。被剪切开的s光与p光通过第三液晶可变延迟器110、第二二分之一波片111、第四液晶可变延迟器112后与上述剪切原理相同。由于第一液晶可变延迟器107和第二液晶可变延迟器109的慢轴方向沿x轴方向，获得了沿x轴方向的微分剪切；第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的慢轴方向沿y轴方向，可以获得沿y轴方向的微分剪切，且沿x轴与y轴的剪切量可以通过各自的液晶驱动电源进行控制，被剪切后的光束经过检偏器113调整其偏振方向，然后被图像传感器114收集。图像传感器114位于镜筒透镜106的等效空气后焦面处，此时剪切量的大小与剪切方向为上述x方向剪切和y方向剪切的合成大小与方向。通过调整第一液晶可变延迟器107、第二液晶可变延迟器109、第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的控制电压，从而能够快速且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

实施例二

参见附图二，本发明实施例二提供的对称透射式微分干涉成像系统包括：光源201、滤光片202、起偏器203、样品台204、无限远成像显微物镜205、镜筒透镜206、第一凸透镜207、第一液晶可变延迟器208、第二液晶可变延迟器209、二分之一波片210、第三液晶可变延迟器211、第四液晶可变延迟器212、第二凸透镜213、检偏器214、图像传感器215。

其中，第一凸透镜207、第一液晶可变延迟器208、第二液晶可变延迟器209、二分之一波片210、第三液晶可变延迟器211和第四液晶可变延迟器212、第二凸透镜213共同组成剪切组件。

所述光源201发出中心波长650nm、带宽为40nm的线偏振光，偏振方向沿图示坐标轴x轴方向。

所述滤光片202在本实施例中是用来调整由光源201产生的光强，使其达到合适的强度。所述滤光片202采用中性密度滤光片。

所述起偏器203的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴夹角为45°，用来调整入射光的偏振方向。

所述样品台204用于放置透明样品。

所述第一凸透镜207与第二凸透镜213的焦距为45mm，并由两个凸透镜共同组成一个4f系统。

所述第一液晶可变延迟器208的慢轴方向为图示坐标轴x轴方向，随着控制电压的改变光轴在xz平面内偏转。

所述第二液晶可变延迟器209的慢轴方向为图示坐标轴y轴方向，随着控制电压的改变光轴在yz平面内偏转。

所述二分之一波片210的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴夹角为45°。

所述第三液晶可变延迟器211的慢轴方向为图示坐标轴y轴方向，随着控制电压的改变光轴在yz平面内偏转，且与第二液晶可变延迟器209呈轴对称放置。

所述第四液晶可变延迟器212的慢轴方向为图示坐标轴x轴方向，随着控制电压的改变光轴在xz平面内偏转，且与第一液晶可变延迟器208呈轴对称放置。

所述检偏器214的慢轴与图示坐标轴的x轴呈45°。

所述图像传感器215放在4f系统的等效空气焦距处。

本发明提供的对称透射式微分干涉成像系统在工作时，通过旋转滤光片202来调节由光源201产生的线偏振光，获得合适的光强。由起偏器203调整线偏振光的偏振态后，照射到透明样品204上被无限远成像显微物镜205收集并通过镜筒透镜206成像。通过镜筒透镜206成的像由4f系统承接到图像传感器215的靶面处。具体剪切过程为：

经过镜筒透镜206后的成像光束由第一凸透镜207收集并形成汇聚球面波通过第一液晶可变延迟器208，由于液晶的电控双折射效应，光束被分为两束振动方向相互垂直的p光与s光，且p光沿x轴正方向被剪切开微小距离。从第一液晶可变延迟器208出射的p光和s光经过第二液晶可变延迟器209后，s光沿y轴负方向被剪切开微小距，而p光不受影响，二分之一波片210放置在4f系统的频谱面处。分别沿x轴方向与y轴方向剪切开的p光与s光通过二分之一波片210后，两束线偏振光的偏振方向均旋转90°，入射的p光变换为s光，s光变换为p光，偏振态变换后获得的s光通过第三液晶可变延迟器211后沿y轴正方向被剪切开微小距离，而偏振态变换后的p光不受影响。从第三液晶可变延迟器211出射的p光和s光经过第四液晶可变延迟器212后偏振态变换后的p光沿x轴负方向被剪切开微小距离，被分别剪切两次的p光与s光由第二凸透镜213汇聚并通过检偏器214调整其偏振方向，最终所成的微分像被图像传感器215收集，图像传感器215位于4f系统的等效空气后焦面处。此时剪切量的大小与剪切方向为上述x方向剪切和y方向剪切的合成大小与方向。通过调整第一液晶可变延迟器208、第二液晶可变延迟器209、第三液晶可变延迟器211和第四液晶可变延迟器212的控制电压，从而能够快速且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

实施例三

参见附图三，本发明实施例三提供的反射式微分干涉成像系统包括：

光源301、滤光片302、起偏器303、样品台304、无限远成像显微物镜305、镜筒透镜306、分束镜307、第一液晶可变延迟器308、第二液晶可变延迟器309、四分之一波片310、反射镜311、检偏器312、图像传感器313。

其中，分束镜307、第一液晶可变延迟器308、第二液晶可变延迟器309、四分之一波片310、反射镜311共同组成剪切组件。

所述光源301发出中心波长650nm、带宽为40nm的线偏振光，偏振方向沿图示坐标轴x轴方向。

所述滤光片302在本实施例中是用来调整由光源301产生的光强，使其达到合适的强度。所述滤光片302采用中性密度滤光片。

所述起偏器303的慢轴方向在图示坐标轴xy平面内且与x轴夹角为45°，用来调整入射光的偏振方向。

所述样品台304用于放置透明样品。

所述第一液晶可变延迟器308的慢轴方向为图示坐标轴x轴方向，随着控制电压的改变光轴在xz平面内偏转。

所述第二液晶可变延迟器309的慢轴方向为图示坐标轴y轴方向，随着控制电压的改变光轴在yz平面内偏转。

所述检偏器312的慢轴与图示坐标轴的x轴成45°。

所述图像传感器313放置在镜筒透镜306的等效空气焦距处。

本发明的反射式微分干涉成像系统在工作时，通过旋转滤光片302来调节由光源301产生的线偏振光，获得合适的光强。由起偏器303调整线偏振光的偏振态后，照射到透明样品上被无限远成像显微物镜305收集并通过镜筒透镜306成像。经过镜筒透镜306后的成像光束以汇聚球面波的形式从分束镜307透射并进入第一液晶可变延迟器308，由于液晶的电控双折射效应，光束被分为两束振动方向相互垂直的p光与s光，且p光沿x轴正方向被剪切开微小距离。从第一液晶可变延迟器308出射的p光和s光经过第二液晶可变延迟器309后，s光沿y轴负方向被剪切开微小距离，而p光不受影响，被剪切开的两束线偏振光经过四分之一波片310后p光变为右旋圆偏振光，s光变为左旋圆偏振光。经过反射镜311反射，再一次通过四分之一波片310后两束圆偏振光分别变为偏振方向相互垂直的线偏振光，反射的两束线偏振光的偏振方向相较于入射光的偏振方向均旋转90°。反射后得到的s光通过第二液晶可变延迟器309后沿y轴正方向被剪切开微小距离，反射后得到的p光通过第一液晶可变延迟器308后沿x轴负方向被剪切开微小距离，被剪切开的两束光由分束镜307反射后经过检偏器312调整其偏振方向，在图像传感器313靶面处干涉并成像。此时剪切量的大小与剪切方向为上述x方向剪切和y方向剪切的合成大小与方向。通过调整第一液晶可变延迟器308和第二液晶可变延迟器309的驱动电压，从而能够快速而且准确的改变剪切方向以及获得任意大小的剪切量。

当剪切组件未开启剪切模式时，两束正交偏振光各自在图像传感器313的靶面上的复振幅为：

其中E_p(x,y)和E_s(x,y)分别为入射光中p光和s光的复振幅，a_p(x,y)和a_s(x,y)分别是对应的振幅，是待测量相位，δ是测量时相移器件在p光中引入的相移量。

当剪切组件开启剪切模式时，两束正交偏振光各自在图像传感器313的靶面上的复振幅为：

经由检偏器312后在图像传感器313的靶面上的图像为：

其中是微分相位。通过采集相移量δ分别为0，π/2，π，3π/2的四幅图像，通过四步相移算法便可以计算出被测样品的微分相位的分布。

在实施例三中，第一液晶可变延迟器308和第二液晶可变延迟器309均采用液晶层厚度为30μm、通光孔径为20mm的液晶器件，驱动电压为0～1.1V，实现了无需采用机械调整装置，即可对剪切方位和剪切量进行方便、快速、任意调整，剪切量调整范围为0～7.6μm，方位角调整范围为0°到90°。

为了测试本发明提供的基于液晶可变延迟器的微分干涉成像系统，分别对实施例一、实施例二和实施例三进行了成像实验。图4为实施例一中所述液晶可变延迟器驱动电压均为0V时获得的与传统光学显微镜具有相同效果的亮场像。当增加第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的驱动电压时，成像光束沿水平方向产生剪切，样品沿其剪切方向上产生一定的灰度梯度，使其显得更加立体，从而可以观察到图5所示具有一定衬度的微分像。当继续增加第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的驱动电压后，剪切量增大，使样品区域衬度进一步增强，得到如图6所示的微分像。当调整第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的驱动电压为0V，并同时增加第一液晶可变延迟器107和第二液晶可变延迟器109的电压时，剪切方向为竖直方向，得到了如图7所示沿纵向剪切的样品微分像。进一步增加第一液晶可变延迟器107和第二液晶可变延迟器109的驱动电压，沿竖直方向的剪切量增大，得到如图8所示相衬度增加的样品微分像。当同时增加第一液晶可变延迟器107、液晶可变延迟器108、第三液晶可变延迟器110和第四液晶可变延迟器112的驱动电压后，便可以得到如图9所示的沿倾斜方向剪切的样品微分像。通过调整液晶可变延迟器的控制电压，来改变沿图示坐标轴x轴方向和y轴方向上的剪切量大小，便可以得到任意的剪切方向和剪切量。

实施例二与实施例三是通过改变剪切光路的结构与配置，均获得了与图4至图9所示的样品微分图像。

本发明提供的微分干涉成像系统可以灵活地装配到常规光学显微镜上，结构简单，易于实现，能够通过对非染色样品进行高质量的定量相位测量来研究样品的形态与结构。本发明采用的剪切组件结构简单，没有机械调整装置，调整非常容易。通过调整向列型液晶器件的驱动电压，能够灵活的改变剪切量大小，并获得任意的剪切方向，因此可以根据样品的不同性质，选择最优的剪切方向，获得被测样品的最佳相衬效果。另外，液晶响应时间仅为毫秒量级，因此能够快速获得任意剪切方向的图像，增强了测量的时效性和便捷性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。