[发明专利]一种基于偏振的光栅相位衬度成像系统及方法

说明书

本发明提供一种基于偏振的光栅相位衬度成像系统及方法，涉及领域，包括：光源装置，发射部分相干光；准直装置，将部分相干光转换为准直光；线偏振片，将准直光转换为线偏振光；光栅组件，上方放置有一样品，不同偏振角度的线偏振光分别以一预设照射角度依次照射在样品上形成折射光线，经由光栅组件处理形成强度变化的光信号；图像探测器，接收光信号以形成样品在每个偏振角度对应的相位衬度图像；三维重建系统，用于根据各相位衬度图像及对应的偏振角度进行三维重建得到样品的三维图像。有益效果是具备了无透镜成像兼具大视场和高分辨率的特点，同时降低了系统的复杂度，进一步提高了设备的集成度，可以更好地推动无透镜相位恢复系统的实用化。

技术领域

本发明涉及相位恢复技术领域，尤其涉及一种基于偏振的光栅相位衬度成像系统及方法。

背景技术

相位恢复是光学测量与成像技术领域的一个重要课题。在某些特定领域，如光学测量、材料物理学、自适应光学、X射线衍射光学、电子显微学、生物医学成像领域，大部分样本都属于相位物体。这类物体的振幅透射率分布均匀，但折射率或厚度的空间分布不均匀，因此相位物体的光波振幅改变甚小，相位改变却非常大。人眼或其他光学探测器都只能判断物体的振幅变化而无法判断其相位的变化，因此也就不能“看见”相位物体，即不能区分相位物体内厚度或折射率不同的各个部分。所以对于这些领域，获取相位信息显得尤为重要。

由于直接测量光波场的相位分布非常困难，而测量光波场的振幅或强度十分容易。因此，可以将由强度分布来恢复相位这一过程作为数学上的一个逆问题，即相位恢复问题。基于非干涉的相位恢复方法可以大体分为两大类，即迭代法与直接法。

迭代法：基于迭代运算的相位复原法于1972年由Gerchberg等在研究电子显微镜的相位恢复问题时首次提出，该算法称为GS(Gerchberg-Saxton)算法。该方法指出，当待测光波场在像平面和远场衍射平面的光强分布已知时，可以通过衍射计算迭代的方式求解光场波前相位。GS算法的提出具有开创性的意义，但也存在很多问题。这些问题一方面是求解逆问题时所固有的，譬如解的存在性与唯一性问题。另一方面则是由迭代算法本身引起的，如算法经过最初几次迭代后收敛速度减慢甚至陷入停滞、陷于局部(非全局)极小值。

直接法：光强传输方程于1983年由Teague利用亥姆霍兹方程在傍轴近似条件下首次推导得出。TIE是一个二阶椭圆型偏微分方程，阐明了平行于光轴方向上光强度的变化量与垂直于光轴平面上光波的相位的定量关系。该方法区别于迭代相位恢复算法的一大特点是没有利用传统的衍射计算公式来迭代恢复相位，而是在待求平面上的光强分布(直接测量)以及光强轴向微分(通过采集离焦光强进行数值差分估计得到)已知的情况下，通过数值求解光强传输方程直接获取相位信息，从而不需要任何迭代求解过程。

目前，国内外大多数的相位恢复研究都是在显微镜系统上开展的。然而显微镜系统在大视场的情况下难以获得高分辨率的固有矛盾限制了它在实际中的进一步应用。无透镜成像技术具有大视场与高分辨率兼得的特点，但目前针对无透镜的相位恢复技术操作繁琐，算法复杂度高，使其难以在实际中获得广泛的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于偏振的光栅相位衬度成像系统，包括：

一光源装置，用于发射部分相干光；

一准直装置，设置于所述光源装置的光线出射口，用于将所述部分相干光转换为准直光；

一线偏振片，设置于所述准直装置的下方，用于将所述准直光转换为线偏振光；

一光栅组件，设置于所述线偏振片的下方，所述光栅组件的上方放置有一样品，不同偏振角度的所述线偏振光分别以一预设照射角度依次照射在所述样品上形成折射光线，所述折射光线经由所述光栅组件处理形成强度变化的光信号；

一图像探测器，设置于所述光栅组件的下方，用于接收所述光信号以形成所述样品在每个所述偏振角度对应的相位衬度图像；