[发明专利]基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置

说明书

本发明公开了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，包括沿光路方向依次设置的部分相干光产生及调控模块、光尺寸控制模块、望远镜系统、物参光分离模块及图像采集模块，其中，部分相干光产生及调控模块用于产生部分相干光并对其偏振特性进行调控；光尺寸控制模块用于缩放偏振光的尺寸并产生均匀的照明光波；望远镜系统用于对样品进行放大成像，形成具有样品信息的光场分布；物参光分离模块用于将具有样品信息的光进行衍射，产生物光和参考光；图像采集模块用于采集由物光和参考光产生的全息图。本发明由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，对环境扰动具有非常好的免疫性；同时，由于采用低相干的LED进行照明，图像质量得到了极大的提升。

技术领域

本发明属于光学显微成像技术领域，具体涉及一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置，用于对透明样品进行无标记、高衬度且高分辨率的原位检测。

背景技术

在当前的生物学研究及医疗诊断中，单细胞或生物组织是反映生物体生命状态的主要对象。电子显微镜、原子力显微镜等具有纳米乃至亚纳米级的空间分辨率，可以探测到多种亚细胞器的精细结构，为诸多疾病的诊断和治疗提供了可靠的检测手段和重要的科学依据。由于这些技术对样品制备有着特殊的要求并且在探测过程中对样品有一定的物理或化学损伤，更适合用来探测固定的样品。相比之下，光学显微镜作为非侵入式的成像技术对活体样品的探测更有优势，因此，光学显微镜在生命科学研究领域扮演着重要的角色。光学显微镜的原理和结构相对简单，对样品的制备要求较低，空间分辨率和时间分辨率都能够达到较多应用场合的要求，可以对多尺度的活体样品进行长时间非侵入式的探测，已经成为认识和研究微观世界的重要手段。荧光显微镜通过荧光物质受激发产生的荧光信号实现特定结构的高对比度成像。

近年来，荧光显微镜的空间分辨率实现了从衍射极限到超分辨率的突破，为活细胞内生物动态过程的研究奠定了基础。然而，荧光显微镜在应用上依然存在一些限制。首先，利用荧光标记物标记活细胞内的结构时会对活细胞的状态造成一定的改变，对准确探测生物动态过程有一定的影响；其次，荧光显微镜能同时观察的通道数量也有限；另外，荧光标记物受激发时存在光毒性及光漂白性，很难对活体样品进行长时间的连续观察。定量相位显微镜无需荧光标记便可实现样品的三维层析成像，能够探测到样品的四维信息(空间尺度上的三维结构信息+时间尺度上的动态信息)，在生物医学、光学微加工、粒子场密度测量、表面光洁度检测等领域有着重要的应用价值，然而基于部分相干照明的定量相位显微技术通常需要多张原始图才能恢复出样透明品的相位信息，这在一定程度上限制了其在高速、实时成像方面的发展。

数字全息显微技术将光学干涉和光学显微技术相结合，通过单次曝光即可恢复得到待测样品的振幅和相位信息，具有极高的成像速度。虽然该方法具有很高的测量精度，但是需要额外的参考光，对光源的相干性要求较高并且对环境的抗干扰能力差，很难对活体样品进行长时间地连续观察。为了提高数字全息显微镜的抗干扰能力，Popescu等人提出了一种基于同轴点衍射的物参共路数字全息显微技术。该方法利用一个衍射光栅将物光分成完全相同的两份，其中一份经过透镜傅里叶面上的针孔滤波后变成参考光，另外一份仍被用作物光，利用二者之间的干涉图样即可再现出被测样品的振幅和相位信息。由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，该系统对环境扰动具有非常好的免疫性。需要说明的是，该技术中的参考光是通过对物光波进行滤波产生的，因此参考光的光强与被测样品的散射程度直接相关，无法保证在任意样品下干涉条纹都具有很好的对比度，也就无法保证重建的准确度。另外，传统的数字全息显微技术采用相干性高的激光进行照明，可以得到高对比度的全息图，然而，高相干性导致图像具有严重的散斑噪声，从而降低了测量的灵敏度和准确度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于LED照明的小型化偏振点衍射数字全息显微装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：