CN102519909B - 基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，包括载物台、第一物镜、第一反射镜、管镜以及CCD图像感应器，其特征在于：还包括白光光源、分光镜以及液晶可调谐滤波片，分光镜接收白光信号，该白光信号透过第一物镜聚焦到观测样本中，观测样本的反射散射信号透过第一物镜和第一反射镜后投射在管镜中，在管镜与CCD图像感应器之间安装液晶可调谐滤波片，通过该液晶可调谐滤波片将不同波长的显微图像投射到CCD图像感应器上。其显著效果是：光路结构简单，控制方便，系统具有高空域折射率波动灵敏度，可直接对临床样本玻片进行处理，实现细胞纳米结构的高精度成像，而且利用电光液晶调谐实现全场快速测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种相位显微镜，具体地说，是一种基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，属于光学成像技术。
背景技术
由于传统的光学显微镜对样本的成像是基于样本的吸收或者荧光效应, 因此分辨率较低（<500nm）, 无法探测到样本纳米结构的变化。基于光学的相差显微镜和微分干涉差显微镜能够探测微小的细胞纳米结构变化，但缺少定量信息，限制了其应用范围。近年来，定量相位显微镜利用干涉效应可获取相位、幅度等与细胞纳米结构特性相关的系统参数，提供了定量信息，该类显微镜虽然可以探测细胞纳米结构，但其速度，灵敏度和精度，以及对样本的特殊要求都限制了其向临床应用的推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速、高灵敏度和高精度的低相干相位显微镜，可直接观察临床细胞组织样本玻片，并从中提取细胞有效纳米结构特性。
为达到上述目的，本发明所采用的方案如下：
一种基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，包括载物台、第一物镜、第一反射镜、管镜以及CCD图像感应器，其关键在于：还包括白光光源、分光镜以及液晶可调谐滤波片，所述分光镜安装在第一物镜与第一反射镜之间，该分光镜用于接收所述白光光源产生的白光信号，该白光信号透过所述第一物镜聚焦到所述载物台上的观测样本中，该观测样本的反射和散射信号透过所述第一物镜以及分光镜投射在所述第一反射镜上，该第一反射镜将接收的信号反射到管镜中，在管镜与CCD图像感应器之间安装所述液晶可调谐滤波片，通过该液晶可调谐滤波片将不同波长的显微图像投射到所述CCD图像感应器上。
系统通过液晶调谐将不同波长的背反射图像投射到CCD图像感应器上，可直接对临床样本玻片进行处理，将细胞作为观测样本，可同时获取细胞的显微图像以及每个像素的光谱信号，经光谱分析可得细胞的相位及幅度信息。系统利用白光光源和低孔径物镜可以将三维复杂散射目标分解成多个一维信道，去除了散斑噪声，由于一维光传播产生多次干涉，一维传播的反射信号对于任何尺度的折射率波动有很高的灵敏度，因此系统具有高空域折射率波动灵敏度。液晶可调谐滤波片采用电光液晶调谐，替代了普通机械扫描，实现了全场快速测量。CCD图像感应器采集到不同波长的细胞图像，从而可以提取每一像素的光谱信息。通过对光谱进行傅立叶变换从而提取出细胞有效纳米结构特性，实现高精度成像。
为了对白光光源发出的白光进行调整准直，所述白光光源与分光镜之间设置有准直光路，该准直光路由聚光镜、第一透镜、第一光阑、第二透镜以及第二光阑依次排列组成。
为了探测观测样本的透射信号，系统还设置有第二物镜、第二反射镜、第三反射镜以及可移动反射镜，所述第二物镜用于接收所述观测样本的透射光信息，该透射光信息依次经过所述第二反射镜、第三反射镜以及可移动反射镜后投射到所述管镜中。
所述白光光源为氙灯光源，发出的白光强度大，相干度小。
所述液晶可调谐滤波片的表面镀有400nm～700nm波段的增透膜，用于改善光谱信号的信噪比。
本发明的显著效果是：光路结构简单，控制方便，系统具有高空域折射率波动灵敏度，可直接对临床样本玻片进行处理，实现细胞纳米结构的高精度成像，而且利用电光液晶调谐实现全场快速测量，利用简单的傅立叶变换对CCD图像感应器所获取的每个像素点的光谱信息进行光谱分析即可获取观测样本的相位和幅度信息，从而确定细胞的纳米结构。
附图说明
图1是本发明的系统设计图；
附图标记：
1 白光光源，2 聚光镜，3 第一透镜，4 第一光阑，5 第二透镜，6第二光阑，7 第一反射镜，8 分光镜，9 第一物镜，10 载物台，11 第二物镜，12 第二反射镜，13 第三反射镜，14 可移动反射镜，15 管镜，16 液晶可调谐滤波片，17 CCD图像感应器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，包括白光光源1、分光镜8、第一物镜9、载物台10、第一反射镜7、管镜15、液晶可调谐滤波片16以及CCD图像感应器17，为了对白光光源的光线进行调整准直，所述白光光源1与分光镜8之间还设置有准直光路，该准直光路由聚光镜2、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜5以及第二光阑6依次排列组成。
白光光源1采用氙灯光源，发出的白光强度大，相干度小。白光光源1发出的白光经准直光路后，投射到分光镜8上，该分光镜8将接收的白光投射到第一物镜9上，最后透过第一物镜9聚焦到观测样本中，第一物镜9采用低孔径物镜，利用白光光源和低孔径物镜可以将三维复杂散射目标分解成多个一维信道，去除了散斑噪声，由于一维光传播产生多次干涉，一维传播的反射信号对于任何尺度的折射率波动有很高的灵敏度，因此系统具有高空域折射率波动灵敏度。
所述分光镜8安装在第一物镜9与第一反射镜7之间，不仅可以接收所述白光光源1产生的白光信号，而且可以将第一物镜9接收到的观测样本信号反射信号透射到第一反射镜7上，在分光镜8与第一物镜9之间的光路中同时传播有入射光和反射光，系统采用共轴反射模式，降低了吸收光和外部干扰的影响。所述第一反射镜7将接收的信号反射到管镜15中，在管镜15与CCD图像感应器17之间安装所述液晶可调谐滤波片16，通过该液晶可调谐滤波片16将不同波长的显微图像投射到所述CCD图像感应器17上，为了改善光谱信号的信噪比，所述液晶可调谐滤波片16的表面镀有400nm～700nm波段的增透膜。
由于采用氙灯光源，照射光束的直径远大于观测样本的尺寸（细胞大小为微米级），对于单个细胞的尺寸和表面曲率来说，入射光可以近似为平面波，通过近似平面的宽频低相干光源照射观测样本，可以获取由背反射的光子形成的图像。通过所述液晶可调谐滤波片16的调谐功能，可以收集特定波长的细胞图像并投射到CCD图像感应器17中，通过数据处理可以将CCD图像感应器17输出的图像信息建立起一个三维的数据体 
，其中
代表观测样本的一个像素点，
代表该像素点的光谱信息，最后直接对
进行光谱分析。
系统采用Labview软件编程控制液晶可调谐滤波片16和CCD图像感应器17同步，由于液晶可调谐滤波片16采用电光液晶调谐，替代了普通机械扫描，可实现全场快速测量。液晶可调滤波片16将不同波长的背反射图像投射到CCD图像感应器17上，系统对纳米颗粒进行扫描，对采集的光谱信号进行分析，利用载玻片的系统光谱作为参考，对光谱信息进行归一化处理，根据光谱的强度来确定需要处理的波长范围。采集的光谱信息通过巴特沃斯低通滤波器去除高频率电子噪声，对滤波后的光谱信号进行傅立叶变换，通过优化算法获得准确的相位分布图，实现系统的校准。本系统可直接对临床样本玻片进行处理，将细胞作为观测样本，可同时获取细胞的显微图像以及每个像素的光谱信号，经光谱分析可得细胞的相位及幅度信息，从而提取出细胞有效纳米结构特性，实现高精度成像。
为了探测观测样本的透射信号，获取传统的显微图像作对比分析，系统还设置有第二物镜11、第二反射镜12、第三反射镜13以及可移动反射镜（14），所述第二物镜11用于接收所述观测样本的透射光信息，该透射光信息依次经过所述第二反射镜12、第三反射镜13以及可移动反射镜14后投射到所述管镜15中，最终通过管镜15投入到所述CCD图像感应器17中。
为了降低色差对系统的影响，在具体实施过程中，所述第一透镜3、第二透镜5以及管镜15采用消色差双合透镜，所述分光镜8采用宽光谱分光镜，所述第一物镜9和第二物镜11采用消色差物镜，系统中的反射镜也均采用宽带反射镜，从而降低色差对系统的影响，提高系统的精确度，最终达到本发明的目的。
Claims (4)
1.一种基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，包括载物台（10）、第一物镜（9）、第一反射镜（7）、管镜（15）以及CCD图像感应器（17），其特征在于：还包括白光光源（1）、分光镜（8）、液晶可调谐滤波片（16）、第二物镜（11）、第二反射镜（12）、第三反射镜（13）以及可移动反射镜（14），所述分光镜（8）安装在第一物镜（9）与第一反射镜（7）之间，该分光镜（8）用于接收所述白光光源（1）产生的白光信号，该白光信号透过所述第一物镜（9）聚焦到所述载物台（10）上的观测样本中，该观测样本的反射和散射信号透过所述第一物镜（9）以及分光镜（8）投射在所述第一反射镜（7）上，该第一反射镜（7）将接收的信号反射到管镜（15）中，在管镜（15）与CCD图像感应器（17）之间安装所述液晶可调谐滤波片（16），通过该液晶可调谐滤波片（16）将不同波长的显微图像投射到所述CCD图像感应器（17）上；
所述第二物镜（11）用于接收所述观测样本的透射光信息，该透射光信息依次经过所述第二反射镜（12）、第三反射镜（13）以及可移动反射镜（14）后投射到所述管镜（15）中。
2.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，其特征在于：所述白光光源（1）与分光镜（8）之间设置有准直光路，该准直光路由聚光镜（2）、第一透镜（3）、第一光阑（4）、第二透镜（5）以及第二光阑（6）依次排列组成。
3.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，其特征在于：所述白光光源（1）为氙灯光源。
4.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤波器的空域低相干相位显微镜，其特征在于：所述液晶可调谐滤波片（16）的表面镀有400nm～700nm波段的增透膜。
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