[發(fā)明專利]一種基于偏振的光柵相位襯度成像系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011092226.0
• 申請(qǐng)日: 2020-10-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112270741A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆鋒;孟云龍;岳濤;胡雪梅;曹旭;曹雪蕓;楊程;沈心雨;林嵐昆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00;G06T15/50;G02B27/42;G02B5/18
• 代理公司: 上海申新律師事務(wù)所 31272
• 代理人: 俞滌炯

本發(fā)明提供一種基于偏振的光柵相位襯度成像系統(tǒng)及方法，涉及領(lǐng)域，包括：光源裝置，發(fā)射部分相干光；準(zhǔn)直裝置，將部分相干光轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直光；線偏振片，將準(zhǔn)直光轉(zhuǎn)換為線偏振光；光柵組件，上方放置有一樣品，不同偏振角度的線偏振光分別以一預(yù)設(shè)照射角度依次照射在樣品上形成折射光線，經(jīng)由光柵組件處理形成強(qiáng)度變化的光信號(hào)；圖像探測(cè)器，接收光信號(hào)以形成樣品在每個(gè)偏振角度對(duì)應(yīng)的相位襯度圖像；三維重建系統(tǒng)，用于根據(jù)各相位襯度圖像及對(duì)應(yīng)的偏振角度進(jìn)行三維重建得到樣品的三維圖像。有益效果是具備了無(wú)透鏡成像兼具大視場(chǎng)和高分辨率的特點(diǎn)，同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了設(shè)備的集成度，可以更好地推動(dòng)無(wú)透鏡相位恢復(fù)系統(tǒng)的實(shí)用化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及相位恢復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偏振的光柵相位襯度成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

相位恢復(fù)是光學(xué)測(cè)量與成像技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。在某些特定領(lǐng)域，如光學(xué)測(cè)量、材料物理學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、X射線衍射光學(xué)、電子顯微學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，大部分樣本都屬于相位物體。這類物體的振幅透射率分布均勻，但折射率或厚度的空間分布不均勻，因此相位物體的光波振幅改變甚小，相位改變卻非常大。人眼或其他光學(xué)探測(cè)器都只能判斷物體的振幅變化而無(wú)法判斷其相位的變化，因此也就不能“看見(jiàn)”相位物體，即不能區(qū)分相位物體內(nèi)厚度或折射率不同的各個(gè)部分。所以對(duì)于這些領(lǐng)域，獲取相位信息顯得尤為重要。

由于直接測(cè)量光波場(chǎng)的相位分布非常困難，而測(cè)量光波場(chǎng)的振幅或強(qiáng)度十分容易。因此，可以將由強(qiáng)度分布來(lái)恢復(fù)相位這一過(guò)程作為數(shù)學(xué)上的一個(gè)逆問(wèn)題，即相位恢復(fù)問(wèn)題。基于非干涉的相位恢復(fù)方法可以大體分為兩大類，即迭代法與直接法。

迭代法：基于迭代運(yùn)算的相位復(fù)原法于1972年由Gerchberg等在研究電子顯微鏡的相位恢復(fù)問(wèn)題時(shí)首次提出，該算法稱為GS(Gerchberg-Saxton)算法。該方法指出，當(dāng)待測(cè)光波場(chǎng)在像平面和遠(yuǎn)場(chǎng)衍射平面的光強(qiáng)分布已知時(shí)，可以通過(guò)衍射計(jì)算迭代的方式求解光場(chǎng)波前相位。GS算法的提出具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，但也存在很多問(wèn)題。這些問(wèn)題一方面是求解逆問(wèn)題時(shí)所固有的，譬如解的存在性與唯一性問(wèn)題。另一方面則是由迭代算法本身引起的，如算法經(jīng)過(guò)最初幾次迭代后收斂速度減慢甚至陷入停滯、陷于局部(非全局)極小值。

直接法：光強(qiáng)傳輸方程于1983年由Teague利用亥姆霍茲方程在傍軸近似條件下首次推導(dǎo)得出。TIE是一個(gè)二階橢圓型偏微分方程，闡明了平行于光軸方向上光強(qiáng)度的變化量與垂直于光軸平面上光波的相位的定量關(guān)系。該方法區(qū)別于迭代相位恢復(fù)算法的一大特點(diǎn)是沒(méi)有利用傳統(tǒng)的衍射計(jì)算公式來(lái)迭代恢復(fù)相位，而是在待求平面上的光強(qiáng)分布(直接測(cè)量)以及光強(qiáng)軸向微分(通過(guò)采集離焦光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)值差分估計(jì)得到)已知的情況下，通過(guò)數(shù)值求解光強(qiáng)傳輸方程直接獲取相位信息，從而不需要任何迭代求解過(guò)程。

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的相位恢復(fù)研究都是在顯微鏡系統(tǒng)上開(kāi)展的。然而顯微鏡系統(tǒng)在大視場(chǎng)的情況下難以獲得高分辨率的固有矛盾限制了它在實(shí)際中的進(jìn)一步應(yīng)用。無(wú)透鏡成像技術(shù)具有大視場(chǎng)與高分辨率兼得的特點(diǎn)，但目前針對(duì)無(wú)透鏡的相位恢復(fù)技術(shù)操作繁瑣，算法復(fù)雜度高，使其難以在實(shí)際中獲得廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于偏振的光柵相位襯度成像系統(tǒng)，包括：

一光源裝置，用于發(fā)射部分相干光；

一準(zhǔn)直裝置，設(shè)置于所述光源裝置的光線出射口，用于將所述部分相干光轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直光；

一線偏振片，設(shè)置于所述準(zhǔn)直裝置的下方，用于將所述準(zhǔn)直光轉(zhuǎn)換為線偏振光；

一光柵組件，設(shè)置于所述線偏振片的下方，所述光柵組件的上方放置有一樣品，不同偏振角度的所述線偏振光分別以一預(yù)設(shè)照射角度依次照射在所述樣品上形成折射光線，所述折射光線經(jīng)由所述光柵組件處理形成強(qiáng)度變化的光信號(hào)；

一圖像探測(cè)器，設(shè)置于所述光柵組件的下方，用于接收所述光信號(hào)以形成所述樣品在每個(gè)所述偏振角度對(duì)應(yīng)的相位襯度圖像；