基于四象限液晶器件的差分相衬成像系统

在显微成像领域中，由于无色生物样本的振幅吸收率低，常规显微镜观测下，成像对比度很低，传统方法多采用对其染色的方法使其在显微镜下被观测。然而对于生物样本，化学染色方式使得生物样本失活，对生物样本进行荧光染色时，所采用的激光照明的方式又会不可避免地产生光毒性［1］，对生物样本有损伤，难以对活体细胞进行长时间的观测。因此，无标记的相位成像方法成为了生物观测中逐渐采用的方式，并在近年来蓬勃发展［2-3］。相衬显微镜和微分干涉显微镜［4］的出现为人们观测细胞提供了新的方式。根据光的干涉以及衍射将样品的折射率信息即相位差转换为振幅差，实现了无需标记的无色透明样品观测。为了更进一步提升成像性能，1984年Hamilton首次提出了差分相衬成像方法［5］，通过将分离式探测器与扫描式显微成像系统相结合，实现了对样品三维信息的定性观察。2014年Guo等人提出使用液晶显示器件作为空间光调制器［6］，实现了显微镜的多模态成像功能。2015年，Tian等［7］通过将LED阵列作为照明调控模块，提出了定量的差分相衬成像方法。同年Zuo等人［8］通过对现有倒置显微镜进行优化，在显微成像系统中外接一个4F系统，在4F系统中两透镜的共焦平面放置一款商用LCD显示屏进行调控，实现了差分相衬成像等多种成像模式。然而在实际场景下，商用LCD的显示器尺寸大，对于一般的显微镜成像系统，聚光镜后焦面位于机械可调光阑处，难以将商用LCD器件放在聚光镜后焦面处。并且商用LCD因其结构存在黑矩阵遮光膜，导致其对光的透过率低，其彩色滤光膜也会进一步影响透过率。对于差分相衬成像系统来说，这几种因素会影响系统成像性能的进一步提升。

为了实现活体细胞观测系统的小型化、集成化、高对比度、低成本需求，贴近差分相衬成像的应用场景，本文提出了一种可调控的显微镜聚光镜模块，目前在商用显微镜OLYMPUS CX23上进行优化改装，所设计使用的四象限液晶器件尺寸仅为22 mm×18 mm，可嵌入于显微镜聚光透镜的前焦平面处。

2 成像模型与理论

2.1　成像系统的构成

图1为基于四象限液晶器件的差分相衬成像系统结构图。它由相机、成像透镜、物镜、载物平面、聚光镜、四象限液晶器件以及光源组成。系统由一款商用显微镜OLYMPUS CX23改装而成，将小型的四象限液晶器件嵌入放置在聚光透镜的前焦平面处。