运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像

董业; 任书宣; 王志斌; 王爽; 李克武

doi:10.37188/OPE.20253319.3021

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像

现代应用光学 | 更新时间：2025-10-31

- 运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像
- Birefringence microscopy imaging based on photoelastic modulation with stroboscopic illumination
- 光学精密工程 2025年33卷第19期页码：3021-3031
- 作者机构：
  
  1.中北大学仪器与电子学院，山西太原 030051
  2.中北大学电气与控制工程学院，山西太原 030051
  3.中北大学计算机科学与技术学院，山西太原 030051
  4.山西省智能微波光电技术创新中心，山西太原 030051
- 作者简介：
  
  [ "董业（1999-），男，山西大同人，硕士研究生，主要从事偏振探测及双折射成像方面的研究。E-mail：17703432075@163.com" ]
  [ "李克武（1990-），男，云南文山人，副教授，博士生导师，毕业于中北大学信息与通信工程专业，主要从事光偏振调制及应用方面的研究。E-mail： kewuli@nuc.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(63305309;62205310)
- DOI：10.37188/OPE.20253319.3021
  中图分类号： O439;TH742
- CSTR：32169.14.OPE.20253319.3021
- 收稿：2025-07-01，
  
  修回：2025-08-13，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 稿件说明：
移动端阅览
董业,任书宣,王志斌等.运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像[J].光学精密工程,2025,33(19):3021-3031.

DONG Ye,REN Shuxuan,WANG Zhibin,et al.Birefringence microscopy imaging based on photoelastic modulation with stroboscopic illumination[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3021-3031.
董业,任书宣,王志斌等.运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像[J].光学精密工程,2025,33(19):3021-3031. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3021. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3021.

DONG Ye,REN Shuxuan,WANG Zhibin,et al.Birefringence microscopy imaging based on photoelastic modulation with stroboscopic illumination[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3021-3031. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3021. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3021.

摘要

为实现高速、高精度的双折射显微测量，提出了一种基于弹光调制的双折射显微成像方案。利用弹光调制技术高调制频率、大调制纯度等偏振调制优势，实现了双折射显微成像测量，然后，运用频闪照明法解决了弹光调制器的“高频调制”与相机“低采集帧率”之间的矛盾。进行0°，30°，90°三个弹光调制相位下采集图像实验，以解算样品的双折射相位延迟量分布。最后，搭建实验系统并对波片和椴树茎切片样品进行了测量实验。实验结果表明，波片延迟量测量误差优于1%，延迟量精度满足±

/300，

延迟量分布最大偏差不超过1.62 nm。椴树茎切片的不同延迟量分布区能够完成不同部位的区域识别，且单次测量时间小于3 ms。该方案实现了高速、高精度的双折射分布测量，且具备双折射相位延迟量分布测量能力，可为二维新材料、生物组织成像等研究提供先进技术手段。

Abstract

To achieve rapid and precise birefringence microscopy， a photoelastic-modulation-based imaging scheme is proposed. Leveraging the high modulation frequency and purity of photoelastic modulators， birefringence imaging measurements are realized. The disparity between the modulator's high-frequency operation and the camera's low frame rate is resolved via stroboscopic illumination. The sample's birefringence phase retardation distribution is retrieved from only three images acquired at photoelastic modulation phases of 0°， 30°， and 90°. An experimental system was constructed and tested on a wave plate and linden stem sections. Results indicate a wave-plate retardation error below 1%， retardation accuracy within ±

/300， and a maximum retardation-distribution deviation not exceeding 1.62 nm. Distinct retardation regions in the linden stem sections enabled differentiation of anatomical parts， with single-measurement acquisition time under 3 ms. The method achieves high-speed， high-precision mapping of birefringence phase retardation and offers an advanced technical approach for studies of two-dimensional materials， biological tissue imaging， and related fields.

关键词

Keywords

references

李克武，王黎明，王志斌，等 . 弹光调制和电光调制联合测剩余双折射［J］. 中国激光， 2016 ， 43 （ 5 ）： 208 - 215 . doi: 10.3788/cjl201643.0508003 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201643.0508003

LI K W ， WANG L M ， WANG ZH B ， et al . Measurement of residual birefringence combined photo-elastic modulation with electro-optic modulation ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2016 ， 43 （ 5 ）： 208 - 215 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl201643.0508003 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201643.0508003

李克武，王爽，刘梓良，等 . 双弹光级联的差频调制型应力双折射测量［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 83 - 92 .

LI K W ， WANG SH ， LIU Z L ， et al . Stress birefringence measurement based on double cascaded photoelastic modulation with differential frequencies ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 83 - 92 . （in Chinese）

王杰 . 基于分焦平面偏振成像的双折射测量研究［D］. 太原：中北大学， 2024 .

WANG J . Research on Birefringence Measurement Based on Split Focal Plane Polarization Imaging ［D］. Taiyuan ： North University of China ， 2024 . （in Chinese）

LI K W ， WANG SH ， WANG L M ， et al . Stress birefringence measurement using the multi-harmonic terms of dual cascade photoelastic modulation ［J］. Journal of Instrumentation ， 2025 ， 20 （ 3 ）： P03033 . doi: 10.1088/1748-0221/20/03/p03033 http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/20/03/p03033

李克武，邱元芳，崔志英，等 . 基于双弹光级联差频调制的应力双折射二维分布测量［J］. 光学精密工程， 2023 ， 31 （ 18 ）： 2647 - 2655 . doi: 10.37188/ope.20233118.2647 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20233118.2647

LI K W ， QIU Y F ， CUI ZH Y ， et al . Measurement of two-dimensional distribution of stress birefringence based on dual photoelastic modulators cascade difference frequency modulation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2023 ， 31 （ 18 ）： 2647 - 2655 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20233118.2647 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20233118.2647

WANG Y ， SU Y Q ， SUN X Y ， et al . Principle and implementation of stokes vector polarization imaging technology ［J］. Applied Sciences ， 2022 ， 12 （ 13 ）： 6613 . doi: 10.3390/app12136613 http://dx.doi.org/10.3390/app12136613

刘坤 . 基于弹光调制的偏振显微成像研究［D］. 太原：中北大学， 2024 .

LIU K . Research on Polarization Microscopy Imaging Based on Photoelastic Modulation ［D］. Taiyuan ： North University of China ， 2024 . （in Chinese）

张俊超，伍彩云，罗毅东，等 . 分焦平面偏振超分辨成像技术的研究现状与展望（特邀）［J］. 红外与激光工程， 2025 ， 54 （ 7 ）： 205 - 218 .

ZHANG J CH ， WU C Y ， LUO Y D ， et al . Research status and prospects on super-resolution imaging technology for division-of-focal-plane polarimeters （invited）［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2025 ， 54 （ 7 ）： 205 - 218 . （in Chinese）

刘卫平 . 纳米散射场光子偏振状态测量和成像及其生物应用研究［D］. 南京：南京理工大学， 2021 .

LIU W P . Research on Photon Polarization State Measurement ， Imaging in Nanoscale Scattering Fields and Their Biological Applications ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Science and Technology ， 2021 . （in Chinese）

侯俊峰，邓元勇，王东光，等 . 液晶调制技术在太阳磁场探测中的应用及展望［J］. 航天器环境工程， 2021 ， 38 （ 3 ）： 296 - 304 . doi: 10.12126/see.2021.03.009 http://dx.doi.org/10.12126/see.2021.03.009

HOU J F ， DENG Y Y ， WANG D G ， et al . Application and prospect of liquid crystal modulation technology in solar magnetic field detection ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2021 ， 38 （ 3 ）： 296 - 304 . （in Chinese） . doi: 10.12126/see.2021.03.009 http://dx.doi.org/10.12126/see.2021.03.009

PETERSON J Q ， JENSEN G L ， KRISTL J A ， et al . Polarimetric imaging using a continuously spinning polarizer element ［C］. Optics + Photonics SPIE ， 2013 .

GENDRE L ， FOULONNEAU A ， BIGUÉ L . Imaging linear polarimetry using a single ferroelectric liquid crystal modulator ［J］. Applied Optics ， 2010 ， 49 （ 25 ）： 4687 - 4699 . doi: 10.1364/ao.49.004687 http://dx.doi.org/10.1364/ao.49.004687

李智渊，翟爱平，冀莹泽，等 . 光学偏振成像技术的研究、应用与进展［J］. 红外与激光工程， 2023 ， 52 （ 9 ）： 298 - 313 .

LI ZH Y ， ZHAI A P ， JI Y Z ， et al . Research， application and progress of optical polarization imaging technology ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2023 ， 52 （ 9 ）： 298 - 313 . （in Chinese）

李克武 . 基于快轴可调弹光调制的椭偏测量技术研究［D］. 太原：中北大学， 2018 .

LI K W . Research on Ellipsometry Measurement Technology Based on Fast - Axis Tunable Photoelastic Modulation ［D］. Taiyuan ： North University of China ， 2018 . （in Chinese）

王爽，李克武 . 双折射测量系统的弹光调制器原位定标及数据处理研究［J］. 激光杂志， 2025 ， 46 （ 3 ）： 76 - 83 .

WANG SH ， LI K W . In-situ calibration of photoelastic modulator and data processing in birefringence measurement system ［J］. Laser Journal ， 2025 ， 46 （ 3 ）： 76 - 83 . （in Chinese）

昝薛博，李克武，陈玉龙，等 . 弹光调制器延迟量幅值分布测量［J］. 应用光学， 2025 ， 46 （ 2 ）： 404 - 411 . doi: 10.5768/jao202546.0203006 http://dx.doi.org/10.5768/jao202546.0203006

ZAN X B ， LI K W ， CHEN Y L ， et al . Measurement of delay amplitude distribution of elastic light modulator ［J］. Journal of Applied Optics ， 2025 ， 46 （ 2 ）： 404 - 411 . （in Chinese） . doi: 10.5768/jao202546.0203006 http://dx.doi.org/10.5768/jao202546.0203006

郝婧蕾，张蓓，赵永强 . 分焦平面偏振光谱成像技术研究进展［J］. 陕西师范大学学报（自然科学版）， 2025 ， 53 （ 4 ）： 82 - 93 .

HAO J L， ZHANG B， ZHAO Y Q， Research progress of division-of-focal-plane polarization spectral imaging technology ［J］. Journal of Shanxi Normal University （Natural Science Edition）， 2025 ， 53 （ 4 ）： 82 - 93 . （in Chinese）

FREUDENTHAL J ， LEADBETTER A ， WOLF J ， et al . A photoelastic modulator-based birefringence imaging microscope for measuring biological specimens ［C］. Optics in Health Care and Biomedical Optics VI. Beijing ， China. SPIE ， 2014 ： 92680 C. doi: 10.1117/12.2071271 http://dx.doi.org/10.1117/12.2071271

WANG SH ， HAN X ， LI K W . Snapshot multi-wavelength birefringence imaging ［J］. Sensors ， 2024 ， 24 （ 16 ）： 5174 . doi: 10.3390/s24165174 http://dx.doi.org/10.3390/s24165174

张玉荣，常颖，高万荣 . 偏振敏感光学相干层析成像系统中样品光偏振对样品双折射相位延迟测量的影响［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 12 ）： 205 - 214 . doi: 10.3788/aos201939.1212007 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.1212007

ZHANG Y R ， CHANG Y ， GAO W R . Effect of light polarization state on phase delay measurement induced by tissue birefringence in polarization-sensitive optical coherence tomography imaging system ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 12 ）： 205 - 214 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201939.1212007 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.1212007

王金伟，李克武，景宁，等 . 波片相位延迟量测量和快轴标定系统［J］. 红外与激光工程， 2019 ， 48 （ 2 ）： 211 - 216 . doi: 10.3788/irla201948.0217002 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.0217002

WANG J W ， LI K W ， JING N ， et al . Phase retardation measurement and fast axis calibration system for wave plate ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2019 ， 48 （ 2 ）： 211 - 216 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201948.0217002 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.0217002

LI K W ， WANG SH ， WANG Z B . Measurement of waveplate parameters over entire clear aperture based on differential frequency modulation with dual photoelastic modulators ［J］. Applied Sciences ， 2023 ， 13 （ 7 ）： 4496 . doi: 10.3390/app13074496 http://dx.doi.org/10.3390/app13074496

王爽，崔志英，冯华君，等 . 基于双弹光级联差频调制的波片参数测量研究［J］. 光子学报， 2023 ， 52 （ 11 ）： 189 - 198 .

WANG SH ， CUI ZH Y ， FENG H J ， et al . Waveplate parameter measurement based on dual photoelastic modulators cascade differential frequency modulation ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2023 ， 52 （ 11 ）： 189 - 198 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

自由运动秀丽隐杆线虫双光路观测系统

浮游植物明场与荧光双光路同步成像方法

玻璃基板的表面特征对STN-LCD显示特性的影响