CN102207613A - 点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜 - Google Patents

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张亦卓
王大勇
赵洁
杨登才
王云新
江竹青
万玉红
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Abstract

点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜，属于数字全息术技术领域。其在激光器出射端的前方安置有光纤耦合器，光纤耦合器与光纤分束器相连，光纤分束器接出两路光纤连接有光纤准直器和光纤夹持器，光纤准直器下方置有用于盛放样品的样品台，样品台连接在三维线性平移台上，样品台下方置有显微物镜的前端，显微物镜的后端的下方放置合束晶体，光纤夹持器与显微物镜对准合束晶体的两个相垂直的侧面；合束晶体下方置有CCD相机，CCD相机与计算机相连。本装置可以直接再现得到无二次相位畸变的三维再现像，而不需要再现后通过数值方法补偿再现像中存在的二次位相畸变，提高了计算效率，有利于实时观测的要求。

Description

点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜
技术领域
本发明公开了一种用电源参考光实时畸变补偿的数字全息显微镜，属于数字全息术技术领域，可用于三维形貌实时测量，生物细胞成像。
背景技术
近年来生物医学的发展，推动了在生物细胞尺度上观测技术的发展。传统的光学显微镜，不能测量生物细胞的三维形貌；而共焦显微镜虽然分辨率较高，但由于要对生物样品做标定，会对其产生影响，不利于无损观测的需要。过去的二十年中，随着光电耦合器件的飞速发展，数字全息技术实现高速发展，并广泛运用于亚微米尺度的显微领域，如集成电路检测、生物细胞实时成像等。数字全息作为一种显微成像技术，其无损、实时、可获得定量相位分布的特点恰好是其在生物样品成像上的优势。活体生物细胞一般为透明结构，因此其相位图像方能提供更多独特的信息。不同于已有的相衬成像方法，数字全息技术不需要对活体生物样品进行标记、固定等处理就可获得观察对象定量的振幅和相位分布，从而实现对透明生物样品的成像并进行定量分析。数字全息技术还可以实现对生物样品形态的动态监测，继而可能用于获取细胞动态特性、细胞间的相互作用以及细胞对药物的反应等信息，期望为早期医学诊断和药物设计等提供一定的分析评价依据。
由于显微物镜的使用，在数字全息重建过程中引入了二次位相畸变，而无法得到准确的物体信息。现在普遍采用的补偿二次畸变的方法是在计算机中实时计算出畸变模型后，从再现像中直接减去得到物体信息。该方法效率较低，并且加重了计算机的负担。在实时观测的过程中，特别是当使用像素数较多的CCD相机做高分辨率观测时，会直接导致再现速度慢。
发明内容
为了解决数字全息显微镜实时观测过程中，数值方法畸变校正导致系统速度慢的问题，本发明提出了一种电源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜。
本发明采用如下技术方案：点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜，包括有激光器5，光纤准直器1，光纤2，光纤分束器3，光纤耦合器4，光纤夹持器6，CCD相机7，合束晶体8，显微物镜9，计算机10，样品台11，三维线性平移台12，其特征在于：激光器5出射端的前方安置有光纤耦合器4，光纤耦合器4通过光纤与光纤分束器3相连，光纤分束器3接出两路光纤分别连接有光纤准直器1和光纤夹持器6，光纤准直器1下方置有用于盛放样品13的样品台11，样品台11连接在三维线性平移台12上，样品台11下方置有显微物镜9的前端，显微物镜9的后端的下方放置合束晶体8，光纤夹持器6与显微物镜9对准合束晶体8的两个相垂直的侧面；合束晶体8下方置有CCD相机7，CCD相机7与计算机10相连；
激光器5出射的光经过光纤耦合器4耦合进光纤，并被光纤分束器3分成两路：第一路是物光，通过一个光纤准直器1将光纤出射的发散球面光波准直成平行光，平行光竖直向下照射在水平放置的样品13上，穿过样品台11，显微物镜9，并通过合束晶体8后照射在CCD相机7上；另一路参考光，是直接由光纤末端出射的球面波，水平照射在合束棱镜8上，反射后与物光波干涉形成全息图被CCD相机7记录。
所述的物光经光纤准直器1准直成的平行光的直径为5mm。
所述的参考光从光纤2出射末端位置距离合束晶体8中心的距离，与显微物镜9的后焦面距离合束晶体中心的距离相等。
本发明可以取得如下有益效果：
该套发明可以直接再现得到无二次相位畸变的三维再现像，而不需要再现后通过数值方法补偿再现像中存在的二次位相畸变，提高了计算效率，有利于实时观测的要求。
附图说明
图1点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜的结构原理图；
图2实施例1中CCD相机采到的全息图
图3实施例1中全息图经过数字全息再现后在电脑里所生成的三维显示图
图4实施例1中全息图经过数字全息再现后在电脑里所生成的灰度显示图；
图5图4的中心横切面图
图6实施例2中CCD相机采到的全息图
图7实施例2中全息图经过数字全息再现后在电脑里所生成的三维显示图
图8实施例2中全息图经过数字全息再现后在电脑里所生成的灰度显示图；
图9图2中一个细胞的横切面图
图中：1、光纤准直器，2、光纤，3、光纤分束器，4、光纤耦合器，5、激光器，6、光纤夹持器，7、CCD相机，8、合束晶体，9、显微物镜，10、计算机，11、样品台，12三维线性平移台，13、样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
实施例1：
本实施例的布置方式如图1所示：
激光器5出射端的前方安置有光纤耦合器4，光纤耦合器4通过光纤与光纤分束器3相连，光纤分束器3接出两路光纤分别连接有光纤准直器1和光纤夹持器6，光纤准直器1下方置有用于盛放样品13的样品台11，样品台11下方置有显微物镜9的。。。前端，显微物镜9的。。，后端的下方放置合束晶体8，光纤夹持器6与显微物镜9对准合束晶体8的两个相垂直的侧面。合束晶体8下方置有CCD相机7。CCD相机7与计算机10相连。
激光器5出射的光经过光纤耦合器4耦合进光纤，并被光纤分束器3分成两路：第一路是物光，通过一个光纤准直器1将光纤出射的发散球面光波准直成平行光，平行光竖直向下照射在水平放置的样品13上，穿过样品台11，显微物镜9，并通过合束晶体8后照射在CCD相机7上；另一路参考光，是直接由光纤末端出射的球面波，水平照射在合束棱镜8上，反射后与物光波干涉形成全息图被CCD相机7记录；上述两路光有夹角。参考光从光纤出射末端位置，与显微物镜9的后焦面距离合束晶体中心的距离相等。
实验中用532nm绿光光源，4X显微物镜，数值孔径0.10。样品是微透镜阵列，视场中只能看到一个完整的透镜。图2所示为系统采到的全息图，图3为经过数字全息再现后在计算机中得到三维显示图，一个完整透镜和其两边两个透镜的边缘清晰可见；图4是图3的灰度显示图，图5是图四的中心切面图，可以清楚看到样品轮廓，以及该透镜的厚度和宽度定量信息。
实施例2：
本实施例的实验装置与实施例1的实验装置相同，如图1所示。
实验中用532nm绿光光源，10X显微物镜数值孔径0.25。样品是放在普通塑料培养皿中的3T3鼠源细胞。图6所示为系统采到的全息图，图7为经过数字全息再现后在计算机中得到三维显示图，可以清楚的看到视场中细胞的形貌；图8是图7的灰度显示图，可以清楚看到培养液中生长的细胞分布状态；图9是图8中一个细胞的中心剖面图，可以清楚看到该细胞的纵向厚度和横向宽度定量信息。

Claims (3)

1.点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜，包括有激光器(5)，光纤准直器(1)，光纤(2)，光纤分束器(3)，光纤耦合器(4)，光纤夹持器(6)，CC 相机(7)，合束晶体(8)，显微物镜(9)，计算机(10)，样品台(11)，三维线性平移台(12)，其特征在于：激光器(5)出射端的前方安置有光纤耦合器(4)，光纤耦合器(4)通过光纤与光纤分束器(3)相连，光纤分束器(3)接出两路光纤分别连接有光纤准直器(1)和光纤夹持器(6)，光纤准直器(1)下方置有用于盛放样品(13)的样品台(11)，样品台(11)连接在三维线性平移台(12)上，样品台(11)下方置有显微物镜(9)的前端，显微物镜(9)的后端的下方放置合束晶体(8)，光纤夹持器(6)与显微物镜(9)对准合束晶体(8)的两个相垂直的侧面；合束晶体(8)下方置有CCD相机(7)，CCD相机(7)与计算机(10)相连；
激光器5出射的光经过光纤耦合器(4)耦合进光纤，并被光纤分束器(3)分成两路：第一路是物光，通过一个光纤准直器(1)将光纤出射的发散球面光波准直成平行光，平行光竖直向下照射在水平放置的样品(13)上，穿过样品台(11)，显微物镜(9)，并通过合束晶体(8)后照射在CCD相机(7)上；另一路参考光，是直接由光纤末端出射的球面波，水平照射在合束棱镜(8)上，反射后与物光波干涉形成全息图被CCD相机(7)记录。
2.根据权利要求1所述的点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜，其特征在于：所述的物光经光纤准直器(1)准直成的平行光的直径为5mm。
3.根据权利要求1所述的点源参考光畸变补偿数字全息相衬显微镜，其特征在于：所述的参考光从光纤(2)出射末端位置距离合束晶体(8)中心的距离，与显微物镜(9)的后焦面距离合束晶体中心的距离相等。
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