CN102411298B - 一种三维实时超分辨数字全息记录方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维实时超分辨数字全息记录方法，属于三维显微成像技术领域。利用波分、角分、时分和偏振混合复用技术，通过系列光学元件将激光光源分解成不同波长且有时间间隔的两束脉冲激光，将每束脉冲激光分解成两束照射光和两束参考光，两束照射光分别从不同方向照射被测物体，使被测物体的低频和高频信息透过显微物镜到达数字相机记录面，与相应的参考光发生干涉，在数字相机一帧画面中记录到被测物体两个瞬态时刻、包含高频和低频信息的四幅数字全息图，再将记录到的图像传输到计算机中进行处理，利用图像处理系统获得三维实时超高空间分辨率再现图像。具有记录信息多、可突破成像系统极限分辨率、实现空间和时间分辨率共同提高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维实时超分辨数字全息记录方法，具体地说，是利用数字全息显微技术实现三维实时超高空间分辨率的一种成像方法，属于三维显微成像技术领域。
背景技术
数字全息显微术是近些年发展起来的一种新的显微成像技术，现已在生物细胞成像、MEMS器件和微光学器件的检测、微小物体的变形和振动测量中得到应用。它利用CCD或者CMOS等数字相机记录物体与参考光干涉形成的全息图，并利用计算机模拟衍射过程再现被记录显微物体的波前信息（相位和振幅），利用二者的数据信息能够直接获得物体的三维分布。数字全息显微术具有如下优点：（1）不需要对物体进行扫描，利用复振幅信息直接可以得到三维数据信息，因而三维分布信息的获取速度较快；（2）通过数字调焦技术，可获得待测样品各个层面的分布，不需要对物体进行切片；（3）对测量环境没有特殊要求，而且可以直接对活体生物进行成像，不需要在物体表面镀膜或者对物体染色；（4）测量范围较宽可以从毫米到亚微米。
通过十几年的发展，数字全息显微术已走出实验室逐步向产品化发展。瑞士Lyncee Tec公司开发了世界上第一部数字全息显微镜，借助它可以完成微小物体的实时记录，每秒可连续记录变形过程中15幅全息图；2009年美国专利局授权了一种可以实时记录显微物体全息图的系统，该系统采用三部激光器发出的三个不同波长的光作为光源，实时记录MEMS器件的变形过程；2008年日本研究人员在论文《Real-time digital holographic microscopy using the graphic processing unit》（Opt. Express (2008)16, 11776-11781）中，提出采用GPU实时再现动态全息图的方法，利用GPU系统显著提高了再现速度，每秒可以再现24幅全息图，但全息图的采集速度等同于CCD的采集速度；2010年印度研究人员在论文《Real-Time digital holographic microscopy for phase contrast 3D imaging of dynamic phenomena》（Journal of display technology (2010)6,500-505）中，提出的三维实时记录系统，它的记录速度也受限于CCD的采集速度。上述几种典型的数字全息实时全息记录系统，虽然都可以对显微物体进行动态记录，但它们所能达到的时间分辨率也仅为CCD的帧频，空间分辨率决定于显微物镜的数值孔径。2006年Xiaolei Wang等在论文《Pulsed digital holography system recording ultrafast process of the femtosecond order》（Opt. Lett. (2006)31, 1636-1638）以及2010年Linwei Zhu等在论文《Femtosecond off-axis digital holography for monitoring dynamic surface deformation》（Appl. Opt. (2010) 49, 2510-2518）提出的飞秒数字全息记录系统虽然可以突破CCD的帧频限制，达到飞秒量级的时间分辨率，但是这些系统的空间分辨率没有突破显微镜的分辨极限，而且它不是实时采集，只能获取几个时间点的信息。
数字全息显微术的分辨率和传统光学显微系统一样，取决于显微物镜的数值孔径（NA）以及光源的波长。当光源的波长固定，它的分辨率只与数值孔径有关，使用大数值孔径的显微物镜可以获得高分辨率的再现像，但大数值孔径的物镜会使物方视场缩小、工作距离和焦深变短，这就限制了该技术在生物、医学和材料科学方面的应用。因为在这些测量领域中，尤其是记录一些微小物体的变形或者是微生物体的运动轨迹，不仅要求实时和高分辨率，而且要求大视场和大景深。
为了克服空间分辨率与物方视场、工作距离和焦深之间的矛盾，在数字全息显微系统中引入合成孔径技术，它虽然可以克服这个矛盾，获得超过衍射极限的分辨率，但是系统不具有实时记录的能力。在文献《Single-exposure two-dimensional superresolution in digital holography using a vertical cavity surface-emitting laser source array》（Opt. Lett. (2011) 7, 1149-1151）中，V. Mico等提出了利用VCSEL光源提供的多角度照射光可以替代移动CCD，从而达到改进传统数字全息显微合成孔径系统的目的，但当被测物体频谱分布比较复杂时，很容易造成频谱混叠，因而缺乏普适性。另外，在数字全息显微记录光路中插入光栅的方法，也被文献《Super-resolution in digital holography by a two-dimensional dynamic phase grating》（Opt. Express (2008) 16, 17107-17118）报道；作为一种可以提高分辨率的方法，它不仅结构简单，而且具有较高普适性，但是为了避免频谱混叠，需要对物体的尺寸以及频谱范围进行限制，进而物方视场也受限。
总之，尽管现有的数字全息显微系统可以独立拥有超高的空间分辨率，或者较高的时间分辨率，但都没能在空间分辨率和时间分辨率的提高方面取得统一。
发明内容
本发明的目的是针对已有数字全息显微系统不能同时具有高时间、高空间分辨率、大视场和大景深的缺点，提供一种三维实时超分辨数字全息记录方法，采用波分、角分、时分和偏振混合复用技术，在数字相机的同一帧画面中同时记录包含两个瞬态时刻、包含每个瞬态时刻高、低频信息的四幅全息图，使数字全息显微系统同时具有高时间、空间分辨率、大视场、长工作距离和大景深的特点。
本发明描述的三维实时超分辨数字全息记录方法是这样实现的：采用飞秒级脉冲激光为光源，利用波分、角分、时分、偏振复用技术构建实时超高分辨率记录系统，把两束不同波长且有一定输出时间间隔的脉冲激光作为入射光，把每束入射光分别分解成两束照射光和两束参考光，再将每束入射光分解成的两束照射光分别从不同方向照射被测物体，使被测物体的低频和高频信息都能透过显微物镜到达记录面，并与相应的参考光发生干涉，形成包含被测物体两个时刻的高频和低频信息的四幅数字全息图像，将实时记录的全息图像传输到计算机中进行处理，利用计算机图像处理系统获得三维实时超高空间分辨率的再现图像。
所述三维实时超分辨数字全息记录方法的具体过程是：利用倍频晶体、二向色镜、光程延迟系统（反射镜组合）和非偏振分束镜，将飞秒脉冲激光器发出的脉冲分割成不同波长且相差一定时间输出的两束脉冲，其中一束保持原波长，另一束波长为原波长的1/2倍；然后使用偏振分束镜、系列非偏振分束镜和反射镜，利用复用技术构建记录系统，该系统先后将不同波长的两束脉冲激光中的每一束进一步分解成两束参考光和两束照射光，并将两束照射光中的一束沿物体平面法线方向照射被测物体、另一束与法线呈一定夹角照射被测物体；随后利用显微物镜将物体放大，得到分别携带物体高、低频信息的物光并投射到数字相机CCD的记录面上，与到达该面的相应参考光发生干涉并形成全息图；将两束脉冲激光输出的时间差控制在50fs～33ps范围内，使前后两个脉冲光到达数字相机CCD感光面的时间在CCD的一帧积分时间内，并保证在CCD同一帧画面内记录到的四幅全息图不发生相互混叠；将CCD连续记录到的图像传输到计算机中，利用计算机图像处理系统将每帧记录到的四幅全息图相互分离，再通过数字滤波、衍射计算并合成，获得三维实时超高空间分辨率的再现图像。
所述飞秒脉冲激光光源的中心波长为775～1030nm，具体根据实际需要，在给定范围内选择。长波长脉冲的中心波长为短波长脉冲中心波长的2倍，长波长脉冲激光由飞秒脉冲激光器直接提供，短波长激光脉冲由倍频晶体倍频长波长脉冲激光产生。
所述分别从不同方向照射被测物体的两束照射光中，一束沿物体平面的法线方向照射被测物体、另一束与物平面法线呈sin-1（NA）照射被测物体；即，照射被测物体的光束与物体平面法线的夹角为sin-1（NA），NA是显微物镜的数值孔径。长、短波长两束脉冲激光的输出时间差根据实际需要，在50fs～33ps范围内选择，保证所述的四幅全息图记录在数字相机CCD的一帧画面中，并且要求该间隔大于激光脉冲的宽度。这样，系统的实时记录速度是CCD采集速度的一倍，而时间分辨率可达到飞秒或者皮秒量级。
所述倍频晶体是可在透过原长波波长脉冲激光的同时产生另一波长为1/2原波长的短波脉冲激光、倍频效率为30%～70%的非线性光学晶体。即，使用该倍频晶体可产生一束频率为原脉冲频率的一倍、也即波长为原波长一半的脉冲激光，由于它的倍频效率在30%～70%范围内，原波长的脉冲激光也将以70%～30%的比例直接透过该非线性光学晶体。
本发明可以通过三维实时超分辨数字全息记录系统实现，该系统包括入射光产生系统和记录系统两个部分。入射光产生系统包括飞秒级脉冲激光器1，能按一定比例产生另一波长脉冲激光的倍频晶体2，对两波长脉冲激光中某一波长脉冲激光进行反射、同时允许另一波长脉冲激光直接透过的二向色镜3，用于延长两波长脉冲激光中某一波长脉冲激光光程的光程延迟系统（反射镜组合4和5），将长、短两波长脉冲激光汇合成一个方向传播的非偏振分束镜6。记录系统包括可将进入该系统的毎束入射脉冲激光分成两束偏正方向沿X和Y方向、相互垂直的线性偏振光的偏振分束镜7，位于偏振分束镜7与反射镜 9和12之间、将来自偏振分束镜7的沿X方向水平偏正的光束分成参考光A和照射光B的非偏振分束镜8，位于非偏振分束镜8与被测物体13之间、将照射光B反射后沿一定方向照射被测物体13的反射镜12；位于偏振分束镜7与反射镜 16和17之间、将来自偏振分束镜7的沿Y方向垂直偏正的光分成照射光C和参考光D的非偏振分束镜15，位于被测物体13与非偏振分束镜15之间、将照射光C反射后沿另一方向照射被测物体13的反射镜17；将参考光A和D反射后射向非偏振分束镜10的反射镜9和16；位于被测物体13和非偏振分束镜10之间、将物光放大的显微物镜14,将来自显微物镜14且分别携带物体高、低频信息的物光和来自反射镜9、16的参考光A和D投射到数字相机CCD记录面并干涉形成全息图的非偏振分束镜10，用于记录来自非偏振分束镜10的物光和参考光所形成全息图的数字相机CCD11，以及计算机三维数字全息图像处理再现系统构成。
飞秒脉冲激光器1采用可输出中心波长为775～1030nm、脉冲宽度在飞秒量级的脉冲光的激光器。倍频晶体2为可在透过原长波波长脉冲激光的同时产生另一波长为1/2原波长的短波脉冲激光、倍频效率为30%～70%的非线性光学晶体。
光程延迟系统包括可使两波长脉冲激光中某一波长脉冲激光到达记录系统的时间滞后或超前于另一波长脉冲激光的反射镜4和5。反射镜4和5分别与二向色镜3和非偏振分束镜6相对应，反射镜4、5之间的间距及它们与二向色镜3和非偏振分束镜6之间的距离需保证两脉冲激光的时间差为50fs～33ps，具体延迟输出时间在给定范围内根据实际需要确定。
两块反射镜4和5可用一块屋脊棱镜代替，根据短波长脉冲滞后或超前长波长脉冲的实际需要，反射镜4、5或屋脊棱镜可选择性地置于入射光产生部分的长波长脉冲激光光程或短波长脉冲激光光程中。两波长脉冲激光中某一波长脉冲激光在二向色镜3、反射镜4、5以及非偏振分束镜6之间的反射过程中经历较长的光程，而另一波长脉冲激光直接透过二向色镜3和非偏振分束镜6，经历的光程较短。两不同波长脉冲经历的光程差决定了输出时间差，其中某一波长脉冲激光滞后于另一波长激光脉冲到达记录系统，它们的时间间隔在飞秒到皮秒量级之间，可使其后所形成的四幅全息图记录在数字相机CCD的一帧画面中。
分别从不同方向照射被测物体的两束照射光B和C中，照射光B沿物体平面的法线方向照射被测物体13、照射光C与物平面法线呈sin-1（NA）角度照射被测物体13。照射光C的具体照射角度根据实际需要，由选定的显微物镜14的数值孔径决定。
非偏振分束镜6、7、8、10、15均为直透光与反射光分光比为1:1的普通宽光谱分光棱镜，反射镜4、5、9、12、16和17均为普通宽光谱、高反射率反射镜，显微物镜14为可在记录前对被记录物体进行预先放大的小数值孔径、大视场、长距离和焦深的物镜，数字相机CCD11为普通黑白面阵型数字相机。非偏振分束镜6、7、8、10、15和反射镜9、12、16和17的光谱范围与激光光源的光谱范围相适应可在不改变光原有偏振状态的情况下，对通过它们的中心波长为387～1030nm激光脉冲进行分束或高效率反射。
本方法和系统使用时，飞秒激光器1输出波长较长的激光脉冲，该光透过倍频晶体2（如：BBO，KTP等）后，由于倍频晶体的非线性效应，在直接透过部分波长较长的激光脉冲同时，还将产生中心波长为原波长的一半的另一激光脉冲；不同波长的两束激光脉冲同时射向二向色镜3，其中，波长较长的脉冲将直接透过二向色镜3和非偏振分束镜6，进入记录系统部分；而短波长脉冲将被二向色镜3反射，依次被第一块反射镜4、第二块反射镜5和非偏振分束镜6反射后，形成飞秒到皮秒量级的输出时间差，两束脉冲将先后进入记录系统部分。
因波长较长的激光脉冲经历的光程短，它将先于波长较短的激光脉冲进入记录系统，它将被偏振分束镜7分解成两束线偏振光，分别沿水平X和垂直Y方向偏振。沿水平X方向偏振的激光脉冲被非偏振分束镜8分束后形成A和B两束光，A光束被反射镜9和非偏振分束镜10反射后射向数字相机CCD11，B光束被反射镜12反射后依次水平透过被测物体13、显微物镜14和非偏振反射镜10，射向CCD11，与A光束发生干涉形成第一幅全息图。沿垂直Y方向偏振的激光脉冲被非偏振分束镜15分束后形成C和D两束光，D光束被反射镜16和非偏振分束镜10反射后射向CCD11，C光束被反射镜17反射后倾斜照射被测物体13、再透过显微物镜14和非偏振反射镜10，射向CCD11，与D光束发生干涉形成第二幅全息图。波长较短的激光脉冲经飞秒到皮秒的时间延迟后进入记录系统部分，并沿着与波长较长脉冲光相同的路径传播，最终形成第三幅和第四幅全息图。两个瞬态时刻同一动态过程的四幅全息图，均由数字相机CCD11复合记录在一帧画面中，并传输到计算机中进行数字再现，通过对复合全息图频域滤波处理，将高频和低频信息相互分离，合成复振幅从而获得三维超高时间和空间分辨率再现图像。
本发明通过控制不同波长两束激光脉冲的延迟时间，保证了四幅全息图记录在数字相机CCD的一帧画面中。同时，由于采用偏振复用技术，使得在一个瞬态时刻下记录到的包含高频和低频信息的全息图相互之间不发生干扰；采用时分复用技术，保证两个瞬态过程的两组全息图（每组包括一幅高频信息全息图和一幅低频信息全息图）相互之间不发生干扰；采用角分和波分复用技术，保证了记录在一帧画面中的四幅全息图的再现像不发生混叠。
本发明实现了超高空间分辨率的实时三维成像，与现有技术相比具有如下优点：
（1）由于本发明只使用一部激光器，较使用多部激光器的方法和系统来说，更加简洁；
（2）用同轴光和离轴光同时照射物体，可以保证CCD能同时记录到物体高频和低频信息，保证了在显微物镜的数值孔径不大的情况下，也能获得在系统截止频率以外的物体信息，保证了系统具有很高的分辨率而且具有大视场和景深；较只能记录到物体的低频或者高频信息的传统方法相比，可以记录到更多的物体信息，并且空间分辨率能突破成像系统的极限分辨率，可以实现空间和时间分辨率的共同提高，完成三维超高空间分辨率的再现；
（3）利用偏振方向不同而且到达CCD时间不同的四组参物光组，可以保证四幅全息图以非相干的形式记录在CCD上而不相互干扰；
（4）通过控制波长较长和较短两束激光脉冲的光程（时间）差，可以实时记录微小物体的变化过程，实时记录速度高于CCD的采集速度，而且可以捕捉在飞秒到皮秒量级瞬态变化的信息。
附图说明
图1为本发明三维实时超分辨数字全息记录方法和系统示意框图；
图2为本发明三维实时超分辨数字全息记录系统中入射光产生系统示意图。
图中：1-飞秒激光器，2-倍频晶体，3-二向色镜，4-第一反射镜，5-第二反射镜，6-非偏振分束镜，7-偏振分束镜，8-非偏振分束镜，9-反射镜，10-非偏振分束镜，11-数字相机CCD，12-反射镜，13-被测物体，14-显微物镜，15-非偏振分束镜，16-反射镜，17-反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1：如图1、2所示，该三维实时超分辨数字全息记录方法是这样实现的：首先采用波分、角分、时分和偏振复用技术，利用倍频晶体、二向色镜、反射镜组合和非偏振分束镜，将一束中心波长为800nm的飞秒激光脉冲分成两个具有不同波长且有输出时间差的两个短脉冲，并将二者作为记录系统的入射光；长波长脉冲的中心波长为800nm，短波长脉冲的中心波长为400nm，波长400nm的激光脉冲滞后于波长为800nm的激光脉冲到达记录系统，它们经历的光程差为15μm，即其输出的时间间隔为50fs。然后采用复用技术，利用偏振分束镜、系列非偏振分束镜和反射镜，先后将两束激光脉冲中的每一束分解成不同方向的两束参考光和两束物体照射光，并将两束照射光中的一束沿物体平面法线方向照射被测物体、另一束与法线形成7o夹角倾斜照射被测物体，其中，NA为显微物镜数值孔径；随后利用显微物镜将物体放大，得到分别携带物体高、低频信息的物光并投射到数字相机CCD的感光面上（显微物镜将物体放大的像成于CCD前，由于成像系统的孔径限制，垂直照射物体和倾斜照射物体的光分别使携带被测物体的低频和高频信息的两束物光通过非偏振分束镜），与到达数字相机CCD记录面（靶面）上相应的参考光发生干涉，并在数字相机CCD的同一帧画面内、复合形成包含两个瞬态时刻（同一动态过程）物体的高频和低频信息的四幅互不干扰与混叠的全息图。将数字相机CCD记录的画面传输到计算机中进行数字图像处理和数字再现，通过对复合全息图频域滤波处理，将高频和低频信息相互分离和合成，获得三维超高时间和空间分辨率再现图像。
该三维实时超分辨数字全息记录方法所使用的系统，包括入射光产生系统和记录系统两个部分。入射光产生系统由激光脉冲发生器1，改变入射激光脉冲波长的倍频晶体2，能将来自倍频晶体2的两不同波长激光脉冲分开并具有输出时间差的二向色镜3，反射镜4和5以及非偏振分束镜6；记录系统包括将进入该系统（来自于非偏振分束镜6）的毎束入射的激光脉冲分解成水平X方向和垂直Y方向线偏振光束的偏振分束镜7，位于偏振分束镜7与反射镜 9之间、将来自偏振分束镜7沿X方向偏振光分解成参考光A和照射光B的非偏振分束镜8，位于非偏振分束镜8与被测物体13之间、将照射光B反射后垂直于物体平面（沿物体平面的法线方向）照射被测物体13的反射镜12；位于偏振分束镜7与反射镜 16和17之间、将来自偏振分束镜7的沿Y方向偏振的光分解成照射光C和参考光D的非偏振分束镜15，位于被测物体13与非偏振分束镜15之间、将照射光C反射后倾斜sin-1（NA）照射被测物体13的反射镜17，将参考光A和D反射后射向非偏振分束镜10的反射镜9和16，位于被测物体13和非偏振分束镜10之间、将物光放大后射向非偏振分束镜10的显微物镜14,将来自显微物镜14的低频信息（垂直物光产生）和高频信息（倾斜物光产生）与来自反射镜9、16的参考光A和D汇合的非偏振分束镜10，用于记录来自非偏振分束镜10的参考光（A和D）和物光（携带物体低频和高频信息）干涉图像的数字相机CCD11，以及普通计算机三维数字全息图像处理再现系统构成。
该使用系统中，激光器1为输出中心波长为800nm、脉冲间隔为35fs的Tsunami 3941-35型飞秒激光振荡器，倍频晶体2为可使原输入脉冲激光频率提高两倍，也就是使通过它的激光波长变为原有波长的1/2倍的BBO偏硼酸钡晶体（尺寸为：0.01 mm×7mm×4mm，晶体响应波长范围为189-3500nm、倍频效率约为40%）。所产生的激光脉冲光学延迟由一块二向色镜3、反射面对称放置的两块反射镜4、5以及一块非偏振分束镜实现，二向色镜是具有两向色性的分光板，其对波长为400nm的光具有高反射率、对800nm的光具有较高的透过率，通过反射过程延长中心波长400nm的激光脉冲经历的光程，它将滞后于波长为800nm的激光脉冲50fs输出，保证其后所形成的四幅全息图记录在数字相机CCD的一帧画面中，时间间隔可以通过改变光程差长短调整。非偏振分束镜6、7、8、10、15均为分光比为1:1的普通直透光与反射光宽宽带偏振分光棱镜，它能够将中心波长为800nm和400nm的入射光分别分成两束光，但是不改变其偏振方向，保持其原有偏振方向；反射镜9、12、16和17为能对近红外800nm的长波长激光和400nm的较短波长的光具有大于90%反射率的保护银反射镜；显微物镜14为可在记录前对被记录物体进行预先放大的普通小数值孔径、大视场、长工作距离和深焦物镜（NA=0.12，3×），因此倾斜照射物体的光束与物平面法线的夹角sin-1（NA）=7o；数字相机CCD11为用于记录全息图的普通黑白面阵型CCD，可以选用PIKE F-505B型CCD，其感光面尺寸为8.5 mm×7.1mm，像素为2452×2054，像元尺寸为3.45μm×3.45μm，帧频为每秒15幅，电子快门70μs-67s，按照每帧画面可以记录两个时间点信息的特点，每秒可以记录30幅全息图，可实现高速实时采集。
在该方法和系统中，由于飞秒激光器1输出的中心波长为800nm的激光，直接射向BBO晶体2，由于晶体的非线性效应，飞秒激光透过BBO晶体后，将产生400nm的倍频激光脉冲，但由于BBO的倍频效率（40%）不能达到100%，因此，800nm的激光脉冲也以60%的比例透过BBO晶体，两波长的脉冲激光将同时射向二向色镜3。400nm的激光脉冲将被二向色镜3反射，经过一定的光路延迟后，依次被第一块反射镜4、第二块反射镜5以及被非偏振分束镜6反射后，将进入记录系统部分，通过调整两块反射镜的位置，控制波长为800nm和400nm激光脉冲的时间间隔为50fs；另外一束800nm的脉冲光将直接透过二向色镜3和透过非偏振分束镜6，将直接进入记录系统部分。
由于中心波长为800nm的脉冲经历的光程短，因此该束光将在t时刻进入记录系统部分，该束脉冲将被偏振分束镜7分成两束偏振方向相互垂直的线性偏振光（即，一束沿x方向偏振，另一束沿y方向偏振）。
沿x方向偏振的脉冲光，被非偏振分束镜8分成两束光（A和B），A光束被反射镜9和非偏振分束镜10反射后射向CCD11。在CCD记录平面（x-y面）上，A光束的分布可以表示成：
（1）
其中：，是参考光束A与x轴的夹角，l1=800nm。B光束被反射镜12反射后，透过物体13和显微物镜14，在显微物镜后得到一个物体放大的实像，这个光场经反射镜10反射后，也将射向CCD11，当放大像和CCD之间的距离满足菲涅耳近似条件，B光束在CCD记录平面上的分布可以表示成：
（2）
其中，t(x, y)是放大后的物体所成实像的复振幅分布，h(x, y)是系统点扩散函数，是二维卷积。
沿y方向偏振、波长为800nm的脉冲光，被非偏振分束镜15分束后形成两束光（C和D），其中C光束被反射镜16和非偏振分束镜10反射后，射向记录介质CCD11，C光束在CCD记录面上的分布可以表示为：
（3）
其中，，是参考光束C与y轴的夹角。
D光束被反射镜17反射后，将倾斜照射被测物体13、而后透过显微物镜14和非偏振反射镜10，射向CCD11，D光束在CCD记录面上的分布可以表示为：
（4）
其中，为倾斜照射物体的光波的复振幅分布。从式可以看出，倾斜照射物体会使物光场发生平移，依据角谱理论可知，CCD所能记录到的物体频谱范围也将发生变化，原来记录不到的频谱信息，会因为使用了倾斜照射，进入到CCD记录范围之内，通过控制倾斜照射的角度，传统照射方式记录不到的高频信息可以被记录。通过合成高频和低频信息，相当于系统的数值孔径由NA扩大到2NA，因此系统的空间分辨率会提高一倍，甚至超出了系统的极限分辨率。
中心波长400nm的高频光经历一定时间延迟Dt=100 fs后（Dt=DL/c, DL是光程差，c是光速，DL=30μm），即t+Dt时刻，进入记录系统部分，这束脉冲将被偏振分束镜7分成沿x方向偏振和沿y方向偏振的两束线性偏振光。
沿x方向偏振的脉冲光，被非偏振分束镜8分成两束光（A和B），A光束被反射镜9和非偏振分束镜10反射后射向CCD11。在CCD记录平面（x-y面）上，A光束的分布可以表示成：
（5）
其中，l2=400nm。B光束被反射镜12反射后，透过物体13和显微物镜14，在显微物镜后得到一个物体放大的实像，这个光场经反射镜10反射后，也将射向CCD11，当放大像和CCD之间的距离满足菲涅耳近似条件，B光束在CCD记录平面上的分布可以表示成：
（6）
沿y方向偏振，波长为400nm的脉冲光，被非偏振分束镜15分束后形成两束光（C和D），其中C光束被反射镜16和非偏振分束镜10反射后，射向数字相机CCD11，C光束在CCD记录面上的分布可以表示为：
（7）
D光束被反射镜17反射后，将倾斜照射被测物体13、而后透过显微物镜14和非偏振反射镜10，射向CCD11，D光束在CCD记录面上的分布可以表示为：
（8）
其中，为倾斜照射物体的光波的复振幅分布。
若400nm和800nm之间的时间间隔在CCD一帧画面的积分时间内，八束光将会将会先后到达CCD，但由于偏振方向相互垂直的两束光，以及达到时间不同的两束光之间也不能发生干涉，因此，八束光之间，只能形成四幅全息图。
（9）
其中，I1、I2、I3和I4代表四幅全息图的强度分布。
再现中，对复合全息图进行傅里叶变换，I1和I2参考光的载波频率分别在x和y方向， I1和I2的正负一级再现像的中心分别位于频域的横坐标和纵坐标轴上，因此，它们的再现像在频域不会相互干扰。I3和I4的正负一级像也是同样的情况，它们在频域里也不会相互干扰。
由于中心波长为800nm和400nm激光脉冲的波长相差一倍，则两个波长形成的干涉条纹频率也会相差一倍，因此，I1和I2以及I3和I4的频谱分布在频域中不会发生频谱重叠。
通过频域滤波，可以将t时刻记录在I1和I2全息图中的正一级频谱信息滤出来，再通过傅里叶逆变换和相位校正，将两复振幅相加，获得了该时刻超高分辨率的再现像的复振幅分布。同样，通过频域滤波，可以将t+Dt时刻记录在I3和I4全息图中的正一级频谱信息滤出来，再通过傅里叶逆变换和相位校正，将两复振幅相加，获得第二个时刻的超高分辨率再现像的复振幅分布。由于Dt=100fs在飞秒到皮秒范围内（CCD的一帧积分时间内），所以该方法与系统可以捕捉瞬态变化信息。通过对复振幅取模平方可以获得再现像的强度分布，通过取复振幅的幅角可以获得其相位信息，综合相位和振幅信息可以得到不同时刻的被记录物体的三维信息。这样，CCD一帧画面上可以记录四幅全息图，也就是两个瞬态时刻的超高分辨率的三维信息，通过CCD连续采集，将会得到微小物体变化过程高分辨率、大视场，实时三维分布图像。
实施例2：如图1、2所示，该三维实时超分辨数字全息记录方法的具体过程与实施例1相同。两入射脉冲激光的中心波长分别为1030nm和515nm，不同波长脉冲达到记录系统的时间间隔控制为800fs。两束照射物体的光，一束沿垂直于物体平面的方向照射被测物体、另一束倾斜12o照射被测物体。
该三维实时超分辨数字全息记录方法所使用的系统与实施例1相同。所用激光器1为输出激光脉冲中心波长为1030nm、脉冲时间间隔小于100fs的ORANGE型掺镱光纤振荡器，倍频晶体2为可使原输入脉冲激光频率提高两倍，也就是使通过它的激光波长变为原有波长的1/2倍的KTP磷酸钛氧钾（尺寸为：2mm×5mm×5mm，晶体响应波长范围为350-4500nm、倍频效率约为70%）。所产生的激光脉冲光学延迟由一块二向色镜3、反射面对称放置的两块反射镜4、5以及一块非偏振分束镜6实现，二向色镜是具有两向色性的分光板，其对波长为515nm的光具有高反射率、对1030nm的光具有较高的透过率，通过反射过程延长中心波长515nm的激光脉冲经历的光程，它们经历的光程差为240μm,使其滞后于波长为1030nm的激光脉冲800fs输出。非偏振分束镜和反射镜的布置使每两束照射光中的一束沿垂直于物体平面的方向照射被测物体，另一束倾斜12o照射被测物体。非偏振分束镜6、7、8、10和15均为分光比为1:1的普通直透光与反射光宽宽带偏振分光棱镜，它能够将波长较长的脉冲激光1030nm和波长较短的脉冲激光515nm的入射光分成两束光，但是不改变其偏振方向，保持其原有偏振方向；反射镜4、5、9、12、16和17为能对近红外1030nm的光和515nm的光具有大于95%反射率的保护银反射镜；显微物镜14为可在记录前对被记录物体进行预先放大的普通小数值孔径、大视场、长工作距离和深焦物镜（5×NA：0.2）；倾斜照射物体的光束与物平面法线的夹角sin-1（NA）=12o；数字相机CCD11为用于记录全息图的普通黑白面阵型CCD，可选用Prosilica EC1600，其感光面尺寸为7.2 mm×5.4 mm，像素为1620×1220，像元尺寸为4.4μm×4.4μm，帧频为每秒15幅，电子快门10μs～10s，按照每帧画面可以记录两个时间信息的特点，每秒可以记录30幅全息图。
实施例3：如图1、2所示，该三维实时超分辨数字全息记录方法的具体过程与实施例1相同。两入射脉冲激光的中心波长分别为775nm和387nm，不同波长脉冲达到记录系统的时间间隔控制为33ps，每两束照射光中的一束沿垂直于物体平面的方向照射被测物体、另一束倾斜16o照射被测物体。
该三维实时超分辨数字全息记录方法所使用的系统与实施例1相同。所用激光器1为输出激光脉冲中心波长为775nm、脉冲时间间隔小于150fs的Clarke-MXR CPA2010型飞秒激光振荡器，倍频晶体2为可在透过775nm高频激光脉冲的同时、产生另一波长频率为387nm的低频激光脉冲的LBO三硼酸锂晶体（尺寸为：5mm×3mm×8mm，晶体响应波长范围为160～2600nm、倍频效率约为30%）；所产生的激光脉冲光学延迟由一块二向色镜3、一块屋脊棱镜以及一块非偏振分束镜6实现，二向色镜是具有两向色性的分光板，其对波长为387nm的光具有高反射率、对775nm的光具有较高的透过率，通过反射过程延长中心波长387nm的激光脉冲经历的光程，使其滞后于波长为775nm的激光脉冲33ps输出。非偏振分束镜和反射镜的布置使每两束照射光中的一束沿垂直于物体平面的方向照射被测物体，另一束倾斜16o照射被测物体。非偏振分束镜6、7、8、10和15均为分光比为1:1的普通直透光与反射光宽宽带偏振分光棱镜，它能够将波长较长的脉冲激光775nm和波长较短的脉冲激光387nm的入射光分成两束光，但是不改变其偏振方向，保持其原有偏振方向；反射镜9、12、16和17为能对近红外775nm的光和387nm的光具有大于90%反射率的保护银反射镜；显微物镜14为可在记录前对被记录物体进行预先放大的普通小数值孔径、大视场、长工作距离和深焦物镜（NA：0.28,10×）；倾斜照射物体的光束与物平面法线的夹角sin-1（NA）=16o；数字相机CCD11为用于记录全息图的普通黑白面阵型CCD，型号为：Basler Scout scA1390-17 单色相机，其感光面尺寸为6.4mm×4.8mm，像素为1392×1040，像元尺寸为4.65μm×4.65μm，帧频为每秒17幅，按照每帧画面可以记录两个时间信息的特点，每秒可以记录34幅全息图。
Claims (4)
1.一种三维实时超分辨数字全息记录方法，其特征在于：采用飞秒级脉冲激光为光源，利用波分、角分、时分和偏振复用技术构建实时超高分辨率记录系统；先通过系列光学元件将光源发出的激光分解成一束波长为另一束波长的2倍，并且输出的时间差控制在50fs～33ps范围内的两束脉冲激光，再将每束脉冲激光分解成两束照射光和两束参考光，两束照射光和两束参考光为偏振方向相互垂直的线性偏振光，且一束沿物体平面的法线方向照射被测物体、另一束与物体平面法线呈sin-1（NA）照射被测物体，使被测物体的低频和高频信息都能透过显微物镜到达数字相机CCD的记录面，并与相应的参考光发生干涉，在CCD一帧画面中记录到被测物体两个瞬态时刻、包含高频和低频信息的四幅数字全息图，其中NA是显微物镜的数值孔径；将CCD实时记录到的图像传输到计算机中进行处理，利用计算机图像处理系统获得三维实时超高空间分辨率的再现图像。
2.根据权利要求1所述的三维实时超分辨数字全息记录方法，其特征在于具体方法是：利用倍频晶体、二向色镜及光程延迟系统和非偏振分束镜，将飞秒脉冲激光器发出的脉冲分割成不同波长且相差一定时间输出的两束入射脉冲光，其中一束保持原波长，另一束的波长为原波长的1/2倍；然后使用偏振分束镜、系列非偏振分束镜和反射镜，利用复用技术构建记录系统，该系统先后将不同波长的两束脉冲激光中的每一束进一步分解成两束参考光和两束照射光，并将两束照射光中的一束沿物体平面法线方向照射被测物体、另一束与法线呈一定夹角照射被测物体；随后利用显微物镜将物光放大，得到分别携带物体高、低频信息的物光并投射到数字相机CCD的记录面上，与到达该面的相应参考光发生干涉并形成全息图；将两束脉冲激光输出的时间差控制在50fs～33ps范围内，使前后两个脉冲光到达数字相机CCD感光面的时间在CCD的一帧积分时间内，并保证在CCD同一帧画面内记录到的两个瞬态时刻、包含物体高频和低频信息的四幅全息图不发生相互混叠；将CCD连续记录到的图像传输到计算机中，利用计算机图像处理系统将每帧记录到的四幅全息图相互分离，再通过数字滤波、衍射计算并合成，获得三维实时超高空间分辨率的再现图像。
3.根据权利要求1或2所述的三维实时超分辨数字全息记录方法，其特征是：飞秒脉冲激光光源的中心波长为775～1030nm；由激光器发出的光将被分割成两束不同波长的入射光，其中，长波长脉冲激光由飞秒脉冲激光器直接提供，短波长脉冲激光则由倍频晶体倍频长波长脉冲产生，长波长脉冲的中心波长为短波长脉冲中心波长的2倍。
4.根据权利要求2或3所述的三维实时超分辨数字全息记录方法，其特征在于：倍频晶体是可在透过原长波波长脉冲激光的同时产生另一波长为1/2原波长的短波脉冲激光、且倍频效率为30%～70%的非线性光学晶体。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20141105 Termination date: 20161130 |