CN102576209B - 离轴数字全息显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离轴数字全息显微镜的干涉仪(15)，所述干涉仪(15)包括：‑记录平面(10)；‑光栅(G)，位于与所述记录平面(10)光学共轭的平面内，所述光栅(G)限定第一光路和第二光路，所述光路对应于不同的衍射级。

Description

离轴数字全息显微镜

技术领域

本发明涉及一种离轴干涉仪及其在设备中的使用，以及一种用于离轴数字全息显微镜的方法。

背景技术

在现有技术的干涉仪中，入射光束通常分割为目标光束和参考光束，然后重新合并到记录平面上，在该记录平面上，目标光束和参考光束干涉产生干涉条纹。这样的装置的目的是测量光的复幅度(即，相位和幅度信息)。

通常，在这样的测量中使用的光具有高相干性，比如激光器产生的光。这有若干缺点，比如相干噪声(散斑场)的出现以及与高相干光源相关联的高成本。

在很多情形中，在目标光束和参考光束之间引入小的角度以便获得低频空间外差条纹，比如US7002691中所公开的。由于干涉仪轴和干涉光束之一之间的非零角度，因此这类配置通常被称为离轴配置。

在这样的离轴配置中，必须使用高相干入射光来观察干涉：如果参考光束和目标光束之间的路径长度差大于入射光束的相干长度，则无法观察到任何干涉，从而丢失相位信息。

这意味着，对于时间部分相干光，由小角度在记录平面上的不同位置处引入的路径长度的差可能足以破坏相干性，因此将只能在保持相干性的部分记录平面中观察到干涉。

一般而言，相位和幅度(或复幅度)信息的记录是全息技术、更具体地是数字全息显微镜(DHM)的基础。在DHM中，使用电荷耦合器件(CCD)摄像机来记录全息图，并且由计算机执行对所观察的样本的三维模型的重构。通过使用干涉仪来获得全息图。该过程提供了用于对厚样本的深度图像逐片地重聚焦的高效工具。对于作为生物样本的观察的多种应用，DHM允许获得定量相衬成像。深度重建能力使得DHM成为用于实现三维(3D)速度仪的有力工具。由于数字全息术提供复幅度，因此实现了有力的处理方法，比如自动重聚焦、像差补偿、3D图样识别、分离和边界处理。

采用分离的目标光束和参考光束的数字全息术的原理，包括从所记录的目标光束和参考光束之间的干涉图样中提取目标光束的复幅度信息。然后，复幅度信息可以被处理用于计算数字重聚焦以及用于执行定量相衬成像。存在两种主要配置类型：在线配置和离轴配置。

通常通过使用干涉仪比如马克-增德(Mach-Zehhder)干涉仪和迈克尔逊(Michelson)干涉仪获得复幅度。

在在线配置中，如L.Yamaguchi等人在“phase-shifting digitalholography”,Opt.Lett.22,1268-1270(1997)中所公开的，入射在摄像机传感器上的参考光束和目标光束之间的角度尽可能小。复幅度的计算需要相位步进方法，其中，随着在目标光束和参考光束之间引入小的光路变化来记录若干个干涉测量图像。通过将若干个干涉测量图像实现为公式来计算光相位信息。

在线配置的主要缺点是需要顺序记录若干个干涉测量图像，由于摄像机帧速率这限制了获取速度。实际上，在花费若干帧记录的时间的完成获取期间目标必须保持静止。

在离轴配置中，比如US 6,525,821和Takeda等在“Fourier-transformmethod of fringe-pattern analysis for computer-based topography andinterferometry,”J.Opt.Soc.Am.72,156-160(1982)中所公开的，在目标光束和参考光束之间存在非零平均角度，这使得能够仅根据一个记录的干涉测量图像来计算复幅度。对于在线配置，这是一个用于快速变化的现象的分析的决定性优点。但是，在那些配置中使用马克-增德干涉仪或迈克尔逊干涉仪要求高时间相干性的光源。否则，由于在目标光束和参考光束之间的视场上的可变光延迟，导致条纹调制不是恒定的。

如Dubois等在“Improved three-dimensional imaging with digitalholography microscope using a partial spatial coherent source”Appl.Opt.38,7085-7094(1999)所公开的，部分相干光源的使用通过减小相干假象(artefact)噪声改善了全息记录的质量，最有效的噪声减小是通过使用空间部分相干光源获得的。这种类型的光源是通过降低激光光束的相干性质获得的，或者是通过由光过滤系统来提高比如发光二极管的非相干源的空间相干性获得的。

采用用于降低激光的空间相干性的通常设置，激光光束聚焦到接近于移动的毛玻璃。对于给定位置的毛玻璃，透射过样本的光是散斑场。当毛玻璃移动时，且假定曝光时间足够长以获得平均效果，可以看出这种类型的源等效于其空间相干距离等于平均散斑场的空间部分相干光源。这种用于制备光源的方法保持了高度的时间相干性，这使得能够采用离轴方法。但是，当要求短的曝光时间时，产生光源波动。实际上，难以实现足够快地移动毛玻璃来记录要求短曝光时间的动态目标。

采用提高非相干光源或者非激光光源的空间相干性的设置，保持了时间非相干性质。在这样的情形中，不可能实现离轴配置，也不可能在单个帧中记录全部的复幅度信息。

关于样本的放置，可以限定两种主要类型的配置：如EP 1631788中所公开的差分配置，其中样本位于干涉仪之前；以及如EP 1399730中所限定的经典配置，其中样本位于干涉仪的一个臂上。

在文章“resolution-enhanced approaches in digital holography”(OpticalMeasurement systems for Industrial inspection VI,Proc.Of SPIE,Vol.7389,738905-1)中，Paturzo等公开了一种装置，其中使用光栅以提高分辨率。在所公开的设置中，使用若干衍射光路来增大光学系统的数值孔径。那些不同的衍射光路离轴撞击记录平面，但是，不保持空间和时间相干性。如将要在本发明的具体实施方式中所说明的，这意味着，对于所有的光路，在目标平面中的狄拉克δ(delta Dirac)形式的光强度脉冲将不同时到达整个记录平面。因此，在非相干光源的情形中，在记录平面的某些部分将丢失相位信息。

本发明的目的

本发明意在提供一种克服现有技术的干涉仪的缺点的干涉仪。

更具体地，本发明意在提供一种能够采用部分相干光源工作的离轴干涉仪。

本发明还意在提供数字全息显微镜(DHM)配置，使得能够使用采用部分时间相干源和/或采用空间相干源的离轴配置。这带来以很低的噪声水平实现快速彩色数字全息记录的能力。

本发明还意在提供数字全息显微镜，使得能够采用离轴配置使用从非相干源产生的部分相干源。这是显著的改进，因为它允许以快速模式操作显微镜，而没有由采用激光的配置导致的波动(相干噪声)的缺点。而且，该配置使得能够使用低成本源比如LED，且提供了同时记录红绿蓝全息图的可能性，以在无相干噪声的情况下提供全色数字全息显微镜。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种用于离轴数字全息显微镜的干涉仪，所述干涉仪包括：

-垂直于所述干涉仪的光轴的记录平面；

-限定入射到所述记录平面上的第一光路和第二光路的光学装置，并且所述第一光路和第二光路平行，

所述光学装置特征在于沿着所述第一光路和第二光路传播的各时间部分相干光束能够干涉并且产生不依赖所述记录平面上的位置的条纹对比。

离轴意味着干涉光束中的至少一束关于干涉仪轴具有非零角度，或者等同地，干涉光束是非平行的。

根据特定优选实施例，本发明的干涉仪还公开了以下特征中的至少一个或其适当的组合：

-所述光学装置包括与所述记录平面光学共轭的光栅以用于产生衍射光束；

-所述光栅从包括伦奇(Ronchi)光栅、闪耀衍射光栅和厚(thick)相位全息光栅的组中选择；

-所述光学装置还包括第一透镜，所述光栅位于所述第一透镜的后焦面中；

-所述光学装置还包括第二透镜，所述光栅位于所述第二透镜的前焦面中；

-所述干涉仪还包括第三透镜，所述第三透镜光学耦合至所述第二透镜，且所述记录平面位于所述第三透镜的所述后焦面中；

-所述干涉仪还包括位于所述第一光路和所述第二光路的至少一个中的光楔，用于引入由在所述第一光路和第二光路中的至少一个上传播的光束产生的图样在所述记录平面上的偏移，以产生差分干涉条纹图样；

-所述干涉仪还包括光阑，用于阻止多余的衍射光束。光学系统中两个光学共轭的平面意味着平面之一是另一个的光学图像。

或者，本发明的用于离轴数字全息显微镜的干涉仪包括：

-记录平面；

-位于与所述记录平面光学共轭的平面中的光栅，所述光栅限定第一光路和第二光路，所述光路对应于不同的衍射级。

具有周期d的光栅将入射光束分为若干满足以下条件的光束：

d(sinθ_m+sinθ_i)＝mλ

其中，θ_m是衍射光束和光栅法线之间的角度，θ_i是入射光束和光栅法线之间的角度，λ是光波长，m是称为“衍射级”的整数。对应于直接透射(或者在反射光栅的情形下为镜面反射)的光被称为零级，表示为m＝0。其他光束出现在由非零整数m表示的角度上。注意，m可以为正或负，导致在零级光束的两侧上的衍射级。

优选地，所述干涉仪还包括第一透镜，所述光栅位于所述第一透镜的后焦面中。

有利地，所述干涉仪还包括第二透镜，所述光栅位于所述第二透镜的前焦面中。

优选地，所述干涉仪还包括光耦合至所述第二透镜的第三透镜，所述记录平面位于所述第三透镜的后焦面中。

优选地，所述干涉仪还包括位于所述第一光路和所述第二光路的至少一个中的光楔，用于引入由在所述第一光路和第二光路中的至少一个上传播的光束产生的图样在所述记录平面上的偏移，以产生差分干涉条纹图样。

有利地，所述干涉仪包括光阑，在使用时能够阻止光栅产生的多余光束。

本发明的第二方面涉及一种数字全息显微镜，包括：

-如本文上述的干涉仪；

-显微镜物镜；

-目标单元，能够将要研究的样本保持位于所述显微镜物镜的前焦面中，且所述目标单元与所述记录平面光学共轭；

-部分相干光源，能够产生第一部分相干光束。

根据特定优选实施例，本发明的数字全息显微镜还公开了以下特征中的至少一个或者适当组合：

-所述目标单元由所述第一光束照射，所述显微镜物镜位于所述干涉仪的前面；

-所述数字全息显微镜还包括：

○包括第一分束器和第二分束器的马克-增德干涉仪，所述第一分束器能够将所述第一光束分为第二光束和第三光束；

○第一透镜，位于所述第三光束的光路中，用于将所述第三光束聚焦到所述光栅上；

○第二透镜，与所述第一透镜具有相同的光轴并且位于所述光栅的焦距处，用于产生至少一束非零级衍射光束，所述第二分束器被布置用于将所述第二光束和所述衍射光束重新合并为重组光束；

○光阑，用于阻止所述第三光束的零级衍射光；

○记录装置，能够记录第二光束和衍射光束之间的相互作用产生干涉测量信号，所述记录装置位于所述干涉仪的记录平面中；

○聚焦装置，用于将所述重组光束聚焦到所述记录装置上，所述第一透镜、第二透镜和光栅形成如上所述的干涉仪，所述第二光束和第三光束的光路径基本上相当(除了光栅和光阑)；

-样本保持器和显微镜物镜位于所述第一分束器的前面，形成差分全息配置；

-样本保持器和显微镜物镜位于第二光束的光路中；

-第二显微镜物镜位于第三光束的光路中；

-所述数字全息显微镜还包括补偿装置，用于使所述第二光束和第三光束的光路相当；

-所述补偿装置包括用于补偿所述样本保持器的装置、和/或用于补偿所述第一透镜和第二透镜的两个透镜；

-所述数字全息显微镜还包括位于所述第二光束光路上的用于照射反射目标的第三分束器以及位于所述第三光束光路上的用于照射参考反射镜的第四分束器，形成马克-增德结构。

-所述部分相干光源包括从包括LED、气体放电灯和脉冲激光器的组中选择的照射装置；

-所述部分相干光源包括热光源，该热光源优选地被过滤以减小其谱宽；

-所述部分相干光源还包括用于产生部分相干光束的第一照射透镜、屏幕中的小孔和第二照射透镜；

-所述记录装置是色敏记录装置，且光源同时产生至少三个单独的波长用于记录彩色全息干涉图，优选地，所述单独的波长对应于用于色彩重构的青、洋红和黄(CMY)或者红、绿、蓝(RGB)；

-所述光源包括至少三个不同波长的LED；

-所述数字全息显微镜还包括光耦合到所述样本保持器的荧光激励源；

-所述数字全息显微镜还包括屏障滤光片以避免来自所述激励源的光透射到达记录平面。

“基本上相当”意味着第二光束和第三光束的光路引入小于光源的相干长度的相移。这可以通过使光路长度相当以及通过除了光栅、光阑和最终要观察的目标以外在两条光路上在距离光源的相同距离处引入相同的光有源元件来获得。

本发明的第三方面涉及一种用于产生两束非平行时间部分相干光束之间的条纹对比的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供入射光束，所述入射光束为时间部分相干的，

-将所述入射光束聚焦在光栅上用于产生至少两束衍射光束，

-将所述衍射光束聚焦至无限远处用于获得与入射光束平行的平行衍射光束，

-将所述平行衍射光束聚集在所述记录平面上，产生与记录平面中的位置无关的条纹对比。

衍射光束可以是零级或者非零级衍射光束，非零级光束产生离轴光束。

本发明的第四方面涉及一种用于记录离轴数字全息图的方法，包括以下步骤：

-提供产生第一部分相干光束的部分相干光源，

-将第一部分相干光束分为第二光束和第三光束，

-将第三光束聚焦在光栅上，用于将所述第三光束分为非零级衍射光束和零级衍射光束，

-将非零级衍射光束和零级衍射光束聚焦至无限远处以便获得平行且空间上分开的非零级衍射光束和零级衍射光束，

-阻止零级衍射光束，

-将非零级衍射光束与第二光束合并为重组光束，

-将所述重组光束聚焦到记录装置上以获得离轴干涉图。

附图说明

图1示出了平面中两束正割(secant)干涉光束之间的相干性的限制；

图2表示根据本发明的干涉仪；

图3表示包括根据本发明的干涉仪的、工作在差分模式下的透射型数字全息显微镜；

图4表示包括根据本发明的干涉仪的透射型数字全息显微镜；

图5表示包括根据本发明的干涉仪的反射型数字全息显微镜；

图6表示包括根据本发明的干涉仪的、工作在差分模式下的透射型数字全息显微镜；

图7表示包括根据本发明的干涉仪的、具有荧光能力的透射型数字全息显微镜。

附图关键词

1.第一光束

2.第二光束

3.第三光束

4.记录装置

5.衍射光束(非零级衍射)

6.非零级衍射平行光束

6'.零级衍射平行光束

7.非衍射光束(或零级衍射)

8.光阑

9.入射光束

10.记录平面

11.用于补偿光楔的补偿装置

12.2×相干长度

13.干涉区域

14.相干平面

15.本发明的干涉仪

16.参考反射镜

17.荧光激励光源

Bs1、Bs2、Bs3和Bs4：分束器

EF：激励过滤器

G：光栅

L1、L2、L3、L4、L5、L6和L6：透镜

Ml1和Ml2：显微镜物镜

M1、M2和M3：反射镜

P：屏幕中的小孔

Sa：透射样本或样本保持器

SF：光谱过滤器

So：照射源

RA：旋转组件

Rs：反射样本或样本保持器

W：光楔

具体实施方式

在干涉测量中，当使用部分相干光时，保持入射光在记录平面中的相干性以观察干涉条纹是非常重要的。在很多情形中，干涉条纹是通过将第一(入射)光束分为第二光束和第三光束并且通过在第三光束和第二光束之间引入小的角度来重新合并它们获得的。

在该情形中，部分相干光(要分析的光)的小相干长度引入了很强的限制：两光束的相干平面不平行，它们仅可以在两个平面相交处的小区域中干涉，当相干平面之间的距离大于相干长度时，观察不到任何干涉。

这在图1中示出，其中垂直于平面的光束与具有偏离平面的离轴α的另一非平行光束干涉。如图所示，非平行光仅在位于小于相干长度12的距离处的相干平面14的附近相干(能够干涉)，限定了其中观察到干涉的有限区域13。

本发明公开了一种干涉仪，其中，在记录平面的附近干涉光束的相干平面不垂直于光束的传播方向。这带来了以下能力：非垂直光束与垂直光束干涉并且产生与记录平面上的位置无关的条纹对比。这使得即使在具有有限相干长度的光(比如LED、气体放电灯、……产生的光)的情形中也能够记录离轴干涉条纹(空间外差条纹)。

使用时间部分相干光束作为第一(入射)光束，现有技术干涉仪中的第二和第三光束仅能在相干长度限定的对应区域中干涉。这意味着第二和第三光束之间的光程差和由于光器件引起的相移应当保持为小于光源的相干长度。

时间相干性是由时间间隔τ分隔的任何时间对处的波的值之间的平均相关性的度量。它表示波是否能够与其在不同时刻处的自身干涉。在其上相位或幅度变化显著量(从而相关性下降显著量)的时间间隔定义为相干时间τ_c。在τ＝0处，相干度是完整的，而在时间间隔τ_c处它显著下降。相干长度L_c定义为波在时间τ_c内行进的距离。相干长度可以通过以下公式来估计：

$L_c=\frac{2ln\left(2\right)}{\mathrm{\π}n}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

其中λ是光波长，Δλ是光源的谱宽，n是传播折射率。对于典型的LED源，这表示几倍波长至几十倍波长。例如，对于具有650nm波长和15nm谱宽(商用LED的典型值)的LED，相干长度大约为20λ。这意味着离轴参考光束在记录平面中的任何位置处不能具有多于相干时间的相移。这还意味着参考光束和目标光束之间的角度差引起的条纹的数目不能多于大约20，这是很强的限制。

受限的相干时间还可以由超短脉冲激光器的脉冲持续时间引起。通常，这样的脉冲激光器具有若干飞秒的脉冲持续时间，因此脉冲长度限于某个波长。在这种情况下，相干时间等于脉冲持续时间。另一方面，这意味着参考光束和目标光束之间的角度差引起的条纹的数目不能多于表示脉冲长度的波长的数目。

优选地，为了在两种情形中避免该限制，本发明利用了衍射光栅的特定性质用于产生离轴参考光束，而不破坏记录平面中干涉光束的时间相干性。

在本发明的干涉仪15中，衍射光栅G放置在透镜L5的后焦面中，透镜L5放置在入射光束9的光轴上。光栅G引起入射光束9分束为衍射光束5(参考)和非衍射光束7(最终为目标光束)。然后，第二透镜L6放置在光栅G的焦距处，将衍射光束和非衍射光束整形为平行于光轴的光束。选择L5、L6和光栅G以获得在L6之后在空间上分开的衍射光束和非衍射光束两光束。非衍射光束可以变为目标光束或者由光阑消除。在后一种情形中，另外的目标光束可以由较大的光学结构提供，如下文所述。然后，衍射光束与目标光束重新合并，且通过物镜L7聚焦在记录平面上，该记录平面位于L7的后焦面中。

衍射光束平行于L7的光轴但是不集中在该光轴上，L7将向所述衍射光束提供离轴角。

或者，干涉光束可以是具有不同衍射级的任何一对衍射光束。例如，可以选择+1级衍射光束作为参考光束，并且可以选择-1级对称衍射光束作为目标光束。

优选地，使用光阑来阻止所选择的两束衍射光束以外的所有光束在记录平面上干涉。

可以示出，在这样的配置中，光栅不妨碍任何非零级衍射光束的时间相干性。时间相干性与光路程有关。因此，这等价于证明在给定时间处照射L5和L4的后焦面的光时间脉冲将同时照射L7的整个后焦面。

认为其透明度由g(x，y)＝(1+sin Kx)/2限定的光栅G由幅度A的单色平面波照射。假定透镜对L6-L7是无聚焦系统(L6-L7形成4f型系统)，记录平面中的幅度由下式给出：

$u_v(x,y)=B\exp \left\{j\frac{4\mathrm{\π}v}{c}(f_6+f_7)\right\}g(-\frac{f_6}{f_7}x,-\frac{f_6}{f_7}y)---\left(1\right)$

其中，B是不起显著作用的常数，v是光频，c是光在真空中的速

度，f₆、f₇是L6和L7的焦距。仅计算记录平面中一束衍射光束的贡献，式(1)变为：

${u^{\′}}_v(x,y)=B^{\′}\exp \left\{j\frac{4\mathrm{\π}v}{C}(f_6+f_7)\right\}\exp (-jK\frac{f_6}{f_7}x,)---\left(2\right)$

其中，K＝2πΛ，Λ是光栅的空间周期。B'是不起重要作用的常数。

通过狄拉克δ形状的时间脉冲的照射是通过执行式(2)的傅里叶变换得到的：

${u^{\′}}_t(x,y)=B^{\′}\mathrm{\δ}(t-\frac{2}{c}(f_6+f_7\left)\right)\exp (-jK\frac{f_6}{f_7}x)---\left(3\right)$

其中，t是时间，式(3)表达了如下事实：在L6的前焦面中的空间均匀光脉冲将同时到达L7的后焦面中的每一处，而时间间隔不取决于位置(x，y)。指数部分表达了如下事实：光束以关于光轴的倾斜角入射到传感器平面。当使本发明的干涉仪的光路相当时，从而将可以记录在传感器的整个平面内目标光束和参考光束之间的干涉图样。参考光束的倾斜角提供离轴配置。

由于所证明的所述光栅的性质与非衍射光束无关，因此所公开的包括位于与记录平面10共轭的平面中的光栅G的设置可以用于任何离轴设置。该共轭例如可以通过使用具有两个透镜L5、L6之间的光栅以及具有聚焦透镜L7的4f型系统来获得。

在该阶段，可以注意到现在其相干平面平行于记录平面的衍射光束可以与具有相当光路且其相干平面平行于记录平面的任何光束干涉。更具体地，它可以与非衍射光束干涉，而且还可以与其他级衍射光束干涉，或者与通过更大的马克-增德干涉仪的另一臂或迈克尔逊干涉仪的光束干涉，只要光路差别不多于入射光的相干长度即可。

在本发明的离轴数字全息显微镜(DHM)中，使用部分相干光源记录数字全息图。为了获得这样的部分相干光源，可以使用诸如LED的非相干光源。为了获得观察使得能够确定入射光的相位信息所需的干涉条纹所必要的部分相干性，可以使用空间过滤器。

使用根据本发明的干涉仪15的显微镜的第一示例表示在图3中。在该图中，部分相干光源So比如LED位于透镜L1的后焦面中。然后，所产生的光束通过屏幕中的小孔P进行空间过滤，以便提高其空间相干性。小孔P位于透镜L2的后焦面中，用于照射样本Sa。样本Sa位于显微镜物镜ML1的后焦面中，然后是如前所述的干涉仪15。该图中的全息图通过CCD摄像机记录。

在后一种情形中，光楔W优选地插入到第二或第三光束之一的光路中，以便引入由衍射和非衍射光束产生的图像的轻微偏移，从而获得差分干涉图，如EP 1631788中所述，EP 1631788通过引用合并于此。在这种情况下，优选地，在非衍射光束的光路中引入补偿装置11，用于补偿光楔在衍射光束中引入的相移。

或者，可以在较大的光学结构比如马克-增德干涉仪中引入干涉仪15，如图4至7中表示的DHM中所示。在这样的情形中，非衍射光束15由光阑8阻止，目标光束由另一光路比如马克-增德干涉仪的另一臂提供。

如同采用通常的全息显微镜的情形，第一光束1通过第一分束器Bs1分为第二光束2和第三光束3，并且由第二分束器Bs2重新合并为重组光束，所述第二和第三光束在重组光束中干涉，在记录介质比如CCD传感器上形成干涉图样，以便获得干涉图样。在这样的情形中，本发明的干涉仪15插入到马克-增德干涉仪的参考臂中以便获得离轴配置，非衍射光束6'由光阑8阻止。

优选地，透镜L5和L6的存在由目标光束路径上的透镜L3和L4补偿，以便补偿由所述透镜L5和L6引入的相位修改。

优选地，透镜L7放置在马克-增德干涉仪的用于重新合并目标光束和参考光束的分束器BS2之后。这使得能够在目标光束和参考光束之间共享所述透镜L7。

或者，透镜L7可以由分别位于参考光束的光路中和目标光束的光路上的两个透镜代替，两个透镜均聚焦在记录装置上，但是位于重新合并装置之前。

还可以如图7中所示实现包括荧光激励源的配置。

由于不需要使用任何相移，因此所公开的DHM可以用于记录快速动态事件、记录若干连续帧以便记录要观察的样本的3维(3D)表示的时间序列。

该实现使得能够使用低成本源比如LED，并且采用色彩传感器，它使得能够通过使用三个LED照射来同时记录红绿蓝全息图，从而提供无相干噪声的全色数字全息显微镜。到目前为止，彩色数字全息显微镜的实现要求使用复杂的记录处理。在本公开的发明中，可以同时记录三个色彩。

若干种类型的色彩传感器是商用的，包括单色传感器比如彩色CCD和三传感器设计。在三传感器设计中，棱镜块(即，包括两个二向色棱镜的三色组件)可以将所获得的干涉图过滤为三原色红绿蓝，将每个色彩引导至安装到棱镜的各个面的单独的电荷耦合器件(CCD)或有源像素传感器(CMOS图像传感器)中。

存在可以实现的若干种透射光栅。最简单的光栅类型是伦奇(Ronchi)光栅，伦奇光栅由透明光板构成，在透明光板上印刷有宽度为1的平行不透明线。在连续的不透明线之间有恒定透明间隔L。伦奇光栅经常具有等于不透明宽度的透明孔径宽度。表征伦奇光栅和针对给定波长的衍射角的重要量是光栅周期P＝L+1。伦奇光栅的衍射分析是通过首先根据傅里叶序列分解透射函数进行的。对于给定波长，每个傅里叶分量产生由衍射角θ_m表征的衍射级，其中m是整数且θ是第一衍射角。

每个衍射级中的衍射幅度与对应的傅里叶分量成比例。在本发明的干涉仪15中，选择光栅周期以便保证光阑8放置的平面中衍射光束的空间分离。

通常，用于入射在检测器上的参考光束的是第一衍射级(m＝+1或-1)之一。伦奇光栅的限制是光强在若干衍射级中的散布，从而减少了可用于干涉仪测量的光。

为了优化用于全息处理的衍射级中的衍射效率，可以实现闪耀衍射光栅。闪耀衍射光栅也具有在光板的表面之一上的周期性结构。在该情形中，优化m＝1或m＝-1衍射级中的衍射效率的是表面的齿状起伏。

为了优化衍射效率，还可以实现厚相位全息光栅。这种类型的光栅是通过在例如二色凝胶的光敏材料中记录两个平面波之间的干涉图样获得的。之后，对板进行处理，从而板能够大部分衍射根据布拉格衍射模式的衍射级中的光。记录平面波之间的角度决定光栅周期。

然后，可以将模拟输出数字化并通过计算机进行处理，以便获得样本的三维彩色表示。

部分时间和空间源可以由源(So)、准直透镜(L1)、小孔(P)和透镜(L2)构成。时间相干性由源(So)的谱宽导致。通常，它可以是具有含峰值的光谱(例如，波长λ＝650nm，Δλ＝15nm)的LED或者提供一组峰值的一组LED，以实现彩色全息记录。光束由透镜(L1)准直并且由小孔(P)过滤以便提高空间相干性。可以看出，从透镜(L2)出来的显现的空间相干依赖性是均匀的，且可以由相干性函数γ(x₁-x₂,y₁-y₂)建模，其中(x₁,y₁)和(x₂,y₂)是垂直于光轴z的空间坐标。

该部分相干源的实现并不是限制性的，而是可以以其他方式实现，比如采用由移动的毛玻璃去相关的激光束。

本发明的优选实施例的描述

马克-增德配置

图4中图示了基于使能采用空间部分和时间部分相干的光源进行离轴记录的马克-增德配置的数字全息显微镜的方案。

在图4的情形中，光源由源(So)、准直透镜(L1)、小孔(P)和透镜(L2)构成。

在反射镜M1反射之后，光束由BS1分为透射照射样本的目标光束和向着显微镜镜头ML2重定向的参考光束。Ml1的前焦面的成像由透镜组Ml1、L3、L4和L7执行。为了形成图像，L3的后焦面对应于L4的前焦面，传感器位于L7的后焦面中。

在该配置中，本发明的干涉仪15由透镜L5、L6和L7以及光栅G表示。

透镜Ml1、L3和L4以除了样本、光栅G和光阑8以外参考光束和目标光束几乎相同的方式在参考臂中具有其对应，分别为透镜Ml2、L5和L6。这保证了两光束在传感器上的适当对准，该两光束在传感器上干涉。这是由光源的空间部分相干性质要求的。

可以是光路补偿器和/或衰减器的光学部件C所在的Ml2镜头的前焦面在L5的后焦面上成像，L5的后焦面也是光栅G所在的L6的前焦面。光栅的作用是以L7上的入射目标光束和参考光束空间上分开并且平行传播的方式通过衍射重定向光。如同已经证明的，这种采用L5、G、L6和L7的设置在时间部分相干的情形中允许保持传感器平面中的时间相干性，并且产生离轴干涉。

透镜L7将目标光束和参考光束叠加在传感器上，其中它们之间存在源于光栅衍射的平均角度。在这种配置中，反射镜M2平行于BS2，M3平行于BS1。分束器和反射镜的这种相对定向使得能够不改变传感器上的光束位置而通过旋转旋转组件RA来调整光路，其中反射镜M2和分束器BS2紧密地附接在旋转组件RA上。因此，该配置允许使参考光路光束和目标光路光束相当。

该配置可以适用于反射样本，如图5中所示。在这种情况下，移除样本保持器Sa，并且用第三分束器Bs3代替反射镜M2，第三分束器Bs3通过物镜ML1照射反射样本Rs。然后，样本反射并由物镜聚焦的光由第三分束器Bs3向第二分束器重定向，如在之前的配置中一样。对参考光束的光路进行相同的修改，用参考反射镜16代替样本。

差分配置

马克-增德配置适用于其中目标引起的光路变化有限的应用：在目标厚度起伏很大的情形中，条纹密度可能变得太大而传感器无法记录。

另外，在马克-增德配置中，采用降低的时间部分光源，当目标改变时光路的精细调节可能是困难的。为此，提出了差分数字全息显微镜。在后一种情形中，所测量的是差分光相位，这提供了相位测量的动态范围增大和不管样本厚度的干涉仪的不变调整的优点。

有利地，采用空间和时间部分相干源的离轴配置可以用于差分模式。光学设计由图6表示。

时间和空间部分相干源由源(So)、准直透镜(L1)、小孔(P)和透镜(L2)构成。光束由透镜(L1)准直并由小孔(P)过滤，以便提高空间相干性。

在通过反射镜M1的反射之后，光束照射样本并且通过显微镜镜头Ml1透射。然后，来自Ml1的光束由BS1分为对应于第二光束和第三光束的两光束。位于样本内的Ml1的前焦面的成像由透镜组Ml1、L3、L4和L7执行。为此，L3的后焦面与L4的前焦面重合，且传感器位于L7的后焦面中。以同样的方式，Ml1的前焦面的成像由透镜组Ml1、L5、L6和L7执行，其中L3的后焦面对应于L4的前焦面。L4和L7之间的距离与L6和L7之间的距离相同。

因此，与样本平面之一相同的、对应于Ml1的前焦面的平面在CCD传感器上成像。通过稍微旋转反射镜M2或反射镜M3在第二光束和第三光束形成的图像之间引入偏移。这仅是CCD传感器上几个像素的偏移，或者甚至是小于一个像素的偏移。第一光通道1的透镜L3和L4的对应(分别为透镜L5和L6)以除了样本、光栅G和光阑8以外第二和第三光束的光路相同的方式位于第三光束的光路中。这允许在两个通道在其干涉的传感器上有小偏移的情况下进行适当对准。

Ml1镜头的前焦面在L5的后焦面上成像，L5的后焦面也是L6的前焦面，光栅G位于L6的前焦面中。光栅的作用是以入射到L7上的两个通道的光束空间上分开的方式通过衍射重定向光。透镜L7将两光束叠加在传感器上，其中它们之间有源于光栅衍射的平均角度。在该配置中，反射镜M2几乎平行于BS2，且M3几乎平行于BS1。分束器和反射镜的这种相对定向使得能够不改变传感器上的光束位置而通过旋转旋转组件RA来调整光路，其中反射镜M2和分束器BS2紧密地附接在旋转组件RA上。因此，该配置允许使参考光路光束和目标光路光束相当。

在传感器上目标光束和参考光束之间的平均角度提供离轴配置。如同已经证明的，即使在时间部分相干源的情况下，也存在适当的对准，以便在整个CCD传感器上均匀地提供对比条纹图样。应当注意，可以在第二光束的光路中放置衰减器来补偿源于光栅的光损耗。可以在第三光束的光路中插入透明光板，以便补偿由衰减器在两个通道之间引入的光程差。

当关注的样本是荧光性的时可以使用荧光源17，如图7中所示。其光束由荧光分束器反射通过镜头Ml1以照射样本。后向传播的荧光信号由Ml1透射并通过SF进行谱过滤，以便在要入射到BS1上之前移除荧光激励部分。由于镜头Ml1受孔径限制，因此在非相干荧光信号从Ml1出来时它是空间部分相干的，使得只要偏移小于空间相干长度则两光束就能够干涉。

本发明还在09172561.4号优先权欧洲申请中进行了详细描述，其全部公开通过引用合并于此。

Claims (11)

1.一种离轴数字全息显微镜，包括：

-空间和时间上部分相干的光源，所述空间和时间上部分相干的光源被布置为产生第一部分相干光束(1)；

-记录平面(10)；

-显微镜物镜(ML1)；

-目标单元(Sa)，所述目标单元(Sa)被布置为使要研究的标本位于所述显微镜物镜的前焦面中，且所述目标单元(Sa)与所述记录平面(10)光学共轭；

-光栅(G)，所述光栅位于与所述记录平面(10)光学共轭的平面内，所述光栅(G)限定第一光路和第二光路，所述光栅(G)被布置为将所述第一部分相干光束(1)分为沿着所述第一光路的作为参考光束的非零级衍射光束以及沿着所述第二光路的具有不同衍射级的第二光束；

第一透镜(L5)，所述光栅(G)位于所述第一透镜的后焦面中；

第二透镜(L6)，所述光栅(G)位于所述第二透镜(L6)的前焦面中；以及

第三透镜(L7)，所述第三透镜(L7)光耦合至所述第二透镜(L6)，所述记录平面(10)位于所述第三透镜(L7)的后焦面中，以及所述第三透镜被布置为将所述参考光束和所述第二光束重新组合为重组光束以入射在所述记录平面上，所述参考光束和所述第二光束在所述记录平面上彼此干涉，其中，所述参考光束的光路和所述第二光束的光路相差不超过所述空间和时间上部分相干的光源的相干长度。

2.根据权利要求1所述的离轴数字全息显微镜，其中所述目标单元(Sa)由所述第一部分相干光束(1)照射，所述显微镜物镜(ML1)位于所述第一透镜(L5)的前面且位于所述目标单元(Sa)的后面，并且其中在所述第二光路中设置光楔(W)，用于产生差分全息图。

3.一种离轴数字全息显微镜，包括：

-空间和时间上部分相干的光源，所述空间和时间上部分相干的光源被布置为产生第一部分相干光束(1)；

-记录平面(10)；

-显微镜物镜(ML1)；

-目标单元(Sa)，所述目标单元(Sa)被布置为使要研究的标本位于所述显微镜物镜的前焦面中，且所述目标单元(Sa)与所述记录平面(10)光学共轭；

-光栅(G)，所述光栅位于与所述记录平面(10)光学共轭的平面内，所述光栅(G)限定第一光路和第二光路，所述第一光路和所述第二光路分别对应于不同的衍射级；

-包括第一分束器(Bs1)和第二分束器(Bs2)的马克-增德干涉仪，所述第一分束器(Bs1)被布置为将所述第一部分相干光束分为第二光束(2)和第三光束(3)；

-第一透镜(L5)，所述第一透镜(L5)位于所述第三光束(3)的光路中，用于将所述第三光束聚焦在所述光栅(G)上；

-第二透镜(L6)，所述第二透镜(L6)具有与所述第一透镜(L5)相同的光轴并且位于所述光栅(G)的焦距处，用于产生至少一束非零级衍射光束，并且所述第二分束器(Bs2)被布置用于将所述第二光束和所述衍射光束重新组合为重组光束；

-光阑，所述光阑用于阻止所述第三光束的零级衍射光；

-记录装置，所述记录装置被布置为记录由所述第二光束和所述衍射光束之间的相互作用产生的干涉测量信号，所述记录装置位于所述记录平面(10)中；

-聚焦(L7)装置，所述聚焦装置用于将所述重组光束聚焦到所述记录装置上，

所述第二光束和所述第三光束的光路径相差不超过所述空间和时间上部分相干的光源的相干长度，所述目标单元(Sa)和所述显微镜物镜位于所述第一分束器(Bs1)的前面，形成差分全息配置。

4.一种离轴数字全息显微镜，包括：

-空间和时间上部分相干的光源，所述空间和时间上部分相干的光源被布置为产生第一部分相干光束(1)；

-记录平面(10)；

-显微镜物镜(ML1)；

-目标单元(Sa)，所述目标单元(Sa)被布置为使要研究的标本位于所述显微镜物镜的前焦面中，且所述目标单元(Sa)与所述记录平面(10)光学共轭；

-光栅(G)，所述光栅位于与所述记录平面(10)光学共轭的平面内，所述光栅(G)限定第一光路和第二光路，所述第一光路和所述第二光路分别对应于不同的衍射级；

-包括第一分束器(Bs1)和第二分束器(Bs2)的马克-增德干涉仪，所述第一分束器(Bs1)被布置为将所述第一部分相干光束分为第二光束(2)和第三光束(3)；

-第一透镜(L5)，所述第一透镜(L5)位于所述第三光束(3)的光路中，用于将所述第三光束聚焦在所述光栅(G)上；

-第二透镜(L6)，所述第二透镜(L6)具有与所述第一透镜(L5)相同的光轴并且位于所述光栅(G)的焦距处，用于产生至少一束非零级衍射光束，并且所述第二分束器(Bs2)被布置用于将所述第二光束和所述衍射光束重新组合为重组光束；

-光阑，所述光阑用于阻止所述第三光束的零级衍射光；

-记录装置，所述记录装置被布置为记录由所述第二光束和所述衍射光束之间的相互作用产生的干涉测量信号，所述记录装置位于所述记录平面(10)中；

-聚焦(L7)装置，所述聚焦装置用于将所述重组光束聚焦到所述记录装置上，

所述第二光束和所述第三光束的光路径相差不超过所述空间和时间上部分相干的光源的相干长度，其中所述目标单元(Sa)和所述显微镜物镜(Ml1)位于所述第二光束(2)的光路中。

5.根据权利要求4所述的离轴数字全息显微镜，还包括第二显微镜物镜(Ml2)，其中所述第二显微镜物镜(Ml2)位于所述第三光束(3)的光路中。

6.根据权利要求4所述的离轴数字全息显微镜，还包括放置在所述第二光束的路径上用于照射反射目标(Ra)的第三分束器(BS3)以及放置在所述第三光束的路径上用于照射参考反射镜(16)的第四分束器(BS4)，形成马克-增德结构。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的离轴数字全息显微镜，其中所述空间和时间上部分相干的光源包括从包括发光二极管、气体放电灯、热源和脉冲激光器的组中选择的一个照射装置(So)。

8.根据权利要求3至6中的任意一项所述的离轴数字全息显微镜，其中所述记录装置是色敏记录装置，且所述空间和时间上部分相干的光源同时产生至少三个单独的波长用于记录彩色全息干涉图。

9.根据权利要求8所述的离轴数字全息显微镜，其中所述空间和时间上部分相干的光源包括至少三个不同波长的发光二极管。

10.根据权利要求8所述的离轴数字全息显微镜，其中所述至少三个单独的波长分别对应于用于色彩重构的青、洋红和黄(CMY)或者红、绿、蓝(RGB)。

11.根据权利要求1至6中任意一项所述的离轴数字全息显微镜，包括光耦合到所述目标单元(Sa)的荧光激励源(17)。