CN103335592A - 双洛埃镜数字全息显微测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双洛埃镜数字全息显微测量方法。其测量系统包括第一激光器、第二激光器、分束棱镜、被测物体、显微物镜、第一洛埃镜、第二洛埃镜和CCD采集相机。该方法以数字全息技术为基础，利用洛埃镜的共光路自干涉特性从同一束光中分离物光与参考光，采用双光束光学解包裹方法代替相位解包裹算法，实现微小物体或生物细胞的三维形貌信息的探测。本发明具有光路简捷、系统稳定性好、噪声低、再现程序简便等特点，适用于生物医学以及材料科学等领域。

Description

双洛埃镜数字全息显微测量方法

技术领域

本发明属于数字全息显微及成像技术领域，具体涉及一种基于双洛埃镜与双光束光学解包裹的数字全息显微方法，用于测量分散排列的微小物体形貌信息。

背景技术

数字全息技术是计算机技术和传统光学全息相结合的产物，采用数字化的记录和再现方法，能够较为方便地获取物体的振幅信息和相位信息，而相位信息是恢复物体三维形貌的重要参数。

传统的显微技术主要是通过光学显微镜来观察微小物体。但这只能得到光强的分布，且光学显微镜的成像焦深短，每次聚焦只能获取物体的二维图像，对被测物体的厚度、位置以及多层细胞的观测非常困难；光学断面显微镜和激光扫描共焦显微镜可以进行三维观测，但由于是采用机械调节光学系统或被测物体来调焦，致使观测系统非常复杂，且对样品厚度和位置的测量麻烦费时；电子显微镜由于价格昂贵、不能观测活细胞、样品制作困难、测量过程比较麻烦等原因，限制了它的应用。数字全息显微技术是数字全息技术与显微技术的融合，成功的解决了这些问题，能同时获得细胞位置、数量、相位以及三维形貌信息。

数字全息显微成像主要分两步进行。首先利用光学显微镜对被测物体预放大，并用CCD记录数字化全息图。然后数字再现物体的三维图像信息。当前数字全息显微成像光路多采用马赫泽德干涉光路，由于复杂的光路和繁琐的相位解包裹算法而导致其难度较大，特别是光路中分束棱镜的运用使物光与参考光的光程与光强不同，这为干涉系统带入了更多的噪声，降低了系统的稳定性。

发明内容

本发明提出了一种双洛埃镜数字全息显微方法，该方法利用洛埃镜共光路自干涉的特点，使光路得到简化并增强了系统的稳定性。

普通的数字全息显微技术由于光波波长的限制再现后得到的相位信息是包裹的，其值分布在[-π，π]，包裹相位中存在阶跃点，而且阶跃点出现在高度等于波长整数倍处，波长不同则阶跃点出现的区域也不同。要得到真实的相位信息就需要采用电脑编程来完成解包裹这一步骤，现如今的相位解包裹算法众多，各种算法适用范围不同，尚无一种广泛适用的相位解包裹算法，而且这些算法相对较为复杂，并不可避免的引入了一些噪声。采用双波长光学解包裹技术有效的解决了这一问题，很大程度上简化了再现过程，不需要对再现像相位图进行解包裹，并可以实时重构物体形貌。其原理如下：

假设λ₁，λ₂为两相差甚小的波长，对该物体记录全息图的波前相位分别为

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·z,$ ${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}\·z$

将波长λ₁，λ₂记录所得物体包裹相位Φ₁、Φ₂相减可得Φ₁₂：

${\mathrm{\Φ}}_{12}={\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_2=(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2})\·z=2\mathrm{\π}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2/|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2|}\·z$

Λ＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|

相位Φ₁₂可看作是波长为Λ的相位，Λ称之为综合波长，大于任意一个原始波长。

Φ₁₂分布范围为[-2π，2π]，也存在2π阶跃点，但是在Φ₁₂小于零的值加上2π，即可得Φ。

Φ＝Φ₁₂+2π(Φ₁₂＜0)

本发明采用的具体技术方案如下：

双洛埃镜数字全息显微测量方法，其测量系统包括第一激光器、第二激光器、分束棱镜、被测物体、显微物镜、第一洛埃镜、第二洛埃镜和CCD采集相机；第一激光器出射的第一激光与第二激光器出射的第二激光从不同方向照射在分束棱镜上，第一激光的反射光与第二激光的透射光从分束棱镜的同一面出射，照射在被测物体的同一点上，这两束光通过显微物镜放大，得到两个重合的光斑；微小调节分束棱镜，使这两个重合光斑逐渐分开，但仍有一部分重合，重合区域照射到CCD采集相机上，通过调节被测物体的位置，使得被测物体出现在重合区域上；第一洛埃镜和第二洛埃镜对称放在不重合的区域，调节这两个洛埃镜的位置与角度，使得第一洛埃镜将第一激光器出射的参考光照射到CCD采集相机上，第二洛埃镜将第二激光器出射的参考光照射到CCD采集相机上；最后由CCD采集相机记录下一张复合全息图，采用双光束光学解包裹方法获得物体三维形貌。

所述获得物体三维形貌的具体过程如下：对复合全息图进行傅里叶变换得到频谱图，然后分离出两种波长的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到两幅单波长的全息图；用角谱再现算法分别对两幅单波长的全息图进行再现，对再现像进行相位提取，并对提取的包裹相位进行滤波；将两种波长的相位进行相减，对小于零的相位差加上一个2π，将其调整到[0，2π]范围；最后根据相位与物体高度之间的关系，就可计算得到物体的三维形貌信息。

本发明最大的特点就是将双洛埃镜与双光束相结合，其具有以下优点：首先洛埃镜的使用有效的简化了光路，减少了光路搭建的时间与难度以及光学元件的使用。另外，洛埃镜共光路自干涉的特性，使得干涉条纹对比度较好、系统噪声相对较少、稳定性较强。其次，双洛埃镜的使用可以将两种波长的全息图记录在同一张数字全息图上，并通过调节洛埃镜的位置与倾斜角度完成频谱的分离，从而实现双光束光学解包裹。

附图说明

图1是本发明具体光路。其中，1-第一激光器，2-第二激光器，3-分束棱镜，4-被测物体，5-显微物镜，6-洛埃镜，7-洛埃镜，8-CCD采集相机。

图2是双洛埃镜具体使用效果图。

图3是获得物体形貌的处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光路由第一激光器1、第二激光器2、分束棱镜3、被测物体4、显微物镜5、洛埃镜6、洛埃镜7和CCD采集相机8组成。分束棱镜3用来改变第一激光器1出射光的方向，使两束光从同一方向出射，并成一微小夹角；被测物体4为稀疏分布在载玻片上的直径为1.97微米的二氧化硅微球，洛埃镜6将第一激光器1出射的参考光照射到CCD采集相机8上，与第一激光器1出射的物光发生干涉；洛埃镜7将第二激光器2出射的参考光照射到CCD采集相机8上，与第二激光器2出射的物光发生干涉。

第一激光器1出射的第一激光与第二激光器2出射的第二激光从不同方向照射在分束棱镜3上。第一激光的反射光与第二激光透射光从分束棱镜3的同一面出射，照射在被测物体4的同一点上。两束激光通过显微物镜5放大，得到两个重合的光斑。微小调节分束棱镜3，使通过显微物镜的两个光斑逐渐分开，但仍有一部分重合，重合区域照射到CCD采集相机8上(覆盖整个CCD靶面)，通过调节被测载玻片的位置，使得被测小球出现在重合区域上，这一部分光作为物光。在不重合区域放上洛埃镜7和洛埃镜8，用于反射单色光作为参考光。调节两个洛埃镜的位置与角度，使参考光照射在CCD采集相机8上。最后由CCD采集相机8记录下一张复合全息图。如图2所示。

将CCD采集的全息图读入MATLAB中，对其做傅里叶变换，再分别取出两种波长光的正一级，再分别对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到全息图，分别对其使用角谱法再现，提取相位，通过相位相减并做进一步运算求的被测物体的形貌信息。具体流程如图3所示：

1.双波长频谱分离：对全息图进行傅里叶变换，然后分别提取出两种波长正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到单波长的全息图；

2.数字再现算法：用角谱再现算法对全息图进行再现得到物体的振幅信息；

3.再现像的相位提取和修正：对再现像进行相位提取，并对提取的包裹相位进行滤波；

4.相位相减：对两波长的相位进行相减，对小于零的相位差加上一个2π，使相位差调整到[0，2π]范围；

5.得到物体形貌：根据相位与物体高度之间的关系，计算得到物体形貌。

Claims (3)

1.双洛埃镜数字全息显微测量方法，其特征在于，测量系统包括第一激光器、第二激光器、分束棱镜、被测物体、显微物镜、第一洛埃镜、第二洛埃镜和CCD采集相机；

第一激光器出射的第一激光与第二激光器出射的第二激光从不同方向照射在分束棱镜上，第一激光的反射光与第二激光的透射光从分束棱镜的同一面出射，照射在被测物体的同一点上，这两束光通过显微物镜放大，得到两个重合的光斑；

微小调节分束棱镜，使这两个重合光斑逐渐分开，但仍有一部分重合，重合区域照射到CCD采集相机上，通过调节被测物体的位置，使得被测物体出现在重合区域上；

第一洛埃镜和第二洛埃镜对称放在不重合的区域，调节这两个洛埃镜的位置与角度，使得第一洛埃镜将第一激光器出射的参考光照射到CCD采集相机上，第二洛埃镜将第二激光器出射的参考光照射到CCD采集相机上；

最后由CCD采集相机记录下一张复合全息图，采用双光束光学解包裹方法获得物体三维形貌。

2.根据权利要求1所述的双洛埃镜数字全息显微测量方法，其特征在于，所述获得物体三维形貌的具体过程如下：

对复合全息图进行傅里叶变换得到频谱图，然后分离出两种波长的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到两幅单波长的全息图；

用角谱再现算法分别对两幅单波长的全息图进行再现，对再现像进行相位提取，并对提取的包裹相位进行滤波；

将两种波长的相位进行相减，对小于零的相位差加上一个2π，将其调整到[0，2π]范围；

最后根据相位与物体高度之间的关系，就可计算得到物体的三维形貌信息。

3.根据权利要求1或2所述的双洛埃镜数字全息显微测量方法，其特征在于，所述被测物体为稀疏分布在载玻片上的微小颗粒。

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