CN104457611A - 双波长剪切干涉数字全息显微测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长剪切干涉数字全息显微测量装置及其方法。两台激光器出射的激光从不同方向照射在分束棱镜上，并从分束棱镜的同一面出射，照射在被测物体上的同一点，然后通过显微物镜放大得到两个重合的光斑，再通过平面反射镜将两束激光照射在平面平晶上并在其前后表面发生反射，反射光垂直照射在CCD相机上，用CCD相机记录单束光的全息图。使用Matlab软件对全息图做傅里叶变换，取出两种波长光正一级的频谱，再对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到全息图，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得测物体的三维高度信息。本发明具有光路简捷、系统稳定性好、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

双波长剪切干涉数字全息显微测量装置及其方法

技术领域

本发明属于数字全息显微及成像技术领域，具体涉及一种基于剪切干涉与双波长光学相位解包裹的数字全息显微装置及其方法，用于测量分散排列的微小物体三维高度信息。

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波长剪切干涉数字全息显微测量装置及其方法，利用剪切干涉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。

本发明的装置采用的技术方案如下：

双波长剪切干涉数字全息显微测量装置，包括第一激光器、第二激光器、分束棱镜、被测物体、显微物镜、平面反射镜、平面平晶和CCD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，照射在被测物体上的同一点；经过被测物体的两束激光通过显微物镜放大，得到两个重合的光斑，再通过平面反射镜将两束激光照射在平面平晶上，这两束激光在平面平晶的前后表面发生反射后，反射光垂直照射在CCD相机上。

所述被测物体为分布在载玻片上的直径为1.97微米的二氧化硅微球。

进一步地，所述平面平晶的厚度为3毫米。

本发明利用上述装置的测量方法，包括如下步骤：

a)先后挡住两个激光器出射的两束光中的一束光，分别用CCD相机记录单束光的全息图；

b)双波长频谱分离：将CCD相机采集的全息图读入Matlab软件中，分别对两幅全息图做傅里叶变换，然后提取出两种波长光正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到全息图；

c)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；

d)再现像的相位提取和修正：对再现的物体像进行相位提取，并对提取的包裹相位进行滤波；

e)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；

f)得到物体三维高度图：根据相位与物体高度之间的关系，计算得到物体三维高度。

本发明的方法以数字全息技术为基础，利用剪切干涉的共光路自干涉特性将同一束光分成物光与参考光，并采用双波长光学相位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。本发明最大的特点就是将平面平晶引入的剪切干涉与双光束相结合，其具有以下优点：

(1)平面平晶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；

(2)剪切干涉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；

(3)双光束的使用降低了编程的难度，实现了双波长光学相位解包裹；

(4)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。

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-平面反射镜，7-平面平晶，8-CCD相机。

图2是横向剪切干涉原理，A与B为两个大小相同具有一定错位的波面。

图3是获得物体三维高度的处理流程图。

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、平面反射镜6、平面平晶7和CCD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；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，平面反射镜6将第一激光器1与第二激光器2出射的光照射到厚度为3毫米的平面平晶7上，在平面平晶7前表面和后表面上分别发生反射，并照射在CCD相机8上。

剪切干涉是一种重要的光学测量方法，它是用光学装置把一个具有空间相干性的波前分成相似或相同的两个波前，并使这两个波前产生相对错位，错位后的两个波前在空间公共区域产生剪切干涉条纹。其主要特点是两光波共光路，对机械振动、温度扰动以及空气流动都不敏感，便于在实验室为进行现场检查。剪切干涉根据剪切方向可以分成横向剪切、径向剪切、旋转剪切和反向剪切等。本发明采用的是横向剪切，利用平面平晶的前后表面分别发生反射，形成两个大小相同相对错位的波面，在这两个波面的公共区域产生干涉条纹，干涉原理如图2所示。

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。本发明采用双波长光学相位解包裹技术可以有效的解决这一问题，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，对透射式光路该物体的波前相位分别为

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·z,{\mathrm{\Φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}\·z---\left(1\right)$

将波长λ₁,λ₂记录所得物体包裹相位Φ₁、Φ₂相减可得Φ₁₂：

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

Λ＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|  (3)

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)  (4)

由于本发明的剪切干涉参考光与物光的夹角由平面平晶厚度确定，故难以调整不同波长的频谱位置，所以为了简便起见，将两种波长的全息图分别拍摄。具体步骤如下：

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。通过平面反射镜将两束光照射在平面平晶上，使之在平面平晶前后表面发生反射，并使反射光垂直照射在CCD相机8上。最后挡住一束光，分别用CCD相机8记录单束光的全息图。

将CCD相机采集的全息图读入Matlab中，分别对其做傅里叶变换，取出两种波长光的正一级频谱，再对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到全息图，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三维高度信息。具体流程如图3所示：

1.双波长频谱分离：分别对全息图进行傅里叶变换，然后提取出两种波长光正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到全息图；

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.得到物体三维高度图：根据相位与物体高度之间的关系，计算得到物体三维高度。

Claims (4)

1.双波长剪切干涉数字全息显微测量装置，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、分束棱镜(3)、被测物体(4)、显微物镜(5)、平面反射镜(6)、平面平晶(7)和CCD相机(8)，其特征在于，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的透射光从分束棱镜(3)的同一面出射，照射在被测物体(4)上的同一点；经过被测物体(4)的两束激光通过显微物镜(5)放大，得到两个重合的光斑，再通过平面反射镜(6)将两束激光照射在平面平晶(7)上，这两束激光在平面平晶(7)的前后表面发生反射后，反射光垂直照射在CCD相机(8)上。

2.根据权利要求1所述的双波长剪切干涉数字全息显微测量装置，其特征在于，所述被测物体(4)为分布在载玻片上的直径为1.97微米的二氧化硅微球。

3.根据权利要求1或2所述的双波长剪切干涉数字全息显微测量装置，其特征在于，所述平面平晶(7)的厚度为3毫米。

4.利用如权1所述双波长剪切干涉数字全息显微测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)先后挡住两个激光器出射的两束光中的一束光，分别用CCD相机(8)记录单束光的全息图；

b)双波长频谱分离：将CCD相机(8)采集的全息图读入Matlab软件中，分别对两幅全息图做傅里叶变换，然后提取出两种波长光正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到全息图；

c)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；

d)再现像的相位提取和修正：对再现的物体像进行相位提取，并对提取的包裹相位进行滤波；

e)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；

f)得到物体三维高度图：根据相位与物体高度之间的关系，计算得到物体三维高度。