CN104808469A - 高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法,该装置是在普通全息装置的基础上做了改进,在小孔光阑和成像设备之间加入一块分布已知的随机相位板，从而在加入待测样品后能够将更多的物光信息散射到成像设备的靶面。采集一组全息数据先用滤波法处理得到在成像设备靶面的物体衍射光斑分布,再利用改进的类似于相干衍射成像的迭代恢复算法对衍射光斑进行处理,最终恢复出分辨率比普通全息图像高的多的重构图像。本发明为改善目前的低分辨率数字全息显微成像提供了一种解决方案。

Description

高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及数字全息显微成像，特别是一种高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法。

背景技术

在全息成像领域，数字全息相对于传统全息来说具有成像速度快、对设备的稳定性要求相对低的特点，因此被广泛应用于显微成像、三维成像和粒子追踪等领域并实现了快速发展。但与此同时，在数字全息记录和再现物体图像的过程中，用于记录全息图的成像设备(通常是CCD)能够实现的分辨率为微米级别，这要比传统全息成像中使用感光板记录和再现物体图像的分辨率要低至少一个数量级，数字全息成像的低分辨率成了限制它广泛应用的一个重要因素。科学家们提出了许多方法来实现高分辨数字全息成像，主要分为两类:一类是增大全息成像系统的数值孔径(NA)，另一类是提高在有限尺寸的成像设备靶面接收到的物光信息即收集更多的高频物光信息。在全息成像装置的物体和成像设备之间加入一块光栅是提高全息分辨率的比较有效的方法，不同级次的全息图像被重构出来，而且中间级次全息图像的分辨率得到了有效增强。但是这种方法在光栅表面有灰尘等缺陷时不好处理，而且全息重构的图像间隔与所使用光栅的周期有关，如果成像物体的尺寸相对较大的话很容易出现图像重叠，因此只适合尺寸足够小物体的成像，应用的范围非常有限。因此寻求能够实现物体尺寸较大的高分辨数字全息成像的研究具有重要的意义。

发明内容

本发明针对光栅用于高分辨全息成像装置的缺点，提出一种高分辨率数字全息显微成像的装置，在全息成像装置的小孔光阑和成像设备之间用随机相位板取代光栅来实现高分辨数字全息显微成像。该装置使用的随机相位板的分布已知且固定不动，随机相位板可以看作是许多个在不同方向的正弦光栅的集合，因此在全息成像装置中加入随机相位板可以用于提高成像设备在有限尺寸内接收到的物光信息，再引入类似于相干衍射成像的迭代算法，可以恢复出高分辨率的数字全息图像同时消除光栅用于全息成像的缺点。

本发明的技术解决方案如下：

一种高分辨率数字全息显微成像的装置,包括氦氖激光器，沿该氦氖激光器的激光束方向放置分束器，该分束器将光束分成反射光束和透射光束，沿反射光束方向依次是第一光学衰减片、第一反射镜、第一空间滤波器、第一准直透镜、聚焦透镜、小孔光阑、分光棱镜和成像设备，沿所述的透射光束方向依次是第二光学衰减片、第二空间滤波器、第二准直透镜、第二反射镜和分光棱镜，在所述的小孔光阑和分光棱镜之间设有随机相位板，该随机相位板的相位分布已知，所述的各光学元件与激光束垂直且中心保持在光轴上。

利用上述高分辨率数字全息显微成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：

1)将待测样品紧贴在所述的小孔光阑的入射光面，打开所述的氦氖激光器，所述的成像设备记录一组全息数据：保留物光束和参考光束记录一幅全息干涉图，强度标记为I_H；只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑图，强度标记为I_O；只保留参考光束记录一幅参考光强图，强度标记为I_R；

2)记录的全息数据用滤波法计算出在成像设备靶面处的待测样品衍射光斑分布，具体计算过程如下：

a)为了消除零频的影响，先对全息干涉图进行滤波处理，滤波后的全息干涉图光强为I_FH＝I_H-I_O-I_R；

b)对滤波后的全息干涉图进行傅里叶变换， 表示对I_FH进行傅里叶变换，f_FH为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_FH1和-1级频谱f_FH2；

c)设定一个零矩阵f，矩阵大小与I_FH相同，将+1级频谱f_FH1从f_FH中取出，在f中心区域范围大小与f_FH1相同的区域用f_FH1替代，得到更新的频谱矩阵f；

d)对所述的频谱矩阵f进行逆傅里叶变换，得出在成像设备靶面处的物体衍射光斑分布diff_ccd， 表示对f进行逆傅里叶变换；

3)通过计算机按下列步骤计算出高分辨率的数字全息重构图像：

①设定一个大的零矩阵Diff_ccd，中心区域范围大小与diff_ccd相同的区域的值用diff_ccd替代，设定一个初始猜测的待测样品的透过率函数O₀用于迭代；

②经过n次迭代计算后的待测样品的透过率函数为；

O_n+1＝O'_n·S_hole+(O_n-αO'_n)·(1-S_hole)

O_n和O'_n分别对应在n次迭代的更新前和更新后的待测样品的透过率函数，

α为反馈常量取值限定在[0.5,1]之间，S_hole在小孔光阑范围内取值为1，其他区域取值为0；

③将物体透过率函数O_n+1传输到随机相位板平面，对应的待测样品的衍射光斑分布为_ψn+1；经由随机相位板调制后得到出射波函数Ψ_n+1，Ψ_n+1＝ψ_n+1·t，其中t为已知的随机相位板分布函数；

④再将出射波函数Ψ_n+1传输到成像设备靶面，在成像设备靶面形成计算出的新的衍射光斑分布Diff_n+1；

⑤对Diff_n+1进行更新，将Diff_n+1中心区域范围大小与diff_ccd相同的更新为diff_ccd，同时保持其他区域的值不变，从而得到更新的待测样品的衍射光斑分布Diff′_n+1；Diff′_n+1边缘区域的几个像素值设定为0，以消除傅里叶重复运算带来的噪声；

⑥逆向传播Diff′_n+1经过随机相位板平面后到达待测待测样品平面，最终得到更新的待测样品的透过率函数分布O'_n+1；在随机相位板平面，引入了类似于Wigner-filter的方程来消除随机相位板对照明光的影响，方程如下：

${\mathrm{\ψ}}_{n+1}^{\′}={\mathrm{\ψ}}_{n+1}+\frac{\left|t\right|}{\left|t_{\max }\right|}\frac{t^{*}}{({\left|t\right|}^2+\mathrm{\β})}\·({\mathrm{\Ψ}}_{n+1}^{\′}-{\mathrm{\Ψ}}_{n+1})$

其中，Ψ'_n+1是更新后的出射波函数，ψ'_n+1是在随机相位板平面上更新的衍射光斑，引入β常量用来消除公式中分母出现0的情形；

⑦引入均方根误差评估函数E₀(n)，其中I(r)是成像设备实际测得的待测样品的衍射光斑光强，即I(r)＝I_O，I_n(r)是经过n次迭代计算后在成像设备处的物体的衍射光斑光强；

⑧重复步骤①到⑦，直到均方根误差E₀(n)在可以接受的范围以内，并且随着迭代次数的增加，待测样品的透过率函数的准确度也在提高。

本发明的技术效果：

1)在数字全息实验装置的小孔光阑和成像设备之间加入一块分布已知的随机相位板，从而将更多的物光信息衍射到成像设备的靶面。

2)本发明的全息图像重构方法基于相干衍射成像理论，经过迭代计算后物体的高频信息得到了有效的恢复，因此重构的全息图像具有较高的分辨率，并且随机相位板的加入能够显著提高全息重构图像的收敛速度和精度，同时可以通过增加相位板密度来提高性能。

附图说明

图1是本发明高分辨率数字全息显微成像装置图。

图中：1-氦氖激光器，2-分束器，3-第一光学衰减片，4-第一反射镜，5-第一空间滤波器，6-第一准直透镜，7-聚焦透镜，8-小孔光阑，9-随机相位板，10-分光棱镜，11-成像设备，12-第二光学衰减片，13-第二空间滤波器，14-第二准直透镜，15-第二反射镜。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明高分辨率数字全息显微成像装置图。由图可见，本发明高分辨率数字全息显微成像的装置,包括氦氖激光器1，沿该氦氖激光器1的激光束方向放置分束器2，该分束器2将光束分成反射光束和透射光束，沿反射光束方向依次是第一光学衰减片3、第一反射镜4、第一空间滤波器5、第一准直透镜6、聚焦透镜7、小孔光阑8、分光棱镜10和成像设备11，沿所述的透射光束方向依次是第二光学衰减片12、第二空间滤波器13、第二准直透镜14、第二反射镜15和分光棱镜10，特点在于在所述的小孔光阑8和分光棱镜10之间设有随机相位板9，该随机相位板的相位分布已知，所述的各光学元件与激光束垂直且中心保持在光轴上。

所述的随机相位板9的相位在0和π两个值之间随机分布，最小单元的大小为14.8um，小孔光阑的直径为2mm。随机相位板9与小孔光阑8的距离为73.7mm，而从随机相位板9到成像设备11的总距离为99.2mm。成像设备11的最小像素单元为7.4um，其分辨率为1024×1024。

利用上述的高分辨率数字全息显微成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：

1)将待测样品紧贴在所述的小孔光阑8的入射光面，打开所述的氦氖激光器1，所述的成像设备11记录一组全息数据：保留物光束和参考光束记录一幅全息干涉图，强度标记为I_H；只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑图，强度标记为I_O；只保留参考光束记录一幅参考光强图，强度标记为I_R；

2)记录的全息数据用滤波法计算出在成像设备11靶面处的待测样品衍射光斑分布，具体计算过程如下：

a)为了消除零频的影响，先对全息干涉图进行滤波处理，滤波后的全息干涉图光强为I_FH＝I_H-I_O-I_R；

b)对滤波后的全息干涉图进行傅里叶变换， 表示对I_FH进行傅里叶变换，f_FH为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_FH1和-1级频谱f_FH2；

c)设定一个零矩阵f，矩阵大小与I_FH相同，将+1级频谱f_FH1从f_FH中取出，在f中心区域范围大小与f_FH1相同的区域用f_FH1替代，得到更新的频谱矩阵f；

d)对所述的频谱矩阵f进行逆傅里叶变换，得出在成像设备(11)靶面处的物体衍射光斑分布diff_ccd， 表示对f进行逆傅里叶变换；

3)通过计算机按下列步骤计算出高分辨率的数字全息重构图像：

①设定一个大的零矩阵Diff_ccd，中心区域范围大小与diff_ccd相同的区域的值用diff_ccd替代，设定一个初始猜测的待测样品的透过率函数O₀用于迭代；

②经过n次迭代计算后的待测样品的透过率函数为；

O_n+1＝O'_n·S_hole+(O_n-αO'_n)·(1-S_hole)

O_n和O'_n分别对应在n次迭代的更新前和更新后的待测样品的透过率函数，

α为反馈常量取值限定在[0.5,1]之间，S_hole在小孔光阑范围内取值为1，其他区域取值为0；

③将物体透过率函数O_n+1传输到随机相位板9平面，对应的待测样品的衍射光斑分布为ψ_n+1；经由随机相位板9调制后得到出射波函数Ψ_n+1，Ψ_n+1＝ψ_n+1·t，其中t为已知的随机相位板分布函数；

④再将出射波函数Ψ_n+1传输到成像设备11靶面，在成像设备11靶面形成计算出的新的衍射光斑分布Diff_n+1；

⑤对Diff_n+1进行更新，将Diff_n+1中心区域范围大小与diff_ccd相同的更新为diff_ccd，同时保持其他区域的值不变，从而得到更新的待测样品的衍射光斑分布Diff′_n+1；Diff′_n+1边缘区域的几个像素值设定为0，以消除傅里叶重复运算带来的噪声；

⑥逆向传播Diff′_n+1经过随机相位板9平面后到达待测待测样品平面，最终得到更新的待测样品的透过率函数分布O'_n+1；在随机相位板9平面，引入了类似于Wigner-filter的方程来消除随机相位板9对照明光的影响，方程如下：

${\mathrm{\ψ}}_{n+1}^{\′}={\mathrm{\ψ}}_{n+1}+\frac{\left|t\right|}{\left|t_{\max }\right|}\frac{t^{*}}{({\left|t\right|}^2+\mathrm{\β})}\·({\mathrm{\Ψ}}_{n+1}^{\′}-{\mathrm{\Ψ}}_{n+1})$

其中，Ψ'_n+1是更新后的出射波函数，ψ'_n+1是在随机相位板9平面上更新的衍射光斑，引入β常量用来消除公式中分母出现0的情形；

⑦引入均方根误差评估函数E₀(n)，其中I(r)是成像设备(11)实际测得的待测样品的衍射光斑光强，即I(r)＝I_O，I_n(r)是经过n次迭代计算后在成像设备(11)处的物体的衍射光斑光强；

⑧重复步骤①到⑦，直到均方根误差E₀(n)在可以接受的范围以内，并且随着迭代次数的增加，待测样品的透过率函数的准确度也在提高。

Claims (2)

1.一种高分辨率数字全息显微成像的装置,包括氦氖激光器(1)，沿该氦氖激光器(1)的激光束方向放置分束器(2)，该分束器(2)将光束分成反射光束和透射光束，沿反射光束方向依次是第一光学衰减片(3)、第一反射镜(4)、第一空间滤波器(5)、第一准直透镜(6)、聚焦透镜(7)、小孔光阑(8)、分光棱镜(10)和成像设备(11)，沿所述的透射光束方向依次是第二光学衰减片(12)、第二空间滤波器(13)、第二准直透镜(14)、第二反射镜(15)和分光棱镜(10)，特征在于在所述的小孔光阑(8)和分光棱镜(10)之间设有随机相位板(9)，该随机相位板的相位分布已知，所述的各光学元件与激光束垂直且中心保持在光轴上。

2.利用权利要求1所述的高分辨率数字全息显微成像装置的成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)将待测样品紧贴在所述的小孔光阑(8)的入射光面，打开所述的氦氖激光器(1)，所述的成像设备(11)记录一组全息数据：保留物光束和参考光束记录一幅全息干涉图，强度标记为I_H；只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑图，强度标记为I_O；只保留参考光束记录一幅参考光强图，强度标记为I_R；

2)记录的全息数据用滤波法计算出在成像设备(11)靶面处的待测样品衍射光斑分布，具体计算过程如下：

a)为了消除零频的影响，先对全息干涉图进行滤波处理，滤波后的全息干涉图光强为I_FH＝I_H-I_O-I_R；

b)对滤波后的全息干涉图进行傅里叶变换， 表示对I_FH进行傅里叶变换，f_FH为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_FH1和-1级频谱f_FH2；

c)设定一个零矩阵f，矩阵大小与I_FH相同，将+1级频谱f_FH1从f_FH中取出，在f中心区域范围大小与f_FH1相同的区域用f_FH1替代，得到更新的频谱矩阵f；

d)对所述的频谱矩阵f进行逆傅里叶变换，得出在成像设备(11)靶面处的物体衍射光斑分布diff_ccd， 表示对f进行逆傅里叶变换；

3)通过计算机按下列步骤计算出高分辨率的数字全息重构图像：

①设定一个大的零矩阵Diff_ccd，中心区域范围大小与diff_ccd相同的区域的值用diff_ccd替代，设定一个初始猜测的待测样品的透过率函数O₀用于迭代；

②经过n次迭代计算后的待测样品的透过率函数为；

O_n+1＝O'_n·S_hole+(O_n-αO'_n)·(1-S_hole)

O_n和O'_n分别对应在n次迭代的更新前和更新后的待测样品的透过率函数，α为反馈常量取值限定在[0.5,1]之间，S_hole在小孔光阑范围内取值为1，其他区域取值为0；

③将物体透过率函数O_n+1传输到随机相位板(9)平面，对应的待测样品的衍射光斑分布为ψ_n+1；经由随机相位板(9)调制后得到出射波函数Ψ_n+1，Ψ_n+1＝ψ_n+1·t，其中t为已知的随机相位板分布函数；

④再将出射波函数Ψ_n+1传输到成像设备(11)靶面，在成像设备(11)靶面形成计算出的新的衍射光斑分布Diff_n+1；

⑤对Diff_n+1进行更新，将Diff_n+1中心区域范围大小与diff_ccd相同的更新为diff_ccd，同时保持其他区域的值不变，从而得到更新的待测样品的衍射光斑分布Diff′_n+1；Diff′_n+1边缘区域的几个像素值设定为0，以消除傅里叶重复运算带来的噪声；

⑥逆向传播Diff′_n+1经过随机相位板(9)平面后到达待测待测样品平面，最终得到更新的待测样品的透过率函数分布O'_n+1；在随机相位板(9)平面，引入了类似于Wigner-filter的方程来消除随机相位板(9)对照明光的影响，方程如下：

${\mathrm{\ψ}}_{n+1}^{\′}={\mathrm{\ψ}}_{n+1}+\frac{\left|t\right|}{\left|t_{\max }\right|}\frac{t^{*}}{({\left|t\right|}^2+\mathrm{\β})}\·({\mathrm{\Ψ}}_{n+1}^{\′}-{\mathrm{\Ψ}}_{n+1})$

其中Ψ'_n+1是更新后的出射波函数，ψ'_n+1是在随机相位板(9)平面上更新的衍射光斑，引入β常量用来消除公式中分母出现0的情形；

⑦引入均方根误差评估函数E₀(n)，其中 $E_0\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_r{|I\left(r\right)-\mathrm{\γ}{I}_n\left(r\right)|}^2}{{\mathrm{\Σ}}_r{\left|I\left(r\right)\right|}^2},\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{r}I\left(r\right)I_n^{*}\left(r\right)}{{\mathrm{\Σ}}_r{\left|I_n\left(r\right)\right|}^2},$ I(r)是成像设备(11)实际测得的待测样品的衍射光斑光强，即I(r)＝I_O，I_n(r)是经过n次迭代计算后在成像设备(11)处的物体的衍射光斑光强；

⑧重复步骤①到⑦，直到均方根误差E₀(n)在可以接受的范围以内，并且随着迭代次数的增加，待测样品的透过率函数的准确度也在提高。