CN104937499A - 用于记录伽柏全息图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于记录伽柏全息图的全息探测器设备，包括：包括远端和近端的相干光纤束；光学耦接到所述相干光纤束近端的记录介质；光源，所述光源使用时生成单个光束，照明所述相干光纤束远端和要被观察的物体。

Description

用于记录伽柏全息图的方法

技术领域

本发明涉及用于记录伽柏(gabor)全息图的方法和设备。

背景技术

由于显微镜透镜的高数值孔径和高放大率，光学显微术常受限于小的景深。所以，提高它是光学显微术中的一个重要目标。一种能够令记录成失焦的物体再聚焦的方案是基于数字全息显微术(DHM)，其中全息图是用CCD相机记录。该全息图的再现或再聚焦是通过数字计算进行。数字全息显微术是一种有大量应用的新兴技术，这归功于其定量的相衬(phase contrast)成像和其在深度上的物体再聚焦。

全息图是通过记录物体所散射光和非散射光束即参考光束之间的光学干涉图样而获得。有几种途径实现此记录方案。

存在物体光束和参考光束被分成两个不同光路的干涉构型。物体光束被物体散射后，这些光束重组于其正在发生干涉的相机传感器上。

归功于数字全息图处理，这些构型提供再聚焦和定量的相衬成像，并适用于当前日益增多的应用。

在同轴数字全息显微术中，有唯一光束以透射照明物体。被物体衍射的光束(物体光束)与周围的非衍射光束(参考光束)在记录平面上发生干涉，例如Z.Gorocs等在Proc.of SPIE Vol.7568 75681P-1的“multi-color digitalholographic microscope(DHM)for biological purposes(用于生物目的的多色数字全息显微术(DHM))”中所描述。在物体和记录平面之间有无透镜都可实现该过程。可选透镜的作用是为了适应放大率。

当紧凑性是关键点时，常采用同轴全息，以透射照明，物体和传感器之间无透镜，也无单独的参考光束，例如Jorge Garcia-Sucerquia等在APPLIEDOPTICS(应用光学)45，836-850(2006)或S.K.Jericho等在Rev.Sci.Instrum.77，043706；doi：10.1063/1.2193827(2006)中所描述。在这种构型中，如图1所示，相干照明光束入射在物体上。由物体所散射的光束部分入射在传感器上，在此与非散射的照明光束发生干涉。这基本上就是第一伽柏构型(D.Gabor，Proc.Roy.Soc.Ser.A 197，454(1949))，其中经典的照相底板被相机传感器所替换以通过计算机进行全息再现。

在同轴全息中，记录的强度以下式表达：

i(x，y)＝|r(x，y)+o(x，y)|²＝|r|²+|o|²+o^＊r+or^＊  (1)

其中(x，y)是探测器上的空间坐标，r(x，y)是参考光束(未被物体所衍射的光束)而o(x，y)是物体光束(被物体所衍射的光束)。为简明起见，我们在方程(1)右边略去了空间依赖(x，y)。设物体尺寸相对于到传感器的距离很小，则|o|²可忽略。

参考光束强度|r|²能够是一次性记录，并且对方程(1)可减掉。结果为：

i′＝o^＊r+or^＊  (2)

下面，我们将假设对|r|²的抑制总是被执行。

式(2)描述所记录的全息图。如果我们假设参考光为垂直于传感器传播的平面波，我们得到i′＝A(o^＊+o)，其中A为常数。通过在i′上应用在距离-d上的基尔霍夫-菲涅尔(KF)传播，获得用离焦距离为记录的物体的再聚焦。我们将此操作记为u_r＝R[-d]i′。当i′是由物光的振幅与其复共轭相加组成时，KF传播的应用导致被再聚焦的物体增加了称为孪生像的第二项。

在干涉实现方面，同轴全息术受到两个缺点影响，即：

-伴随任何再聚焦物体出现的孪生像，

-基本上没有直接记录的光学相位信息，其大幅减少了所记录的信息量。

然而，光学相位信息直接联系到DHM的定量相衬成像能力，而且在用于测量样本(活细胞......)的光学厚度的大量应用中是很重要的。必须注意到孪生像是由在记录平面中不知道光学相位信息这一事实而造成。如果有方法获得相位信息，它就可以和通过同轴全息术获得的强度信息结合起来。那么孪生像将在数字全息再聚焦期间被去掉。

通过光纤进行全息图传输已见于专利文献JP60/042178A，但在提出的配置中，唯一的光纤在光纤的两端被同步扫描，这增加了复杂度和系统的尺寸。在该文献中，通过扫描过程在近端处再现全息图。由于扫描速率限制，这样的设备还表现出不能成像移动物体的缺点。

小型化是一个重要的主题，因为能够在减小尺寸的试验设备比如“片上实验室(lab on chip)”设备上进行测量的需求日益增加。还有一个需求是能够实现不干扰试验进程的“现场(in situ)”测量探测器。

发明目的

本发明目的是进一步提高同轴全息术的小型化并且得益于所获得的紧凑性，以便尤其是利用光学相位信息的恢复，进一步改善数字全息工艺。

发明内容

本发明涉及一种用于记录伽柏全息图的全息探测器设备，包括

-包括远端和近端的相干光纤束；

-光学耦接到所述相干光纤束近端的记录介质；

-光源，使用时生成单个光束，照明所述相干光纤束远端和要被观察的物体。

优选地，所述光源从由LED、激光器和气体放电管组成的组中选择。

有利地，所述光源包括用于引导来自所述光源的光并形成光束的光纤。

优选地，所述记录介质是CMOS或CCD图像传感器。

有利地，所述记录介质通过直接接触或通过透镜光学耦合到所述相干光纤束的近端，所述透镜将所述相干光纤束的近端的像形成在所述记录介质上。

本发明的另一方面涉及一种包括多于一个根据本发明的全息探测器设备的光学设备，用于在不同角度下同时记录同一物体的多于一个全息图。

优选地，至少两个根据本发明的全息探测器设备被布置成它们的远端(前记录平面)彼此垂直。

有利地，两个根据本发明的全息探测器设备的远端在相反方向上布置在相同的轴线上。(平行的前记录平面或远端)

优选地，每个全息探测器设备的每个相干光纤束的近端光学耦合到相反的全息图记录设备的光源。

本发明的优势是，在所述物体与所述光纤束远端之间没必要存在透镜，用于形成无透镜全息图。

本发明的第三方面涉及一种用于记录伽柏全息图的方法，包括以下步骤：

-提供包括远端和近端的相干光纤束，所述近端被光学耦合到记录介质；

-通过单个至少部分相干光束照亮所述相干光纤束远端和要被观察的物体，由此在相干束的远端上产生伽柏全息图；

-在所述平面记录介质上记录通过所述相干光纤束传输的所述伽柏全息图。

优选地，通过利用多于一个光束，每个光束照明单独的相干光纤束，记录多于一个伽柏全息图。

附图说明

图1示出同轴全息图记录布局。

图2示出按照本发明用于记录伽柏全息图的同轴全息探测器设备的示例。

图3示出能够被用在本发明中的照明方案的示例。

图4示出能够被用在本发明中的照明方案的示例。

图5示出在相干光纤束近端处的记录方案的示例。

图6示出光学设备的示例，所述光学设备包括多于一个的根据本发明的全息探测器设备，其远端记录平面彼此垂直。

图7示出光学设备的示例，所述光学设备包括多于一个的根据本发明的全息探测器设备，其远端记录平面彼此并排平行。

图8示出光学设备的示例，所述光学设备包括多于一个的根据本发明的全息探测器设备，其远端记录平面彼此在相反方向上(面对面)平行。

图9示出光学设备的示例，所述光学设备包括不同波长、照射相同光纤束的多于一个的光源。

附图关键字

1，101，201：前记录平面(光纤束的远端)

2：物体

3：衍射光

4：干涉

5：入射光束

6，106，206：相干光纤束(内窥镜或光导管)

7，107，207：记录介质

8，108，208：光源

9：焦距

10：光源透镜

11：L：从光纤束远端到光源的距离

12：记录透镜

13：全息探测器设备

114，214：分束器

s1-3：具有特定波长带宽的点类光源

f：准直透镜的焦距

Dp1-3：分别由光源s1-3所产生的衍射图样的延伸

具体实施方式

基本概念包括使用相干光纤束或内窥镜6，也称为传像管，以便记录同轴数字全息图。相干光纤束6由经过组织的光纤束构成，其以这样的方式组织起来：在束一侧(在束远端的输入平面1)上形成的图像被传输到光纤束的另一侧(在束近端的输出平面)，并能够在由2D电子传感器7(相机)记录图像的地方观察。

随着在传像管的输入平面1处的光强分布以一定的分辨率限制被传输到传感器7，我们会认为此光分布也就是被记录下的那个。

图2示出了使用光纤内窥镜6或传像管记录同轴无透镜全息图的初始布局。

物体2(例如颗粒的3D分布)被定向光束5照明，该定向光束5能够由激光或发光二极管照明产生。物体2以这样的方式衍射照明光束5：在光纤内窥镜6的输入窗口1处衍射图样和未衍射的照明光束发生干涉。

产生空间强度分布的干涉图样被传送到输出平面，其在此被记录强度分布的二维传感器7所检测。此被记录的光强度分布能够被同轴全息术的通常处理所处置以用于3D成像。注意小型光学系统如透镜也能够被放在光纤内窥镜输入平面的前面以调整实验体积(experimental volume)的放大率。但是，在那种情况下，为了观察干涉条纹，物体2相对于输入平面1应离焦。

必须注意到，相干光纤束6使得在用其他光学布局难以到达的位置上能够用非常简单的方式记录强度分布。使用这种方式，能够把光纤内窥镜6的输入窗口1直接放置成接触微流体设备内的流体，这用图像传感器直接进行是非常复杂的。

相干光纤束6或传像管有几毫米的典型窗口宽度和几微米的独立光纤。具有典型的50.000独立光纤的传像管是可商购的。这给出了有限的分辨率，但它是一项正在发展、能够被改善的技术。

通过分别如图3和4中所示的准直的或发散的光束5能够获得照明。优选地，光束表现出良好的空间相干性，以便避免记录的干涉条纹的模糊。

对于空间不相干光源，空间相干特征由如图3所示光源8的直径上的条件所表示。在准直布局中，让我们考虑关于被记录平面1(传像管的输入窗)距离为d的离焦点的再现。我们有s＝fΔe/d，其中f是透镜的焦距9而Δe是具体由光源直径s所产生的点扩散函数的宽度。

类似地，对于发散光束，我们有s＝LΔe/d，其中L是光源8和记录平面1之间的距离11。在实际情况中，s典型的大小是几百微米。所以，根据再现的深度，虽然能够使用完全相干照明，但并不是必须有完全空间相干照明。

通过考虑位于距记录平面1距离d处的散射物体2来估计时间相干性上的约束。假设光纤的数字孔径是NA，其能够示出最大光程差为Δp＝NA²d/8，其必须小于由λ²/Δλ所表示的相干长度。这导出Δλ＜8λ²/NA²d，通常对应于Δλ≈10nm。此光谱宽度兼容于由干涉滤波器最终滤波过的发光二极管的光谱宽度。

结果为被小孔滤波的发光二极管(LED)是方便的。还可以用能够是降低了时间相干性的激光束工作。有利地，紧凑的照明方案在于用光学耦接到激光器或LED的光纤照明样本。

由传像管6所传输的光分布会到达由传感器7所记录的平面的输出侧。这一耦合能够通过将输出平面放得很接近传感器或通过如图5中所示加上某个成像透镜12来实现。

本发明的显著好处是紧凑性，使得几个设备能被有利地实现成对相同的实验体积进行多次测量。在下面的示例中，我们会将这里以上所描述的每个系统称为“基本设备”13或全息探测器设备13或简单地，探测器13。有几种感兴趣的布局以便组合基本设备13。

当使用多于一个基本设备13时，通过利用与放在传感器前的裸滤波器(barer filter)组合的不同基本设备的不同波长，或通过利用临时分离的光脉冲，来自一个基本设备13的光在物体2上漫射而产生的光能够从由偏振器和/或波片的适当组合而照明的其它基本设备13中滤除，以保持每个传感器上只有正确的波长范围。

图6示出垂直于观察方向放置的两个基本设备13的实现。

具有两个基本设备13的这一布局在3D测量的应用领域，例如3D速度测量(velocymetry)具有很高潜力。实际上，当用数字全息术进行3D速度测量时，存在沿光轴的分辨率低于横向上的分辨率的问题。通过组合这两个方向上的全息图，所提出的布局通过在每个方向上提供最高的分辨率而克服这一限制。由于基本设备13的紧凑性，能够增加基本设备的数量以增加测量准确性。

有利地，两个或多个光纤内窥镜6能被连接到单个相机。

几个基本设备13能被并排放置以通过有效增加数值孔径而增大视场和分辨率。单独的被记录的图像被组合成用于处理的更大的唯一全息图。记录布局由图7所示。

传像管6能够被连接到相同的传感器，或连接到不同的传感器。

归功于基本设备13的紧凑性，还能够用两个相反的基本设备观察实验体积，如图8所示。

在相反基本设备布局中，用相反方向记录的样本的两个同轴全息图用两个基本设备记录。由第一基本设备(包括图8中的元件101、107、112、114、106、108和110)所记录的全息图的照明用小尺寸光源108实现，所述光源108聚焦在第二基本设备的传像管206的输出平面上。几乎没有传像管206的光纤将光传输到输出平面。光从第二基本设备的输入平面201出射作为发散光束，并照明样本或物体2。

物体的第一全息图到达传像管106的记录平面101并传输到传感器107。备选地，通过增加例如利用光纤的外部照明能实现其它照明方案。

对称的布局允许由传感器207记录第二全息图。如必要，通过适当组合偏振器和/或波片，或通过利用与放在传感器107、207前的裸滤波器组合的第一和第二光源108、208的不同波长，能够消除物体2的照明被第二(第一)光源208(108)向后反射到第一(第二)传像管106(206)的输入平面101(201)并朝传感器101(201)传输的光，以保持每个传感器107、207上只有正确的波长范围。

图8的布局允许恢复与样本相关的光学相位。这相对于通常的同轴全息方案是一种显著的改进。

考虑这样的情况，将复透射率为t的物体放在与传像管1的记录平面距离为d₁处。传像管的两个记录平面101、201以距离d分离开。为简单起见，我们假设两个光源108、208的波长相同。对两个不同波长的概括直接由下面给出。

能够示出，分别在传像管106、206的输入平面上的分布振幅i₁和i₂，以下式表示：

其中我们使用了由Joseph Shamir在1999年SPIE PRESS的“OpticalSystems and Processes(光学系统与处理)”中所定义的代数算子，并为简化阅读，略去了表示空间依赖的部分。上标＊表示复共轭运算。

我们有：由所定义的二次相位因子，其中k是由k＝2π/λ和所定义的波数。

V[b]是由V[b]g(x，y)＝g(bx，by)所定义的比例缩放算子。

其中F^±是傅立叶变换运算，由定义。

通过分别对i₁和i₂应用比例缩放算子V[d₁/d]和V[d₂/d]，我们得到：

$\begin{array}{c}{i^{\′}}_1=Q\left[\frac{d_1}{d^2}\right]U^{\′}+Q^{*}\left[\frac{d_1}{d^2}\right]U^{\′*}\\ {i^{\′}}_2=Q\left[\frac{d_2}{d^2}\right]U^{\′}+Q\left[\frac{d_2}{d^2}\right]U^{\′*}\end{array}---\left(4\right)$

其中U′＝V[1/λd]U。通过将方程(4)的实部和虚部分解，我们得到通过适当选择d₁和d₂即可解的方程组。从而U′被确定，并且我们能够通过比例缩放、傅立叶变换运算以及通过乘以二次相位因数回到t的实部和虚部。t的光学相位由计算得到。

使用传像管的全息记录最好能够在几个离散的波长，特别是在红、绿、蓝波长(或蓝绿、品红与黄色或其他任何合适的波长组合)上进行。我们假设与记录平面相隔距离d的物体由双波长准直光束照明。使用发散光束的照明略微改变下面的推导但不会改变原理。

为简单起见，我们假设物体由红色光束(630nm)和绿色光束(530nm)照明。

双波长的光分布由传感器分别记录。通过使用同轴全息术表达式，我们得到下面两个全息信号：

$\begin{array}{c}{i}_1=u_1+u_1^{*}\\ i_2=u_2+u_2^{*}\end{array}---\left(5\right)$

其中u₁和u₁是以波长λ₁和λ₂通过基尔霍夫-菲涅尔传播从物体平面传播到记录平面的物体t的复振幅。

使用之前的标记，它们可表示为：

$u_n=F^{-1}Q[-{\mathrm{\λ}}_n^{2}d]\mathrm{Ft}---\left(6\right)$

其中n＝1，2。

如以d′＝dλ₂/λ₁的距离在波长λ_1上获得的，也能看到波长λ2的衍射图样。所以，方程(5)的全息信号能够被视为关于单个波长λ₁关于两个传播距离d和d′获得的。利用此事实和方程(6)，方程(5)可重写为：

$\begin{array}{c}{i}_1=F^{-1}Q[-{\mathrm{\λ}}_1^{2}d]\mathrm{Ft}+F^{-1}Q\left[{\mathrm{\λ}}_1^{2}d\right]F{t}^{*}\\ i_2=F^{-1}Q[-{\mathrm{\λ}}_1^2{d}^{\′}]\mathrm{Ft}+F^{-1}Q\left[{\mathrm{\λ}}_1^2{d}^{\′}\right]F{t}^{*}\end{array}---\left(7\right)$

我们将t分成实部和虚部，t＝t_r+jt_j。我们计算方程(7)中两式的傅里叶变换，得到：

$\begin{array}{c}{I}_1=Q[-{\mathrm{\λ}}_1^{2}d](T_r+j{T}_j)+Q\left[{\mathrm{\λ}}_1^{2}d\right](T_r-j{T}_j)\\ I_2=Q[-{\mathrm{\λ}}_1^2{d}^{\′}](T_r+j{T}_j)+Q\left[{\mathrm{\λ}}_1^2{d}^{\′}\right](T_r-j{T}_j)\end{array}---\left(8\right)$

其中T_r和T_j是t_r和t_j的傅里叶变换。方程(8)包括一组两个方程式，根据q＝sin{πλ(u²+v²)(d-d′)}≠0易于求解未知数T_r和T_j，其中(u，v)是空间频率。当(u，v)＝(0，0)并当πλ(u²+v²)(d-d′)＝mπ时，量q＝0。第一奇点对应于不重要的整个视场上的恒定值，而第二奇点能够通过利用三波长照明被消除。

因此，通过计算T＝T_r+jT_j的反傅立叶变换，我们获得了提供物体的光学相位的复振幅t。

样本的光学相位的多方向测量提供测量光学相位信息的3D度量的工具。这被称为光学断层摄影术(optical tomography)。用于进行样本的多个测量的多波长方法能实现这种测量。

空间分离的照明

有利地，有不同波长的几个光源以不同的方向照明样本。这由图9示出。

在图9中，几个点类光源放在透镜前焦平面的不同位置处。传播通过透镜后，每个光源都产生有它们自己的传播方向的准直光束。

这几个准直光束照明放在透镜和传像管输入平面之间的物体。由物体所衍射的每个照明光束，会在传像管的输入平面处产生空间移位的衍射图样。不同光源的波长带宽按照被传感器探测时能够把贡献分离开的方式被选择。由于所记录的衍射图样之间有移位，数字全息再聚焦提供了该物体的空间分离的再现像。此分离量正比于物体和传感器之间的距离。结果是该分离能够被用于测量物体和传感器之间的距离。这种测量能力改善了仅由数字全息再聚焦所获得的精度。

这种类型的多源照明也能够被用于球面照明的情况下。其也能够和所描述的多传像管布局耦接。

Claims (12)

1.用于记录伽柏全息图的全息探测器设备(13)，包括

-包括远端(1，101，201)和近端的相干光纤束(6，106，206)；

-光学耦接到所述相干光纤束(6，106，206)近端的记录介质(7，107，207)；

-光源(8，108，208)，所述光源(8，108，208)使用时生成单个光束(5)，照明所述相干光纤束(6，106，206)远端(1，101，201)和要被观察的物体(2)。

2.如权利要求1所述的全息探测器设备(13)，其中所述光源(8，108，208)从由LED、激光器和气体放电管组成的组中选择。

3.如前述权利要求的任一项所述的全息探测器设备(13)，其中所述光源(8，108，208)包括用于引导来自所述光源的光并形成光束(5)的光纤。

4.如前述权利要求的任一项所述的全息探测器设备(13)，其中所述记录介质(7，107，207)是CMOS或CCD图像传感器。

5.如前述权利要求的任一项所述的全息探测器设备(13)，其中所述记录介质(7，107，207)通过直接接触或通过透镜(12，112，212)光学耦合到所述相干光纤束的近端，所述透镜将所述相干光纤束(6，106，206)的近端的像形成在所述记录介质(7，107，207)上。

6.光学设备，包括多于一个的如前述权利要求的任一项所述的全息探测器设备(13)，用于在不同角度下同时记录同一物体的多于一个全息图。

7.根据权利要求6所述的光学设备，其中至少两个根据权利要求1-5中任一项的全息探测器设备被布置成它们的远端(1)被此垂直。

8.根据权利要求6所述的光学设备，其中两个根据权利要求1-5中任一项的全息探测器设备的远端在相反方向上布置在相同的轴线上。

9.根据权利要求8所述的光学设备，其中每个全息探测器设备的每个相干光纤束的近端光学耦合到相反的全息图记录设备的光源。

10.根据前述权利要求的任一项所述的光学设备，其中在所述物体与所述光纤束远端之间不存在透镜，用于形成无透镜全息图。

11.用于记录伽柏全息图的方法，包括以下步骤：

-提供包括远端(1，101，201)和近端的相干光纤束(6，106，206)，所述近端被光学耦合到记录介质(7，107，207)；

-通过单个至少部分相干光束(5)照亮所述相干光纤束(6，106，206)的远端(1，101，201)和要被观察的物体(2)，由此在相干束的远端(1，101，201)上产生伽柏全息图；

-在平面记录介质上记录通过所述相干光纤束(6，106，206)传输的所述伽柏全息图。

12.如权利要求11所述的方法，其中通过利用多于一个光束(5)，每个光束(5)照明单独的相干光纤束(6，106，206)，记录多于一个伽柏全息图。