CN105159043A - 基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，采用了远心光学结构，使物光和参考光这两束平行光在相机成像平面上干涉形成干涉图，从而可避免传统数字全息显微成像装置中的像差，大大提高了系统的准确度，而且无需其他复杂的物理或计算像差补偿过程，降低了后期计算处理的复杂度。
Description
技术领域
本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置。
背景技术
数字全息作为一种新型相干测量与成像技术，其最大的优势在于能够同时独立地获取物体的定量振幅信息和相位信息。当对具有细微三维光学结构的反射式物体进行定量检测时，相位信息显得尤为重要。然而，使用传统的数字全息显微系统进行定量相位测量时，要准确地获得物体的相位像，就必须要首先对再现像中的相位畸变进行校正，这就需要知道实验中的各个参数，如记录距离、物参夹角、显微物镜的放大倍率等。因此，近几年相位畸变校正已经成为国内外研究者的关注热点。
按实现方法分类，相位畸变校正可分为两类：一类是通过软件方法，即在计算机中，通过数值再现进行畸变校正，瑞士研究组T.Colomb等人提出了三种消除相位畸变的方法([1]T.Colomb，etal.“NumericalParametricLensforShifting，Magnification，andCompleteAberrationCompensationinDigitalHolographicMicroscopy”.J.Opt.Soc.Am.A.2006，23(12)：3177～3190)，第一种是自动相位掩膜法，通过多次曲线拟合法来自动确定重建参数来校正相位畸变，第二种是提出利用参考共轭全息图来校正相位畸变，第三种是选取再现视场中无物体的平坦区域，通过泽尼克多项式拟合来获得畸变相位。在国内，西北工业大学的赵建林等人提出了基于最小二乘曲面拟合法([2]J.L.Di，etal.“PhaseAberrationCompensationofDigitalHolographicMicroscopybasedonLeastSquaresSurfaceFitting”.Opt.Commun..2009，(282)：3873～3877)，只需一幅全息图，便消除相位畸变。但是上述通过后期计算进行相位畸变补偿的方法大多运算量大，不论是泽尼克多项式拟合还是最小二乘曲面拟合等拟合方法的计算时间都随拍摄得到的全息图尺寸大小的增大而急剧增大。另一类是通过硬件方法即在实验记录中通过设计相应的系统光路来消除相位畸变，比如较为典型的意大利研究组P.Ferraro等人提出一种有效的两步曝光法([3]P.Ferraro，etal.“CompensationoftheInherentWaveFrontCurvatureinDigitalHolographicCoherentMicroscopyforQuantitativePhase-contrastImaging”.Appl.Opt.2003，42(11)：1938～1946)，这种方法的思路是分别拍摄有样品和无样品时的两幅全息图再进行相位相减，可以一次去掉所有畸变。然而，两步曝光法需记录两幅全息图，对系统稳定性要求较高。美国的M.K.Kim研究组提出一种物理补偿的方法([4]M.K.Kim.“ApplicationsofDigitalHolographyinBiomedicalMicroscopy”.J.Opt.Soc.Korea.2010，14(2)：77～89)，这种方法没有在物光光路中使用镜筒透镜，而是在参考光路中加入了另一个相同的显微物镜，试图使球面参考光的曲率与球面物光的曲率相同，从而在实验记录中消除二次相位畸变，但是该方法所加入的第二个显微物镜的位置很难确定和调节，而轻微的位置偏移都会导致相位畸变无法完全消除。所以如何实现精度又高调节又方便的相位畸变硬件补偿成为了数字全息显微成像中一项技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，以避免在数字全息显微成像系统中出现相位畸变问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，包括激光器、集光镜、聚光镜针孔光阑、第一聚光镜、第一平面镜、第二分束镜、镜筒透镜、显微物镜、相机、第一衰减片与第二平面镜，所述的聚光镜针孔光阑放置在集光镜的后焦面位置，同时也是第一聚光镜的前焦面位置；其中激光器发出的激光经过集光镜汇聚到聚光镜针孔光阑，光通过聚光镜针孔光阑发散后又被第一聚光镜收集变成平行光，再经过第一平面镜反射被第二分束镜分成两路：其中一路经过镜筒透镜和显微物镜后再次变成平行光照射待测样品，然后被待测样品反射的光经过显微物镜和镜筒透镜以及第二分束镜后垂直照射相机的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第一衰减片衰减光强，被第二平面镜反射，再通过第一衰减片被衰减，最后通过第二分束镜后倾斜照射相机的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机记录下来。
本发明与现有技术相比，其显著优点：采用了远心光学结构，使物光和参考光这两束平行光在相机成像平面上干涉形成干涉图，从而可避免传统数字全息显微成像装置中的像差和畸变，大大提高了系统的准确度，而且无需其他复杂的物理或计算像差补偿过程，降低了后期计算处理的复杂度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1(a)-图1(c)是为基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的三种等价装置的示意图：图1(a)是使用迈克尔逊结构的一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的示意图；图1(b)是使用分束镜进行分光的一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的示意图；图1(c)是使用光纤与光纤分路器进行分光的一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的示意图。
图2(a)-图2(e)是为利用基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置对MEMS表面微结构样品进行数字全息显微成像的结果：图2(a)是数字全息显微镜拍摄到的原始干涉图；图2(b)是原始干涉图2(a)经过傅立叶变换的频谱，图中用小框框出的是+1级谱；图2(c)是+1级谱平移到频谱中央后的结果，即物体的原始频谱；图2(d)是利用傅立叶逆变换求出的物体的光强分布图；图2(e)是利用傅立叶逆变换求出的物体的相位分布图。
具体实施方式
如图1(a)所示，本发明基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，包括激光器1、集光镜2、聚光镜针孔光阑3、第一聚光镜4、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15、第一衰减片18与第二平面镜19，所述的聚光镜针孔光阑3放置在集光镜2的后焦面位置，同时也是第一聚光镜4的前焦面位置；其中激光器1发出的激光经过集光镜2汇聚到聚光镜针孔光阑3，光通过聚光镜针孔光阑3发散后又被第一聚光镜4收集变成平行光，再经过第一平面镜10反射被第二分束镜11分成两路：其中一路经过镜筒透镜12和显微物镜13后再次变成平行光照射待测样品14，然后被待测样品14反射的光经过显微物镜13和镜筒透镜12以及第二分束镜11后垂直照射相机的成像平面15，这一路称为物光光路；另外一路经过第一衰减片18衰减光强，被第二平面镜19反射，再通过第一衰减片18被衰减，最后通过第二分束镜11后倾斜照射相机15的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机15记录下来。
本发明基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置还有两种等价的光路结构，一种结构如图1(b)所示，使用第一分束镜5进行分光，包括激光器1、集光镜2、聚光镜针孔光阑3、第一聚光镜4、第一分束镜5、第三平面镜6、第二衰减片7、第四平面镜8、第五平面镜9、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15，所述的聚光镜针孔光阑3放置在集光镜2的后焦面位置，同时也是第一聚光镜4的前焦面位置；其中激光器1发出的激光经过集光镜2汇聚到聚光镜针孔光阑3，光通过聚光镜针孔光阑3发散后又被第一聚光镜4收集变成平行光，再被第一分束镜5分成两路：其中一路经过第一平面镜10反射后经过第二分束镜11，再经过镜筒透镜12和显微物镜13后变成平行光照射待测样品14，然后被待测样品14反射的光经过显微物镜13和镜筒透镜12以及第二分束镜11后垂直照射相机15的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第三平面镜6反射后经过第七衰减片7衰减光强，依次被第四平面镜8和第五平面镜9反射后，通过第二分束镜11后倾斜照射相机15的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机15记录下来。
另一种结构如如图1(c)所示，使用光纤分路器16进行分光，包括激光器1、光纤分路器16、第一聚光镜4、第二聚光镜17、第二衰减片7、第四平面镜8、第五平面镜9、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15，其中激光器1发出的激光通过光纤耦合进入光纤分路器16，分成两路后再分别通过光纤耦合输出，该两个光纤耦合输出的光纤头分别位于第一聚光镜4和第二聚光镜17的焦点位置，在分成的两路中，一路经过第一平面镜10反射进入第二分束镜11后，再依次经过镜筒透镜12和显微物镜13后变成平行光照射待测样品14，然后被待测样品14反射的光经过显微物镜13和镜筒透镜12以及第二分束镜11后垂直照射相机15的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第二衰减片7衰减光强，依次被第四平面镜8和第五平面镜9反射后，再通过第二分束镜11倾斜照射相机15的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机15记录下来。
所述的聚光镜针孔光阑3分别放置在集光镜2的后焦面位置，同时也是第一聚光镜4的前焦面位置，这样保证了入射的激光经过针孔滤波后出射的是平行光。所述的第一衰减片18和第二衰减片7使用一片中性衰减片或由多片中性衰减片组成，或者由两片线偏振片组成，其作用是衰减参考光光强，使其与物光光强匹配，以提高干涉条纹的对比度。所有平面镜的倾斜角度可自由调整，其最后倾斜角使反射的参考光与物光成3-8°的夹角，以实现离轴干涉。
本发明基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的核心在于待测样品14、显微物镜13、镜筒透镜12与相机15构成了远心光学结构。其中待测样品14位于显微物镜13的前焦面位置，同时显微物镜13的后焦面与镜筒透镜12的前焦面重合，此外相机15位于镜筒透镜12的后焦面位置。这样保证了平行光照射待测样品14的同时从镜筒透镜12出射的物光仍然是平行光，由于参考光也是平行光，所以物光和参考光这两束平行光在相机成像平面上干涉形成干涉图，从而可避免传统数字全息显微成像装置中的像差，大大提高了系统的准确度，而且无需其他复杂的物理或计算像差补偿过程，提高了成像的速度，降低了后期计算处理的复杂度。
利用本发明基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置进行数据采集与重建的过程如下：
第一步：利用相机15采集一幅干涉图图像I；
第二步：利用傅立叶变换求出干涉图的频谱F；
第三步：选取频谱F中的+1级谱，滤除其余频谱；
第四步：找出+1级谱中能量最大值位置作为+1级谱的中心，然后将+1级谱平移到整幅频谱的中央，使+1级谱的中心与整幅频谱的中心重合。
第五步：对频谱做傅立叶逆变换，求出物体的光强分布和相位分布。
通过上述步骤可以看出，本发明采用了远心光学结构，使物光和参考光这两束平行光在相机成像平面上干涉形成干涉图，从而可避免传统数字全息显微成像装置中的像差，大大提高了系统的准确度，而且无需其他复杂的物理或计算像差补偿过程，降低了后期计算处理的复杂度。
为了测试基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置的有效性，选取MEMS表面微结构样品进行数字全息显微成像。图2(a)是数字全息显微镜拍摄到的原始干涉图；图2(b)是原始干涉图2(a)经过傅立叶变换的频谱，图中用小框框出的是+1级谱；图2(c)是+1级谱平移到频谱中央后的结果，即物体的原始频谱；图2(d)是利用傅立叶逆变换求出的物体的光强分布图；图2(e)是利用傅立叶逆变换求出的物体的相位分布图。从图2(d)和图2(e)中可以看出在没有经过任何复杂的畸变校正过程的前提下，物体的光强和相位信息得到了精确的恢复，证明使用本发明装置能够有效避免非球面波干涉带来的像差，大大提高了系统的准确度。
Claims (6)
1.一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于包括激光器(1)、集光镜(2)、聚光镜针孔光阑(3)、第一聚光镜(4)、第一平面镜(10)、第二分束镜(11)、镜筒透镜(12)、显微物镜(13)、相机(15)、第一衰减片(18)与第二平面镜(19)，所述的聚光镜针孔光阑(3)放置在集光镜(2)的后焦面位置，同时也是第一聚光镜(4)的前焦面位置；其中激光器(1)发出的激光经过集光镜(2)汇聚到聚光镜针孔光阑(3)，光通过聚光镜针孔光阑(3)发散后又被第一聚光镜(4)收集变成平行光，再经过第一平面镜(10)反射被第二分束镜(11)分成两路：其中一路经过镜筒透镜(12)和显微物镜(13)后再次变成平行光照射待测样品(14)，然后被待测样品(14)反射的光经过显微物镜(13)和镜筒透镜(12)以及第二分束镜(11)后垂直照射相机的成像平面(15)，这一路称为物光光路；另外一路经过第一衰减片(18)衰减光强，被第二平面镜(19)反射，再通过第一衰减片(18)被衰减，最后通过第二分束镜(11)后倾斜照射相机(15)的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机(15)记录下来。
2.一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于包括激光器(1)、集光镜(2)、聚光镜针孔光阑(3)、第一聚光镜(4)、第一分束镜(5)、第三平面镜(6)、第二衰减片(7)、第四平面镜(8)、第五平面镜(9)、第一平面镜(10)、第二分束镜(11)、镜筒透镜(12)、显微物镜(13)、相机(15)，所述的聚光镜针孔光阑(3)放置在集光镜(2)的后焦面位置，同时也是第一聚光镜(4)的前焦面位置；其中激光器(1)发出的激光经过集光镜(2)汇聚到聚光镜针孔光阑(3)，光通过聚光镜针孔光阑(3)发散后又被第一聚光镜(4)收集变成平行光，再被第一分束镜(5)分成两路：其中一路经过第一平面镜(10)反射后经过第二分束镜(11)，再经过镜筒透镜(12)和显微物镜(13)后变成平行光照射待测样品(14)，然后被待测样品(14)反射的光经过显微物镜(13)和镜筒透镜(12)以及第二分束镜(11)后垂直照射相机(15)的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第三平面镜(6)反射后经过第七衰减片(7)衰减光强，依次被第四平面镜(8)和第五平面镜(9)反射后，通过第二分束镜(11)后倾斜照射相机(15)的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机(15)记录下来。
3.一种基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于包括激光器(1)、光纤分路器(16)、第一聚光镜(4)、第二聚光镜(17)、第二衰减片(7)、第四平面镜(8)、第五平面镜(9)、第一平面镜(10)、第二分束镜(11)、镜筒透镜(12)、显微物镜(13)、相机(15)，其中激光器(1)发出的激光通过光纤耦合进入光纤分路器(16)，分成两路后再分别通过光纤耦合输出，该两个光纤耦合输出的光纤头分别位于第一聚光镜(4)和第二聚光镜(17)的焦点位置，在分成的两路中，一路经过第一平面镜(10)反射进入第二分束镜(11)后，再依次经过镜筒透镜(12)和显微物镜(13)后变成平行光照射待测样品(14)，然后被待测样品(14)反射的光经过显微物镜(13)和镜筒透镜(12)以及第二分束镜(11)后垂直照射相机(15)的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第二衰减片(7)衰减光强，依次被第四平面镜(8)和第五平面镜(9)反射后，再通过第二分束镜(11)倾斜照射相机(15)的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机(15)记录下来。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于第一衰减片(18)和第二衰减片(7)使用一片中性衰减片或由多片中性衰减片组成，或者由两片线偏振片组成。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于所有平面镜的倾斜角度可自由调整，其最后倾斜角使反射的参考光与物光成3-8°的夹角，以实现离轴干涉。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于远心光学结构的反射式数字全息显微成像装置，其特征在于待测样品(14)、显微物镜(13)、镜筒透镜(12)与相机(15)构成了远心光学结构，其中待测样品(14)位于显微物镜(13)的前焦面位置，同时显微物镜(13)的后焦面与镜筒透镜(12)的前焦面重合，所述相机(15)位于镜筒透镜(12)的后焦面位置。
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