CN105204310B - 基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，包括差频激光相干单元、二维扫描单元、光电信息接收处理单元和计算机重构复振幅单元。本发明基于差频扫描技术实现复振幅物体的重构，与现有的相干光学扫描全息技术相比更加简单，易于实现。本发明用于生物显微，特别是透明或弱吸收生物样品检测领域，具有优于其他生物成像技术的优点，在保证成像分辨率的前提下可以实现相干成像，得到样品更多与折射率有关的信息，因此具有非常好的生物医学应用前景。

Description

基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置

技术领域

本发明涉及生物医学领域中相干物体的三维成像，特别是一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置。

技术背景

光学扫描全息技术(Optical Scanning Holography,以下简称为OSH)是一种新型的数字全息技术，它由美国弗吉尼亚理工大学Ting-Chung Poon教授及其合作者共同提出并逐步完善，在国际信息光学领域受到广泛的关注，目前针对OSH的应用研究已经在多个科研领域展开，并在理论和实验方面均取得了非常多的成果。在先技术(T.-C.Poon andA.Korpel,“Optical transfer function of an acousto-optic heterodyning imageprocessor,”Opt.Lett.4,317-319(1979))对非相干图像处理，首次提出了差频相干的概念，其中用到了声光外差调制技术，用于产生时域差频。随后在先技术(T.-C.Poon,“Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optictwo-pupil synthesis,”J.Opt.Soc.Am.2,521-527(1985))对光学扫描全息技术在数学上进行了严密的推导，针对双瞳外差干涉扫描结构建立了完整的数学模型，称为扫描全息。直到1992年，B.D.Duncan和T.-C.Poon才将该技术正式命名为光学扫描全息技术，并对该技术在高斯光照明下的情况作了详细分析，在先技术(B.D.Duncan and T.-C.Poon,“Gaussianbeam analysis of optical scanning holography,”J.Opt.Soc.Am.A 9,229-236(1992))推导出此时光学扫描全息的脉冲响应函数，并对分辨率、放大率以及三维扭曲等进行了深入的讨论。至此，光学扫描全息技术的理论框架基本完成，而有关光学扫描全息术的实验也同步进行，并有力地证明了该技术具有以往数字全息技术所不具有的优点，包括非相干全息，实时三维图像获取，去赝像等。由于这种全息技术的独特性能，吸引了国际上诸多研究机构的兴趣，并迅速开展了基于OSH的各种理论和实验研究。

与其他全息术相似，光学扫描全息技术也包括全息记录和三维重建两个过程。全息记录过程中，利用特殊光束对三维物体进行二维扫描得到全息图。其中的扫描光束是由马赫-曾德光路形成的干涉光斑，由于在干涉光路的一臂放置声光调制装置，从而在两束干涉光之间产生频率差，使得干涉光斑以该差频的速度变化。利用该干涉光斑扫描得到的全息图也是随时间变化的，全息图的光信号由光电转换器件(如光电二极管等)记录并转变成电流信号，这是光学扫描全息技术和其他全息术的显著不同之处。转化成电信号的全息图通过功率放大，带通滤波，锁相检测等处理后，最终得到具有复数形式的全息图(相对于传统的强度形式的全息图)，并存储于计算机中，利用全息图进行物体的三维重建一般也在计算机上实现。

光学扫描全息技术的另一特点是使用了两个光瞳函数，标准的OSH双瞳函数分别为1和脉冲函数，所形成的扫描光斑称为时变菲涅尔波带片(time-dependent Fresnelzone plate,TDFZP)。利用TDFZP扫描得到的全息图可看作物体的菲涅尔衍射，因此重建过程可以通过逆菲涅尔衍射方便的得到。当然也可以选择其他形式的双瞳函数，从而改变系统的传递函数，这也给光学扫描全息技术提供了更多的自由度。

和其他数字全息技术相比，光学扫描全息技术具有显著的不同之处，而正是这些不同之处使得OSH在某些方面优于传统的数字全息术。首先，OSH采用快速扫描的方法得到全息图，因此可以对三维物体进行实时记录和重构，这在许多情况下如生物在线检测等领域是非常有用的；通常数字全息术使用CCD等二维光学元件记录全息图，因此全息图的分辨率受限于CCD的像素大小，而OSH没有使用CCD，和传统数字全息比较可以达到很高的分辨率；同时，这种扫描加光电二极管的结构可以实现大物体的全息记录和重建，因此在遥感等领域有非常重要的应用前景；由于扫描得到的全息图是在一定载波频率上的电流信号，因此可以和无线电等技术结合，实现简单快捷的远程传输；另外，典型的OSH系统是非相干的全息记录系统，即只对物体的强度信息敏感，而忽略了位相信息，和传统的数字全息相比，OSH可以有效避免相干所带来的散斑效应，因此有利于得到高质量的重构图像。这些独特的优点使得OSH在许多领域具有非常重要的应用前景，包括全息显微、三维显示、远程遥感、全息电视、图像识别、光学加密等。

目前，包括美国、日本、以色列、韩国等多个国家的信息光学领域学者正积极地对光学扫描全息技术展开各项研究。光学扫描全息技术在荧光显微领域的应用是一个颇具代表性的工作，由于生物体发出的荧光相干性很差，因此很难用全息方法来记录和重构，而OSH所独有的非相干全息记录特性却可以解决这一问题，在先技术(B.W.Schilling,T.-C.Poon,etc.,“Three-dimensional holographic fluorescence microscopy,”Opt.Lett.22,1506-1508(1997))首次得到了荧光物体的全息显微图像，在此基础上Indebetouw等人对该显微方法进行了改进，成功验证了优于1微米的分辨率，推动了光学扫描全息在生物显微特别是荧光成像方面的应用。最近，对于数字全息重构三维物体的层析成像和自聚焦研究愈来愈热，而相应的在OSH中也有很多相关的研究报道，在先技术(X.Zhang,E.Y.Lam,and T.-C.Poon,“Reconstruction of sectional images inholography using inverse imaging,”Opt.Exp.16,17215-17226(2008))提出了逆成像(inverse imaging)等多种层析成像的方法，显著提高了OSH重构的成像质量。另外，对于OSH在光学加密、图像识别以及三维显示等方面的应用研究也多有报道，表明该技术具有非常广泛的应用前景和重要的研究意义。

国内也对光学扫描全息技术进行了深入的研究，并取得了多项研究进展。北京理工大学谢敬辉教授等人最早在国内开展了OSH的相关研究工作，提出了用菲涅尔波带板、圆环光栅等进行扫描的全息技术，以及无扫描的卷积全息术，并仔细分析了各种全息术的光学传递函数和分辨率的特点,在此基础上研究了高色散介质中的成像特性。四川大学周昕教授等人也对OSH做了细致的研究，提出了一种基于随机位相编码的光学扫描全息层析成像方法，可以有效地滤除离焦物体造成的模糊，在此基础上，他们还对该方法在具体实施过程中可能产生的误差进行了具体的分析，对于OSH三维物体重建质量的提高具有重要意义。另外，西安电子科技大学、北京师范大学、北京自动化所、昆明理工大学以及上海光机所等单位也对OSH开展了一系列理论和实验研究。

光学扫描全息技术的非相干记录特点使其可以用于荧光全息显微，同时也可以避免相干带来的散斑效应。但必须指出，由于OSH只能重构出物体的强度信息，而无法得到其位相信息，这在许多情况下是非常不利的，例如生物体通常是弱散射体，如果只记录其强度将很难得到理想的样品信息。为此，在先技术(Guy Indebetouw,Prapong Klysubun,Taegeun Kim,and Ting-Chung Poon,“Imaging properties of scanning holographicmicroscopy,”J.Opt.Soc.Am.A 17,380-390(2000))基于标准的OSH系统，提出了一种相干的光学扫描全息技术，即在光电二极管前放置傅里叶透镜，并在二极管前插入小孔屏，通过改变小孔的大小可以实现从非相干到相干模式的变换。利用相干OSH系统，Indebetouw等人首次成功对一种海绵生物的位相进行了全息重构。

这种相干模式的OSH弥补了之前只能记录强度物体的缺点，扩大了OSH的应用范围，因此具有非常重要的意义。但是，这种结构相对比较复杂，需要额外放置傅里叶透镜，并在透镜之后插入小孔屏，且小孔屏必须放在后焦面的位置以满足傅里叶变换关系，对光路要求较高，不利于该技术的研究和应用。

发明内容

本发明提出一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，该装置的优点在于，可以通过对标准光学扫描全息系统的简单改进，基本不需要作太多变动，就能实现非相干模式与相干模式之间的快速切换，另外，该技术具有更多的自由度，通过选择不同的光瞳，可以改变系统的成像分辨率，甚至重构出经过调制的物体信息，因此对于开拓光学扫描全息技术的应用范围，特别是在弱对比度生物样品成像领域具有很好的应用前景。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，特点在于其构成包括差频激光相干单元、二维扫描单元、光电信息接收处理单元和计算机重构复振幅单元，具体结构是在激光器的激光输出方向是第一分束镜，该第一分束镜将入射光分为透视光路和反射光路，在所述的透视光路方向依次是声光调制器、第一反射镜、小孔光瞳、第一准直透、第二分束镜和第二光电探测器，在所述的反射光路方向依次是第二反射镜、待成像物体、物镜、第二分束镜、掩模、第二透镜和第一光电探测器，所述的掩模具有中心小孔，该掩模垂直固定在二维扫描平台上面，使所述的掩模的中心小孔位于光路中，所述的待成像物体在所述的物镜的前焦面，所述的第一光电探测器的输出端与锁相放大器的第一输入端相连，所述的第二光电探测器与所述的锁相放大器的第二输入端相连，所述的锁相放大器的输出端与计算机的输入端相连。

所述的第二分束镜和所述的掩模的光路之间有二维扫描镜。

所述的小孔光瞳的小孔直径小于5微米。

所述的物镜的数值孔径的变化范围为0.25至0.95。

一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，也可以说包括差频激光相干单元、二维扫描单元、光电信息接收处理单元和计算机重构复振幅单元。

所述的差频激光相干单元，包括激光器、用于产生差频信号的声光调制器，以及待测复振幅物体，通过马赫曾德干涉仪结构形成差频信号，以此信号二维扫描小孔并由光电探测器接收，即可以得到与物体复振幅信息相关的电信号，该电信号以外差方式进行周期变化，而物体复振幅信息就是对周期变化电信号的一种调制。该信号通过低频滤波以及锁相放大等信号处理，并利用计算机采集处理数据，就可以重构出物体的三维复振幅信息。

本发明的技术效果如下：

本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，与现有的相干光学扫描全息技术相比更加简单，易于实现，可以方便的在相干和非相干光学扫描全息系统的应用中进行切换。本发明用于生物显微，特别是透明或弱吸收生物样品检测领域，具有优于其他生物成像技术的特点，在保证成像分辨率的前提下可以实现相干成像，得到样品更多与折射率有关的信息，因此该技术具有非常好的生物医学应用前景。

首先，本发明通过将物体与光瞳位置的调换，并对另外一个光瞳进行修正，就可以实现由非相干光学扫描全息系统向相干光学扫描全息系统的快速切换，从而得到三维物体的复振幅信息。这种结构与标准的非相干光学扫描全息系统接近，易于调节。而通常为了实现复振幅物体的三维重构，需要在标准的光学扫描全息系统后面增加小孔光阑，结构变得复杂，同时调节难度也相应增加；

其次，本发明在对生物样品，特别是弱对比度的样品的三维成像方面有很大的应用潜力，通过改变与物体光瞳相关的物镜大小，就可以得到不同分辨率和成像范围的物体信息。为了得到更多样品细节信息，可以采用放大倍率高的物镜，如100倍0.95数值孔径的物镜，为了得到大的视野，可以采用较低放大率的物镜，如10倍0.25数值孔径的物镜。通过改变工作波长可以进一步提高成像分辨率，比如使用405nm激光器会比633nm激光器的分辨率提高50％；

另外，通过改变二维扫描方式，由二维移动平台带动掩模的方式变为二维扫描镜结构可以提高扫描速度，达到接近实时获取物体三维复振幅信息的目的，节省时间的同时，有利于对实时变化的生物样品进行成像。

附图说明

图1是本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置实施例1的框图。

图2是本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置实施例2的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置的系统原理图。由图可见，本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置实施例1，构成包括差频激光相干单元、二维扫描单元、光电信息接收处理单元和计算机重构复振幅单元，具体结构是在激光器1激光输出方向是第一分束镜2，该第一分束镜2将入射光分为透视光路和反射光路，在所述的透视光路方向依次是声光调制器3、第一反射镜4、小孔光瞳5、第一准直透6、第二分束镜10和第二光电探测器15，在所述的反射光路方向依次是第二反射镜7、待成像物体8、物镜9、第二分束镜10、掩模11、第二透镜13和第一光电探测器14，所述的掩模11具有中心小孔，该掩模11垂直固定在二维扫描平台12上面，使所述的掩模11的中心小孔位于光路中，所述的待成像物体8在所述的物镜9的前焦面，所述的第一光电探测器14的输出端与锁相放大器16的第一输入端相连，所述的第二光电探测器15与所述的锁相放大器16的第二输入端相连，所述的锁相放大器16的输出端与计算机17的输入端相连。

所述的马赫曾德干涉单元包括激光器1，波长633nm，频率为ω，第一分束镜2、第二分束镜10和第一反射镜4、第二反射镜7组成了马赫曾德干涉仪结构，在干涉仪的一路中，放置声光调制器3，产生频率为Ω的频移，并满足Ω<<ω，例如取频移为40kHz。该光束经过小孔光瞳5并由第一透镜6准直，形成放大的平行光束。在干涉仪另外一路中，插入物镜9，并在该物镜之前焦面光瞳附近放置待成像物体8，例如生物样品。经过物镜后的光束与上述平行光束经第二分束镜10合为一束，该光束具有物体的三维复振幅信息，同时以为Ω的频率变化，形成外差干涉，经过第二分束镜10合束的一束光照射掩模11，掩模中心有一非常小的小孔，直径小于5微米，该掩模11固定在二维扫描平台12上面，实现对掩模11的二维扫描，经过掩模11的光由第二透镜13汇集并导入第一光电探测器14中，转换为信号电流。经过第二分束镜10合束的另一束光直接由第二光电探测器15接收，转换为参考电流。所述的信号电流经低频滤波和所述的参考电流共同进入锁相放大器16，经过信号处理并最终进入计算机16，经计算机处理得出与物体复振幅相关的信息，并重构出物体的三维图像。

在该系统中，光学扫描的方式有两种，第一种方法是如图1所示，将掩模11固定在二维扫描平台12上进行扫描，第二种方法是如图2所示，图2是本发明基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置实施例2的框图，通过扫描镜18对掩模11进行二维扫描。第一种方法位置精度高，但记录时间较长，第二种记录时间短，但位置精度较低。

在标准的非相干光学扫描全息技术中，系统输出的信号由锁相放大器解调制后，得到正弦和余弦两个全息图，表示为：

其中F和F-分别表示傅立叶变换和逆傅立叶变换，I(x,y；z)为待扫描的物体，OTF为系统的光学传递函数。由此得到的与物体相关的全息图表示为

H(x，y；z)＝i_c(x，y；z)+j*i_s(x，y；z) (2)

上述表达式说明得到的全息图是复数形式的，因此与传统的同轴全息相比，消除了基频和孪生像的影响，这点与离轴全息有点相似；另外，由于光电探测器是强度记录器件，非相干光学扫描全息技术只能得到物体的强度信息，为了得到物体的位相信息，需要在光电探测器前，透镜后焦面上插入小孔滤波，这样做的缺点是调节难度大，系统结构复杂。

本发明提出了一种复振幅物体重构的简单实现方法，即利用系统光学传递函数的复振幅记录性质。我们知道，非相干光学扫描全息系统的光学传递函数可以由系统的两个光瞳函数表示出来，即有

其中p₁(x,y),p₂(x,y)分别表示两个光瞳函数，即图1中(5)和(8)所在位置的二维空间分布，这种空间分布具有复振幅的形式，因此可以用来实现复振幅物体的重构。如果光瞳函数p₁(x,y)为点脉冲函数，则系统OTF表示为光瞳p₂(x,y)的函数

在标准的非相干光学扫描全息系统中，如果扫描的物体I(x,y；z)是非常小的小孔，那么系统的光学传递函数(或者说脉冲响应函数)就可以由此实验得到，对于非相干光学扫描全息系统，其输出的全息图H(x,y,z)与输入的物体I(x,y,z)具有以下线性空不变关系

H(x,y,z)＝F-{F{I(x,y,z)²}OTF(k_x,k_y,z)} (5)

当物体I(x,y,z)为脉冲函数(即物体为很小的小孔)时，得到的全息图就是系统的脉冲响应，其傅立叶变换即系统的光学传递函数。

从以上分析不难看出，当物体I(x,y,z)和光瞳p₁(x,y)均为δ函数时，对得到的全息图H₀(x,y,z)进行傅立叶变换可以将光瞳p₂(x,y)的信息完整的重构出来，即有

由于重构出的光瞳p₂(x,y)带有位相和振幅信息，因此如果将一物体替代该光瞳，那么最终就可以重构出该物体的复振幅信息。对于三维物体，可以通过菲涅耳衍射计算出不同轴向距离上的物体复振幅信息，即有

其中为卷积符号。由此就可以得到物体O(x,y；z)的三维复振幅信息。

在对物体进行重构时，将通过计算机进行数值计算恢复物体的复振幅信息。在重构过程中，小孔和扫描装置的距离是必须要考虑的参数，距离的偏差最终会导致重构物体的离焦和精度的偏差。可以通过实际测量两者之间的距离然后进行计算，也可以选择不同的距离进行重构计算，通过逐步逼近的方法最终决定物体的聚焦平面。这两种方法存在精度低、计算时间长的缺点，而本发明提出一种更好的方案，在对物体进行全息记录之后，将物体取下再记录一幅全息图，假设物体O(x,y,z)对应的全息图为H，由公式(6)可知

而当物体取下时，假设得到的全息图为H₀，此时重构出的复振幅应为1，即有

两者比较可以得到

这样通过两次记录全息图就能够精确重构三维物体的复振幅信息，同时还可以自动消除系统存在的其他误差如像差等，另外由于全息图H₀只需要记录一次，因此比前面提到的两种方法更准确便捷。

本发明针对光学扫描全息技术的相干重构问题，首次提出了一种简单的复振幅物体重建装置，通过改变非相干光学扫描全息系统中的光瞳，以及待扫描的物体，就可以实现由非相干光学扫描全息向相干系统的转换。该发明的优点在于，可以通过对标准光学扫描全息系统的简单改进，基本不需要作太多变动，就能实现非相干模式与相干模式之间的快速切换，相比于传统的相干光学扫描全息技术，本发明结构简单，易于实现；另外，该技术具有更多的自由度，通过选择不同的光瞳，可以改变系统的光学传递函数，重构出经过调制的物体信息。本发明用于生物显微，特别是透明或弱吸收生物样品检测领域，具有优于其他生物成像技术的优点，在保证成像分辨率的前提下可以实现相干成像，得到样品更多与折射率有关的信息，因此具有非常好的生物医学应用前景。

Claims (3)

1.一种基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，特征在于其构成包括差频激光相干单元、二维扫描单元、光电信息接收处理单元和计算机重构复振幅单元，具体结构是在激光器(1)激光输出方向是第一分束镜(2)，该第一分束镜(2)将入射光分为透视光路和反射光路，在所述的透视光路方向依次是声光调制器(3)、第一反射镜(4)、小孔光瞳(5)、第一准直透(6)、第二分束镜(10)和第二光电探测器(15)，在所述的反射光路方向依次是第二反射镜(7)、待成像物体(8)、物镜(9)、第二分束镜(10)、掩模(11)、第二透镜(13)和第一光电探测器(14)，所述的掩模(11)具有中心小孔，该掩模(11)垂直固定在二维扫描平台(12)上面，使所述的掩模(11)的中心小孔位于光路中，所述的待成像物体(8)在所述的物镜(9)的前焦面，所述的第一光电探测器(14)的输出端与锁相放大器(16)的第一输入端相连，所述的第二光电探测器(15)与所述的锁相放大器(16)的第二输入端相连，所述的锁相放大器(16)的输出端与计算机(17)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，其特征在于所述的小孔光瞳(5)的小孔直径小于5微米。

3.根据权利要求1所述的基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置，其特征在于所述的物镜的数值孔径的变化范围为0.25至0.95。