CN107463081A - 一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统，主要包括第一光源系统、第二光源系统、光传播系统、旋转工作台和图像处理系统。光路设置中既有同轴部分也有离轴部分，利用内置机械开光可进行同轴、离轴光路的切换。透射式、反射式为一体，可以进行多类样品的观测，不仅限于透明物体的检测，也可以适用于非透明物体表面形貌检测。利用旋转式衰减片对物光和参考光进行设置，可以定量调节物参比。立方分束棱镜底座可以进行三个方向的微调，其调节精度较高，可以实现入射光角度的调节。可采用双波长数字全息显微进行样品的观测，具有快速、全视场、非接触和定量相衬成像的优点。
Description
技术领域
本发明设计一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系 统，属于数字全息显微术(DHM)领域。
背景技术
数字全息显微术是近些年发展起来的一种新的显微成像技术， 己在生物细胞成像、MEMS器件和微光学器件的检测、微小物体的变 形和振动测量领域中得到了广泛的应用。
数字全息显微术具有如下优点:(1)不需要对物体进行扫描，利 用复振幅信息直接可以得到三维数据信息，因而三维分布信息的获 取速度较快:(2)通过数字调焦技术，可获得待测样品各个层面的分 布，不需要对物体进行切片:(3)对测量环境没有特殊要求，而且可 以直接对活体生物进行成像，不需要在物体表面镀膜或者对物体染 色:(4)测量范围较宽可以从毫米到亚微米。通过十几年的发展，数 字全息显微术逐步向产品化、商业化发展。瑞士LynceeTec公司开 发了世界上第一部数字全息显微镜，借助它可以完成微小物体的实 时记录。
然而，数字全息显微术的分辨率和传统光学显微系统一样，取 决于显微物镜的数值孔径(NA)以及光源的波长。2006年，有人提出 的飞秒数字全息记录系统虽然可以突破CCD的帧频限制，达到飞秒 量级的时间分辨率，但是这些系统的空间分辨率没有突破显微镜的 分辨极限，而且它不是实时采集，只能获取几个时间点的信息。2011 年，又有学者提出的一种新的方法，该虽然可以提高一定的分辨率 实现实时记录，但是系统设计单一，体积较大，不能实现同轴离轴 的切换和透射、反射一体。
发明内容
本发明的目的是解决数字全息显微系统不能同时具有高时间分 辨率、高空间分辨率等缺点，以达到同轴离轴可切换，透射、反射 一体的目的。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种利用数字 全息技术的三维实时显微成像检测系统，其特征在于:主要包括第一 光源系统、第二光源系统、光传播系统、旋转工作台和图像处理系 统。
所述光传播系统包括立方分束棱镜I、立方分束棱镜II、立方 分束棱镜III、反射镜I、反射镜II和色散棱镜。
所述第一光源系统的激光器I发出的光束和第二光源系统的激 光器II发出的光束呈90°。这两个光束分别入射立方分束棱镜I 的两个相邻面。
所述光传播系统包括立方分束棱镜I、立方分束棱镜II、立方 分束棱镜III、反射镜I、反射镜II和色散棱镜
从立方分束棱镜I出射的两路光束相互呈90°，一路射向立方 分束棱镜II、另外一路射向色散棱镜。
从立方分束棱镜II出射的两路光束相互呈90°，一路穿过第 一测试位置并入射立方分束棱镜III、另外一路射向反射镜I。
所述旋转工作台可旋转到第一测试位置，也可离开第一测试位 置。当旋转工作台处于第一测试位置时，穿过第一测试位置的光束 依次穿过旋转工作台上的非线性晶体I、样品、消色差显微物镜I 和消色差透镜I，此时，反射镜I反射光束也射向非线性晶体I，以增强照射样品的物光。
色散棱镜的出射光射向反射镜II后，被反射向机械开关II。 若机械开关II打开，该路光线入射立方分束棱镜III，且与立方分 束棱镜II射向射立方分束棱镜III的光呈90°。
所述立方分束棱镜III出射的两路光束相互呈90°，一路射向 图像传感器(CCD)、另外一路射向机械开关I。若机械开关I打开， 穿过机械开关I的光线依次穿过第二测试位置上的非线性晶体II、 消色差透镜II、消色差显微物镜II和样品。
测试时：
1〕离轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关I，打开机械 开关II，旋转工作台处于第一测试位置。照射样品的光束和经过的 机械开关II参考光均射向立方合束棱镜III，形成干涉图后由CCD 记录下来。
2〕同轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关I，关闭机械 开关II，旋转工作台处于第一测试位置。照射样品的光束射入立方 合束棱镜III后，再射入CCD中。
3〕反射式数字全息显微实时检测：打开机械开关I，打开机械 开关II，旋转工作台离开第一测试位置。此时，反射镜I的反射光 束不再射向非线性晶体I，而是射向非线性晶体I，用于增强照射样 品的物光。样品被物光照射后，其反射光回到立方分束棱镜III中，最终成像到CCD上，形成双波长复合全息图。
基于上述系统，本专利公开一种利用数字全息技术的三维实时 显微成像检测方法。该方法中，将双波长复合全息图输入GPU中， 输出重建的全息图。该方法利用非线性晶体(NL)和GPU并行计算， 可以实现多平面的并行计算，提高光强，增加纵向深度，以达到高空间分辨率。该方法同时实现高时间分辨率与高空间分辨率。利用 GPU并行计算，可以实现快速的计算，以达到高时间分辨率。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
1)光路设置中既有同轴部分也有离轴部分，利用内置机械开光 可进行同轴、离轴光路的切换
2)透射式、反射式为一体，可以进行多类样品的观测，不仅限 于透明物体的检测，也可以适用于非透明物体表面形貌检测。
3)利用GPU并行计算提高运算速度，实现实时检测。
4)利用旋转式衰减片对物光和参考光进行设置，可以定量调节 物参比。
5)立方分束棱镜底座可以进行三个方向的微调，其调节精度较 高，可以实现入射光角度的调节。
6)可采用双波长数字全息显微进行样品的观测，具有快速、全 视场、非接触和定量相衬成像的优点。
7)光路设置比较简单，操作方便。
8)系统的集成度高，科学应用领域广泛。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统状态及光路图；
图2为本发明实施例2的系统状态及光路图；
图3为本发明实施例3的系统状态及光路图；
图4为本发明实施例4的系统构架图。
图中：第一光源系统：激光器--101、空间滤波器--102、旋转 式衰减片--103、扩束准直器—104；
第二光源系统：激光器I--201、空间滤波器I--202、旋转式 衰减片I--203、扩束准直器I—204；
光传播系统：立方分束棱镜I--301、立方分束棱镜--302、立 方分束棱镜III--303、反射镜I--304、反射镜II--305、色散棱镜 306；
图像处理系统：图像传感器CCD；
机械开关I--4、机械开关II--5、旋转工作台6、非线性晶体 I--601、消色差显微物镜I--602、消色差透镜I—603、样品7、非 线性晶体II--801、消色差显微物镜II--802、消色差透镜II—803、 样品9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本 发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思 想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换 和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
参见图1～3，本实施例公开一种利用数字全息技术的三维实时 显微成像检测系统，其特征在于:主要包括第一光源系统、第二光源 系统、光传播系统、旋转工作台6和图像处理系统。
所述光传播系统包括立方分束棱镜301、立方分束棱镜302、 立方分束棱镜303、反射镜304、反射镜305和色散棱镜306。
所述第一光源系统的激光器101发出的光束和第二光源系统的 激光器201发出的光束呈90°。这两个光束分别入射立方分束棱镜 301的两个相邻面。
所述光传播系统包括立方分束棱镜301、立方分束棱镜302、 立方分束棱镜303、反射镜304、反射镜305和色散棱镜306
从立方分束棱镜301出射的两路光束相互呈90°，一路射向立 方分束棱镜302、另外一路射向色散棱镜306。
从立方分束棱镜302出射的两路光束相互呈90°，一路穿过第 一测试位置并入射立方分束棱镜303、另外一路射向反射镜304。
所述旋转工作台6可旋转到第一测试位置，也可离开第一测试 位置。当旋转工作台6处于第一测试位置时，穿过第一测试位置的 光束依次穿过旋转工作台6上的非线性晶体601、样品7、消色差显 微物镜602和消色差透镜603，此时，反射镜304反射光束也射向非线性晶体601，以增强照射样品7的物光。
色散棱镜306的出射光射向反射镜305后，被反射向机械开关 5。若机械开关5打开，该路光线入射立方分束棱镜303，且与立方 分束棱镜302射向射立方分束棱镜303的光呈90°。
所述立方分束棱镜303出射的两路光束相互呈90°，一路射向 图像传感器CCD、另外一路射向机械开关4。若机械开关4打开，穿 过机械开关4的光线依次穿过第二测试位置上的非线性晶体801、消 色差透镜803、消色差显微物镜802和样品9。
表1：
实施例中，采用的样品7是：洋葱表皮细胞
采用的样品9是：300～500μm单颗粒金刚钻
实施例1：
参见图1，离轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关4，打 开机械开关5，旋转工作台6处于第一测试位置。照射样品7的光束 和经过的机械开关5参考光均射向立方合束棱镜303，形成干涉图后 由CCD记录下来。
实施例2：
参见图2，同轴透射式数字全息显微系统：
关闭机械开关4，关闭机械开关5，旋转工作台6处于第一测试 位置。照射样品7的光束射入立方合束棱镜303后，再射入CCD中。
实施例3：
参见图3，反射式数字全息显微实时检测：打开机械开关4， 打开机械开关5，旋转工作台6离开第一测试位置。此时，反射镜 304的反射光束不再射向非线性晶体601，而是射向非线性晶体601， 用于增强照射样品9的物光。样品9被物光照射后，其反射光回到 立方分束棱镜303中，最终成像到CCD上，形成双波长复合全息图。
实施例4：
本实施例公开一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检 测方法。该方法中，将双波长复合全息图输入GPU中，输出重建的 全息图。
参见图4，本实施例采用的GPU型号为Tesla K80，其具体 参数如下：
表2：
值得说明的是，Tesla K80作为Nvidia Kepler系列中最高端的产 品，它具有以下特性：
(1)动态调整
Tesla K80支持GPU在运行过程中，根据负载情况，进行主频 的动态调整、超频，将程序的执行效率发挥到最大化。
(2)共享内存和寄存器文件容量翻倍
相比较于K20X和K10，K80的共享内存和寄存器文件增加了 一倍，有效改善了流处理器阵列内的有效数据带宽。
(3)Zero-power模式
在GPU没有加速工作负载的情况下，通过关闭闲置GPU(设置 GPU为Zero-Power模式)，来进一步提高数据中心的能源利用效率。
(4)多GPU的Hyper-Q模式
通过多个CPU核心能够同时利用单个Kepler GPU，可大幅缩减 CPU闲置时间，大大提升了可编程性与效率。
(5)系统监控管理
支持在GPU集群/网格系统中，对GPU芯片进行监控管理。
(6)支持ECC校验
内存和外部DDR5的DRAM的ECC校验，保障了超级计算中 心和数据中心的计算精度和可靠性。
本实施例所述方法利用非线性晶体(NL)和GPU并行计算，可 以实现多平面的并行计算，提高光强，增加纵向深度，以达到高空 间分辨率。该方法同时实现高时间分辨率与高空间分辨率。利用GPU 并行计算，可以实现快速的计算，以达到高时间分辨率。
Claims (2)
1.一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统，其特征在于:主要包括所述第一光源系统、第二光源系统、光传播系统、旋转工作台(6)和图像处理系统；
所述光传播系统包括立方分束棱镜I(301)、立方分束棱镜II(302)、立方分束棱镜III(303)、反射镜I(304)、反射镜II(305)和色散棱镜(306)；
所述第一光源系统的激光器I(101)发出的光束和第二光源系统的激光器II(201)发出的光束呈90°；这两个光束分别入射立方分束棱镜I(301)的两个相邻面；
所述光传播系统包括立方分束棱镜I(301)、立方分束棱镜II(302)、立方分束棱镜III(303)、反射镜I(304)、反射镜II(305)和色散棱镜(306)。
从立方分束棱镜I(301)出射的两路光束相互呈90°，一路射向立方分束棱镜II(302)、另外一路射向色散棱镜(306)；
从立方分束棱镜II(302)出射的两路光束相互呈90°，一路穿过第一测试位置并入射立方分束棱镜III(303)、另外一路射向反射镜I(304)；
所述旋转工作台(6)可旋转到第一测试位置，也可离开第一测试位置；当旋转工作台(6)处于第一测试位置时，穿过第一测试位置的光束依次穿过旋转工作台(6)上的非线性晶体I(601)、样品(7)、消色差显微物镜I(602)和消色差透镜I(603)，此时，反射镜I(304)反射光束也射向非线性晶体I(601)，以增强照射样品(7)的物光；
色散棱镜(306)的出射光射向反射镜II(305)后，被反射向机械开关II(5)；若机械开关II(5)打开，该路光线入射立方分束棱镜III(303)，且与立方分束棱镜II(302)射向射立方分束棱镜III(303)的光呈90°；
所述立方分束棱镜III(303)出射的两路光束相互呈90°，一路射向图像传感器(CCD)、另外一路射向机械开关I(4)；若机械开关I(4)打开，穿过机械开关I(4)的光线依次穿过第二测试位置上的非线性晶体II(801)、消色差透镜II(803)、消色差显微物镜II(802)和样品(9)；
测试时：
1〕离轴透射式数字全息显微系统：
关闭机械开关I(4)，打开机械开关II(5)，旋转工作台(6)处于第一测试位置；照射样品(7)的光束和经过的机械开关II(5)参考光均射向立方合束棱镜III(303)，形成干涉图后由CCD记录下来；
2〕同轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关I(4)，关闭机械开关II(5)，旋转工作台(6)处于第一测试位置；照射样品(7)的光束射入立方合束棱镜III(303)后，再射入CCD中；
3〕反射式数字全息显微实时检测：打开机械开关I(4)，打开机械开关II(5)，旋转工作台(6)离开第一测试位置；此时，反射镜I(304)的反射光束不再射向非线性晶体I(601)，而是射向非线性晶体I(601)，用于增强照射样品(9)的物光；样品(9)被物光照射后，其反射光回到立方分束棱镜III(303)中，最终成像到CCD上，形成双波长复合全息图。
2.一种基于权利要求1或2所述系统的利用数字全息技术的三维实时显微成像检测方法，其特征在于：将双波长复合全息图输入GPU中，输出重建的全息图。
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