CN108594616B - 一种光学图像记录演示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光学图像记录演示系统及记录方法。该演示系统通过将激光器发出的光分为两束光波，其中一束光波携带物体的信息，另外一束光波经扩束准直后再经过显微物镜形成球面光波；球面光波将物体的强度以及位相信息全部记录在CCD上，并通过计算机进行物体三维图像的再现，并且能够保证再现最佳的物体三维图像。

Description

一种光学图像记录演示系统及方法

技术领域

本申请涉及一种显微图像的记录，属于图像记录教学领域。

背景技术

通常的显微镜，主要是通过透镜组获得，这样获得的显微图像无法记录保存，观察后对图像的细节很快就记不清楚。随着半导体技术和激光技术的不断发展，现阶段出现了一种数字显微镜，其能够在获得成像物体的强度图像的同时，获得成像物体的位相图像，或者说其能够获得成像物体的三维图像，并且能够将获得的三维图像永久的保存。

数字显微镜技术又名数字全息术，用CCD采集成像物体的全息图，将全息图输入计算机中，在计算机中利用算法模拟实际的全息图再现过程，从而在计算机中重建物体的三维图像。全息图的再现像相对于普通的数码相机获取的图像，全息图的再现像除了具有强度图像外，还有位相图像，即物体的三维形貌图像，因此数字全息术中最关键的是物体位相信息的重建。现有数字全息术中，大部分采用离轴全息的方式获得数字全息图像，离轴全息的记录系统中，从激光器中出射的激光经分束镜后分成两束光，一束经物体(sample)后携带物体的信息(因此称作物光波)，经合束镜BS后到达CCD靶面，另一束(称作参考光波)经扩束准直后经反射镜M2反射，再经合束镜反射到达CCD靶面与物光波干涉形成干涉图像(即全息图)。现有技术中，离轴数字全息主要分为离轴菲涅尔数字全息和离轴无透镜傅里叶变换数字全息，离轴菲涅尔数字全息的记录中，参考光采用平面光波，当用平面参考光波记录数字全息图时，其记录系统的结构决定了干涉光场中部分区域干涉条纹频率低，部分区域频率高，使得CCD的带宽不能充分被利用，且记录距离受到CCD光敏面大小的限制，再现像的分辨率难于提高。

发明内容

本申请提供一种显微成像系统，采用球面参考光波记录数字全息图，从而提高再现像的分辨率。

本申请采用以下技术方案：一种显微图像记录系统，包括激光器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第一反射镜4、第一扩束准直镜5、透明物体6、合束镜7、CCD8、第二半波片9、第二扩束准直镜10、第二反射镜11、显微物镜12以及计算机13；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片、第二扩束准直镜后经过第二反射镜反射进入显微物镜形成球面参考光波、所述参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；其特征在于：所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存，所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制参考点光源的位置，以获得最佳全息图，所述最佳全息图经重建后能够获得的再现像中原始像、共轭像以及中间项刚好分离。

本申请采用球面参考光波记录全息图，干涉场的条纹空间频率相对较低，从而使数字全息图记录的采样条件容易满足，尤其是按照无透镜傅里叶变换全息术的方法布置记录光路时，由于干涉条纹接近于平行且间距相等，可以充分利用CCD的有限带宽。而且允许的最小记录距离不受CCD大小的限制，对于微小物体可以以很小的距离记录全息图，获得更多的信息，有利于再现像分辨率的提高，因此用球面参考光波记录无透镜傅里叶变换数字全息图是实现高分辨率成像的有效途径。

附图说明

图1：球面参考光波数字全息记录的坐标示意图；

图2：离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统；

图3：角度调节自动控制系统

具体实施方式

球面参考光波数字全息图的记录光路以及分析所用的坐标系统如图1所示，其中x₀-y₀平面为物平面，x-y平面为全息图平面，z轴垂直通过两平面中心，参考点源的位置坐标为(x_r，y_r，z_r)，其中z_r表示点源到CCD平面的距离。在实际应用中，常取z_r＞z₀。

根据菲涅耳衍射公式，在近轴近似条件下，忽略常数位相因子，到达CCD平面的物光波及参考光波分别为

全息图中代表原始像的项是UO^*，经过整理后得到

其中

衍射场中各点的位相及沿x、y两个方向的条纹空间频率分别是

考虑到z₀、z_r均为正，且z_r≥z₀，则全息图条纹最大和最小空间频率分别为

根据尼奎斯特抽样定理，要求

由式(1-8)、(1-9)可以得到为满足抽样定理对参考光偏置所加的限制条件如下：

晕轮光|U|²的空间频率沿x、y方向空间频率的最大值为分别是为

为了使再现像相互分离，只要恰当设置参考光的位置使零级衍射项、原始像和共轭像的频谱互不重叠即可，即要求

从而得到球面参考光波离轴全息中，对参考光源位置设置的另一个限制条件，即再现像的分离条件为

结合(1-10)式即可确定参考点源的位置，式中z_r的大小是由对再现像的放大倍率要求以及再现参考光波的形式共同决定的。

利用球面参考光波记录全息图方法中，应用较多的是离轴无透镜傅里叶变换全息及同轴相移无透镜傅里叶变换全息。离轴光路的优点是零级、正负一级衍射像是彼此分离的，干扰项滤除比较容易，并可由单幅全息图重建。下面对离轴无透镜傅里叶变换全息进行讨论。

离轴无透镜傅里叶变换全息是数字全息技术中常用的记录光路结构之一。离轴无透镜傅里叶变化数字全息记录系统如图2所示，包括激光器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第一反射镜4、第一扩束准直镜5、透明物体6、合束镜7、CCD8、第二半波片9、第二扩束准直镜10、第二反射镜11、显微物镜12以及计算机13；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片、第二扩束准直镜后经过第二反射镜反射进入显微物镜形成球面参考光波、所述参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图。

此时记录参考点源位于物平面上，z_r＝z₀，代入(1-10)式和(1-13)式，得到同时满足抽样条件和再现像分离条件的偏置要求

其中等号表示临界分离与临界抽样，解之可得出最小记录距离

z_0min＝max(4X/λΔx，4Y/λΔy)  (1-15)

式中max表示取二者中较大的值。

从上面的分析可见无透镜傅里叶变换全息的再现像的分离程度与参考点光源的坐标相关，并不涉及物光波和参考光波的夹角。然而，通过对记录光路的分析，可知显微物镜表示的参考点光源与物体相对于合束镜的半透半反射镜面是镜像对称的，也就是说参考点光源通过半透半反射镜面的成像与物体位于同一平面上，且在光路布置的过程中，由于物光波和参考光波都是平行台面布置，即参考点光源的y坐标可以认为是零，此时，无透镜傅里叶变换全息的再现像的分离程度只与参考点光源的x坐标相关，而通过旋转合束镜可以改变上述点光源的x坐标，进而影响再现像的分离程度。为了获得充分分离且分辨率最大的再现像，下面介绍一种精确调节参考点光源坐标的方法；具体包括如下步骤：

1)测量合束镜至CCD靶面的第一距离d1并记录；

2)采集物光波和参考光波的第一全息图并保存；

3)对第一全息图进行重建得到再现像1，判断得到的再现像1中原始像和中间项分离的程度；

4)如果再现像1中的原始像和中间项重叠或部分重叠，计算机发出指令控制合束镜旋转规定的角度(例如0.1度)；

5)继续采集物光波和参考光波的第二全息图并保存；

6)对第二全息图进行重建得到再现像2，判断得到的再现像2中原始像和中间项分离的程度；

7)如果再现像2中原始像和中间项仍然部分重叠，则重复上述步骤4)-6)，直到再现像中的原始像和中间项完全分离；

8)对原始像和中间项完全分离的再现像继续判断，如果原始像和中间项之间的距离太远，则计算机发出指令控制半反半透镜反方向旋转规定的角度的一半(例如0.05度)；

9)、继续采集物光波和参考光波的第三全息图并保存；

10)、对第三全息图进行重建得到再现像3，判断得到的再现像3中原始像和中间项分离的程度；

11)如果原始像和中间项之间的距离仍然太远，则重复上述步骤8)-10)，直到再现像中的原始像和中间项刚好分离；此时对应的全息图为d1距离对应的最佳全息图H1；将该最佳全息图H1保存在数据库中；

12)、控制CCD向前或向后移动规定距离Δd，然后重复上述步骤1)-11)，直到获得与距离d1±Δd对应的最佳全息图H2或H3，将该最佳全息图H2或H3保存在数据库中。

13)、将获得的最佳全息图H1、H2…Hn与对应的距离d1、d2…dn建立距离-全息图对应表。

14)在后续全息图的记录中，首先测量CCD到合束镜的距离d，输入距离d后从计算机中的上述距离-全息图对应表中调出所需的最佳全息图H，作为标准全息图；其次，计算机发出指令控制合束镜旋转角度后拍摄全息图M，将该全息图M与上述标准全息图进行匹配(即识别)，如果全息图不匹配，则继续旋转角度拍摄全息图；如果全息图匹配，则将此时拍摄的全息图M保存，作为重建物体三维图像的全息图。上述全息图的匹配过程中，由于两幅全息图完全一致是很难做到的，因此可以设置一个误差阈值，当匹配的误差值小于上述阈值，则可以认为是匹配的，大于上述阈值则不匹配。

本申请由于通过采集与距离对应的最佳全息图，并建立距离-全息图对应表，在以后的数字显微镜系统调节中，只需输入CCD到合束镜的距离，计算机系统自动控制合束镜旋转并获得最佳全息图，通过该最佳全息图，就能够获得更精准的三维再现像。

进一步的，本申请还提供一种通过计算机精确地控制合束镜旋转角度的角度调节系统。如图3所示，该角度调节系统包括：支撑平台14、旋转轴15、拉线16、位移传感器17、驱动器18。合束镜固定在支撑平台上，通过旋转轴的旋转，带动合束镜旋转，从而调节参考光和物光的夹角，旋转轴的旋转带动拉线的位移，拉线的移动距离通过位移传感器监测，通过位移传感器获得拉线的移动距离，进而获得旋转轴的旋转角度，由于拉线的移动距离能够被位移传感器准确获得，且在旋转轴的直径为一恒定值时，旋转轴旋转的角度也能够被准确的获得。计算机控制驱动器驱动旋转轴旋转，在旋转轴旋转的过程中，带动拉线位移，位移传感器探测拉线的直线位移，当直线位移等于预设值时，位移传感器发出信号至计算机进而控制旋转轴停止旋转，所述预设值与合束镜需要旋转的规定角度对应。通过上述角度调节系统，能够精确地调节在上述的离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录中参考点光源的位置，控制再现像的分离程度和分辨率，从而获得高质量的再现像。进一步地，为了提高测量拉线位移的精度，在旋转轴上套设一圆盘19，拉线16的一端设置在圆盘的圆周上。

Claims (3)

1.一种光学图像记录方法，使用光学图像记录演示系统进行图像记录，所述光学图像记录演示系统包括：激光器、第一半波片、偏振分束镜、第一反射镜、第一扩束准直镜、透明物体、合束镜、CCD、第二半波片、第二扩束准直镜、第二反射镜、显微物镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片、第二扩束准直镜后经过第二反射镜反射进入显微物镜形成球面参考光波，所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存，所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制参考点光源与透明物体所在平面的相对位置，以获得最佳全息图，所述最佳全息图经重建后获得的再现像中原始像、共轭像以及中间项刚好分离；所述光学图像记录演示系统还包括角度调节系统，所述角度调节系统包括支撑平台、旋转轴、拉线、位移传感器、驱动器以及圆盘；合束镜固定在支撑平台上，驱动器驱动旋转轴旋转，旋转轴带动合束镜旋转，旋转轴的旋转带动圆盘旋转，圆盘再带动拉线移动，拉线的移动距离通过位移传感器获得，通过所述移动距离可以获得合束镜转动角度；其特征在于：所述光学图像记录方法包括以下步骤：

1)测量合束镜至CCD靶面的第一距离d1并记录；

2)采集物光波和参考光波的第一全息图并保存；

3)对第一全息图进行重建得到再现像，判断得到的再现像中原始像和中间项分离的程度；

4)如果再现像中的原始像和中间项重叠或部分重叠，计算机发出指令控制合束镜旋转规定的角度；

5)继续采集物光波和参考光波的第二全息图并保存；

6)对第二全息图进行重建得到再现像，判断得到的再现像中原始像和中间项分离的程度；

7)如果再现像中原始像和中间项仍然部分重叠，则重复上述步骤4)-6)，直到再现像中的原始像和中间项完全分离；

8)对原始像和中间项完全分离的再现像继续判断，如果原始像和中间项之间不是刚好分离，则计算机发出指令控制合束镜反方向旋转规定的角度的一半；

9)继续采集物光波和参考光波的第三全息图并保存；

10)对第三全息图进行重建得到再现像，判断得到的再现像中原始像和中间项分离的程度；

11)如果原始像和中间项之间的距离仍然不是刚好分离，则重复上述步骤8)-10)，直到再现像中的原始像和中间项刚好分离；此时对应的全息图为d1距离对应的最佳全息图H1；将该最佳全息图H1保存在数据库中；

12)控制CCD向前或向后移动规定距离Δd，然后重复上述步骤1)-11)，直到获得与距离d1±Δd对应的最佳全息图H2或H3，将该最佳全息图H2或H3保存在数据库中；

13)将获得的最佳全息图H1、H2…Hn与对应的距离d1、d2…dn建立距离-全息图对应表；

14)在后续全息图的记录中，首先测量CCD到合束镜的距离d，输入距离d后从计算机中的上述距离-全息图对应表中调出所需的最佳全息图H，作为标准全息图；其次，计算机发出指令控制合束镜旋转角度后拍摄全息图M，将该全息图M与上述标准全息图进行匹配，如果全息图不匹配，则继续旋转角度拍摄全息图；如果全息图匹配，则将此时拍摄的全息图M保存，作为重建物体三维图像的全息图。

2.根据权利要求1所述的光学图像记录方法，其特征在于：其中透明物体到CCD的距离满足以下条件：

z_0min＝max(4X/λΔx，4Y/λΔy)

其中z_0min为透明物体到CCD的最小距离，max()表示取其中较大者，X，Y表示物体在x，y方向的长度，Δx，Δy为CCD的像元尺寸，λ为光波长。

3.根据权利要求1所述的光学图像记录方法，其特征在于：所述显微物镜将经第二扩束准直镜转换后的平行光转换为球面参考光波，所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述参考点光源到CCD的距离等于透明物体到CCD的距离。

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