CN109031636A - 一种具有可变分辨率的数字全息显微镜 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，包括：升降台，用于安装相干点光源；相干点光源，用于提供相干光并照射被观测物；被观测物为半透明物体；直接透过被观测物透明区域的光波为参考光；经被观测物衍射的光波为物光；图像传感器，用于记录参考光和物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；控制电路，用于控制升降台和图像传感器，以调节显微分辨率和得到被观测物的三维信息。本申请使用相干点光源照射半透明物体，能够缩小全息干涉波前记录距离，使用透过物体的直透光为参考光，经物体衍射后的光波为物光，减小了记录光路的复杂度，并且使用图像传感器和控制电路能够实现高分辨率的三维显微成像，具有体积小、携带方便、结构简单等优点。

Description

一种具有可变分辨率的数字全息显微镜

技术领域

本发明涉及光学显微成像技术领域，特别是涉及一种具有可变分辨率的数字全息显微镜。

背景技术

全息技术是一种记录“物光”与“参考光”的干涉条纹，进而实现对“物光波前”完整重建的技术。采用全息技术对微小的物体进行显微观测，能够全面的获得被观测物体的光场信息。

目前，传统光学显微镜一般是采用物镜和目镜的配合实现对被观测物的放大成像，具有结构复杂、装置笨重、不易携带等特点。同时，传统光学显微镜只能够获取被观测物的明暗图像，其表面高度等三维信息无从而知。

因此，如何减小显微镜复杂度、缩小体积、提高三维信息分辨率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，可以实现高分辨率的三维显微成像，且体积小、携带方便、结构简单。其具体方案如下：

一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，包括：

升降台，用于安装相干点光源，控制所述相干点光源的上下移动；

所述相干点光源，用于提供相干光并照射被观测物；所述被观测物为半透明物体；直接透过所述被观测物透明区域的光波为参考光；经所述被观测物衍射的光波为物光；

图像传感器，用于记录所述参考光和所述物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；

控制电路，分别与所述升降台和所述图像传感器连接，用于控制所述升降台和所述图像传感器，以调节显微分辨率和得到所述被观测物的三维信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，所述相干点光源、所述被观测物和所述图像传感器的中心点位于同一轴线上。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，所述控制电路具体包括分辨率调节单元和三维信息重建单元；

所述分辨率调节单元，用于控制所述升降台，通过调节所述相干点光源与所述被观测物之间的距离实现所述被观测物的放大投影，以调节显微分辨率；

所述三维信息重建单元，用于通过波前重建算法完成对所述被观测物的三维重建，以及使用单幅全息图的去共轭算法消除共轭像和直流像。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，还包括：

显示器，通过传输电缆与所述控制电路连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，还包括：

内部安装有所述图像传感器的遮光罩。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，所述遮光罩包括遮光筒和光阑；

所述遮光筒，用于防止杂光进入所述图像传感器；

所述光阑，与所述图像传感器正对，用于将所述参考光和所述物光进入所述图像传感器。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，还包括：

载玻片，用于放置所述被观测物。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，所述相干点光源、所述载玻片、所述被观测物和所述光阑的中心点位于同一轴线上。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，还包括：

托盘，用于放置所述载玻片。

优选地，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，还包括：

支架，用于固定所述托盘和所述遮光罩。

本发明所提供的一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，包括：升降台，用于安装相干点光源，控制相干点光源的上下移动；相干点光源，用于提供相干光并照射被观测物；被观测物为半透明物体；直接透过被观测物透明区域的光波为参考光；经被观测物衍射的光波为物光；图像传感器，用于记录参考光和物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；控制电路，分别与升降台和图像传感器连接，用于控制升降台和图像传感器，以调节显微分辨率和得到被观测物的三维信息。本发明提供的上述数字全息显微镜使用单一的相干点光源照射半透明物体，能够极大地缩小全息干涉波前记录距离，使用透过物体的直透光为参考光，经物体衍射后的光波为物光，减小了记录光路的复杂度，并且使用图像传感器和控制电路能够实现高分辨率的三维显微成像，另外，显微镜具有体积小、携带方便、结构简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的数字全息显微镜的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的遮光罩的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的数字全息显微镜的光路图；

图4为本发明实施例提供的数字全息显微镜的成像原理图；

图5为本发明实施例提供的重建后的物光波的相位解包裹的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，如图1所示，包括：

升降台1，用于安装相干点光源2，控制相干点光源2的上下移动；

相干点光源2，用于提供相干光并照射被观测物3；被观测物3为半透明物体；直接透过被观测物3透明区域的光波为参考光；经被观测物3衍射的光波为物光；

图像传感器4，用于记录参考光和物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；

控制电路5，分别与升降台1和图像传感器4连接，用于控制升降台1和图像传感器4，以调节显微分辨率和得到被观测物3的三维信息。

在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，使用单一的相干点光源照射半透明物体，能够极大地缩小全息干涉波前记录距离，使用透过物体的直透光为参考光，经物体衍射后的光波为物光，减小了记录光路的复杂度；参考光和物光在图像传感器处发生干涉，其干涉条纹被图像传感器所记录，并记录的图像传输至控制电路中，控制电路可以控制升降台来调节显微分辨率，进而能够实现高分辨率的三维显微成像，并且，显微镜具有体积小、携带方便、结构简单等优点。

需要说明的是，被观测物3的透明率需大于60％。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，相干点光源2、被观测物3和图像传感器4的中心点可以位于同一轴线上，便于相干点光源发出的相干光准确透过被观测物并精确投影至图像传感器中心位置。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，如图1所示，还可以包括：显示器6，通过传输电缆7与控制电路5连接。该显示器可以显示出重建后的被观测物的全息图像，以及被观测物的三维信息。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，如图1所示，还可以包括：内部安装有图像传感器4的遮光罩8。如图2所示，遮光罩8可以包括遮光筒81和光阑82；遮光筒81，用于防止杂光进入图像传感器4；光阑82，与图像传感器4正对，用于将参考光和物光进入图像传感器4。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，如图1所示，还可以包括：载玻片9，用于放置被观测物3；相干点光源2、载玻片9、被观测物3、光阑82和图像传感器4的中心点均可以位于同一轴线上；如图1所示，还可以包括：托盘10，用于放置载玻片9；支架11，用于固定托盘10和遮光罩8。

下面结合图3对全息干涉条纹记录进行说明：

图3中，被观测物3长度为L，图像传感器4长度为D。设相干点光源2与被观测物3之间的距离为z₁，图像传感器4与被观测物3之间的距离为z₂；点光源2透过被观测物3后，光波到达图像传感器4的最大光程为r₂，被衍射的光波到达图像传感器4的最大光程为r₁。根据推导，距离z₂应满足式(1)，才能使图像传感器4实现波前记录。本发明中z₂为满足式(1)的预设值

其中，λ为光的波长，L为被观测物的长度，Δx为图像传感器的像元间距。可以看出，被观测物的长度L变小时，干涉条纹的最小记录距离z₂也可以缩小。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述具有可变分辨率的数字全息显微镜中，控制电路5具体可以包括分辨率调节单元和三维信息重建单元；分辨率调节单元，用于控制升降台，通过调节相干点光源与被观测物之间的距离实现被观测物的放大投影，以调节显微分辨率；三维信息重建单元，用于通过波前重建算法完成对被观测物的三维重建，以及使用单幅全息图的去共轭算法消除共轭像和直流像。这样通过波前重建算法实现对被观测物的三维重建，使用单幅全息图实现共轭像和直流像的消除算法，可以加快物光波的重建速度。

具体地，分辨率调节单元的工作原理如下：

控制电路5能够控制升降台1，调节相干点光源2与载玻片9之间的距离，进而实现分辨率的调节；

根据图3中L与D之间的关系，可知放大倍数为：

那么此时的分辨率为：

在应用z₂满足式(1)的条件下，可以通过缩小z₁的大小来调节式(3)的分辨率。

具体地，三维信息重建单元的工作原理如下：

如图4所示，以图1中的元件所在位置建立空间坐标系；

设z＝0的物平面上的坐标系为o-x_oy_o，d(x_o,y_o)为被观测区域的物像，当{x_o,y_o}处于透光的区域时d(x_o,y_o)＝0。那么，单位振幅的参考光经过被观测物时的物光场为：

O_o(x_o,y_o)＝d(x_o,y_o) (4)

设h(x,y,z)为经过z距离衍射传播的菲涅尔衍射传函，其表达式如式(5)所示。

式中，λ为光的波长，k＝2π/λ。

同时设z＝z₂的物平面上的坐标系为o-x_sy_s，O_s(x_s,y_s)为到达图像传感器平面的物光场。那么根据图1，透过被观测物的光波经过衍射到达图像传感器平面，其光场变为

O_s(x_s,y_s)＝O_o(x_o,y_o)*h(x_s,y_s,z_s)＝d(x_o,y_o)*h(x_s,y_s,z_s) (6)

式中，“*”表示卷积运算。由于到达图像传感器平面时，物像被放大M倍，所以z_s＝M·z₂。

同时，令到达图像传感器平面处的参考光的光场为：

R(x_s,y_s)＝1 (7)

式(6)和式(7)的光波在图像传感器平面发生干涉，其干涉光场为：

式(8)中的干涉条纹将被图像传感器记录下来。由于图像传感器只能记录式(8)中光波的强度，其干涉条纹强度可以表示为：

式(9)中，h^*为h的复共轭。式(9)就是所记录的全息图的表达式。可以看出，全息图中包含有放大M倍后的物光场的信息。

重建时，设重建平面与传感器平面的距离为z_h，其坐标系为o-x_hy_h.由于全息图被放大M倍，因此重建距离为z_h＝z_s＝M·z₂。

已知d*h*h^*＝1，h(x_h,y_h,z_h)*h(x_h,y_h,z_h)＝h(x_h,y_h,2z_h)，令x_h＝x_s，y_h＝y_s，那么，z_h距离处的重建光场在可以表示为：

式(10)中，对重建像的影响较小可以忽略，因此，式(10)可以写成：

可以看出，经过普通重建后，1为直流像，在距离全息面z_h处存在一个实像(如式中等号右侧第二项)，同时在距离全息面相反方向z_h处存在一个共轭像(如式中右侧第三项)。共轭像与实像叠加在一起，并且严重影响对物光场的再现。

以往共轭像的消除方法大多需要记录多幅全息图，不易实现实时全息重建；本发明使用单幅全息图的去共轭算法能够极大的提高实时性。为了消除式(11)中的共轭像，对同一副全息图分别计算z＝z_h，z＝3z_h，z＝5z_h，z＝7z_h时的重建算法，即：

|I(x_h,y_h)|²*h(x_h,y_h,z_h)＝1+d+d*h(x_h,y_h,2z_h) (12)

|I(x_h,y_h)|²*h(x_h,y_h,3z_h)＝1+d*h(x_h,y_h,2z_h)+d*h(x_h,y_h,4z_h) (13)

|I(x_h,y_h)|²*h(x_h,y_h,5z_h)＝1+d*h(x_h,y_h,4z_h)+d*h(x_h,y_h,6z_h) (14)

|I(x_h,y_h)|²*h(x_h,y_h,7z_h)＝1+d*h(x_h,y_h,6z_h)+d*h(x_h,y_h,8z_h) (15)

式中，“*”表示卷积运算。

根据观察可以发现，重建距离z＝z_h的重建结果中包含有z＝3z_h重建结果的一部分，重建距离z＝5z_h的重建结果中包含有z＝7z_h重建结果的一部分。因此，令U₁和U₂为：

式(16)和式(17)中也包含共同项，令

U₁+U₂＝d-d*h(x_h,y_h,8z_h) (18)

经过去共轭算法，式(18)中直流像已消除，且右边第二项变为z＝8z_h处的共轭像。由于极度离焦，共轭像的光波信息扩散到全幅光波中，影响大大减弱。

重建后的物光波表达式d(x,y)可以表示为：

d(x,y)＝a+ib (19)

式中，i为虚数单位。那么被观测物物光的振幅信息为：|d(x,y)|²＝a²+b²，相位信息为：Im(x,y)＝atan(b/a)。

由于反正切函数的计算结果在-π/2和π/2之间，连续递增或递减的相位值，会在±π/2处出现“断崖”，得到的是“包裹”的相位值。本发明通过判断a、b值的大小范围，得到Im(x,y)相位值所处在的分区。然后在相应分区内进行反正切计算，结合图5进行说明，具体如下：

当a≥0，b≥0，|a|＞|b|时，在第1分区，Im＝atan(b/a)；

当a≥0，b≥0，|a|≤|b|时，在第2分区，Im＝π/2-atan(a/b)；

当a≤0，b≥0，|a|＜|b|时，在第3分区，Im＝π/2+atan(-a/b)；

当a≤0，b≥0，|a|≥|b|时，在第4分区，Im＝π-atan(b/-a)；

当a≤0，b≤0，|a|＞|b|时，在第5分区，Im＝π+atan(-b/-a)；

当a≤0，b≤0，|a|≤|b|时，在第6分区，Im＝3π/2-atan(-a/-b)；

当a≥0，b≤0，|a|＜|b|时，在第7分区，Im＝3π/2+atan(a/-b)；

当a≥0，b≤0，|a|≥|b|时，在第8分区，Im＝2π-atan(-b/a)。

然后通过判断Im(x,y)与前一个点Im(x-1,y)的值的范围，进而在Im(x,y)的值上增加2π或减去2π。具体算法如下：

当0＜Im(x,y)＜π/2并且0＜Im(x-1,y)＜3π/2时，Im(x,y)＝Im(x,y)+2π；

当3π/2＜Im(x,y)＜2π并且0＜Im(x-1,y)＜π/2时，Im(x,y)＝Im(x,y)-2π；

其他情况不变。

控制电路5将重建后的物光波振幅信息|d(x,y)|²与相位信息Im(x,y)通过传输电缆7传输到显示器6上进行显示。需要注意的是，控制电路5中的功能也可在计算机中实现，在此不做赘述。

综上，本发明实施例提供的一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，包括：升降台，用于安装相干点光源，控制相干点光源的上下移动；相干点光源，用于提供相干光并照射被观测物；被观测物为半透明物体；直接透过被观测物透明区域的光波为参考光；经被观测物衍射的光波为物光；图像传感器，用于记录参考光和物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；控制电路，分别与升降台和图像传感器连接，用于控制升降台和图像传感器，以调节显微分辨率和得到被观测物的三维信息。本发明提供的上述数字全息显微镜使用单一的相干点光源照射半透明物体，能够极大地缩小全息干涉波前记录距离，使用透过物体的直透光为参考光，经物体衍射后的光波为物光，减小了记录光路的复杂度，并且使用图像传感器和控制电路能够实现高分辨率的三维显微成像，另外，显微镜具有体积小、携带方便、结构简单等优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的具有可变分辨率的数字全息显微镜进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，包括：

升降台，用于安装相干点光源，控制所述相干点光源的上下移动；

所述相干点光源，用于提供相干光并照射被观测物；所述被观测物为半透明物体；直接透过所述被观测物透明区域的光波为参考光；经所述被观测物衍射的光波为物光；

图像传感器，用于记录所述参考光和所述物光发生干涉时产生的全息干涉条纹；

控制电路，分别与所述升降台和所述图像传感器连接，用于控制所述升降台和所述图像传感器，以调节显微分辨率和得到所述被观测物的三维信息。

2.根据权利要求1所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，所述相干点光源、所述被观测物和所述图像传感器的中心点位于同一轴线上。

3.根据权利要求1所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，所述控制电路具体包括分辨率调节单元和三维信息重建单元；

所述分辨率调节单元，用于控制所述升降台，通过调节所述相干点光源与所述被观测物之间的距离实现所述被观测物的放大投影，以调节显微分辨率；

所述三维信息重建单元，用于通过波前重建算法完成对所述被观测物的三维重建，以及使用单幅全息图的去共轭算法消除共轭像和直流像。

4.根据权利要求1所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，还包括：

显示器，通过传输电缆与所述控制电路连接。

5.根据权利要求1所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，还包括：

内部安装有所述图像传感器的遮光罩。

6.根据权利要求5所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，所述遮光罩包括遮光筒和光阑；

所述遮光筒，用于防止杂光进入所述图像传感器；

所述光阑，与所述图像传感器正对，用于将所述参考光和所述物光进入所述图像传感器。

7.根据权利要求6所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，还包括：

载玻片，用于放置所述被观测物。

8.根据权利要求7所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，所述相干点光源、所述载玻片、所述被观测物和所述光阑的中心点位于同一轴线上。

9.根据权利要求8所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，还包括：

托盘，用于放置所述载玻片。

10.根据权利要求9所述的具有可变分辨率的数字全息显微镜，其特征在于，还包括：

支架，用于固定所述托盘和所述遮光罩。