CN110108201B - 透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法 - Google Patents

透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法，该装置包括激光器、四个分束镜、两个可动挡光板、三个平面反射镜、两个物镜、凸透镜、样品和CCD图像传感器。成像方法分为三步，先选择对样品进行透射或反射观测，然后通过图像传感器记录下由参考光与物光相干形成的全息图，最后利用数字重构技术重构出图像。与传统的离轴数字全息显微镜相比，本发明具有透射及反射两种模式，切换便捷，并且重构图最小轮廓分辨距离达0.5μm，同时使用角谱法高效地重构出物体的三维立体模型，适用于生物医学和材料科学等领域，能对透明样品及金属表面等进行原位无损动态监测。

Description

透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及成像方法
技术领域
本发明涉及离轴数字全息显微镜及计算机图像重构的研究领域，特别涉及透射数字全息显微镜及反射数字全息显微镜及成像方法。
背景技术
数字全息技术作为一种先进的观测技术，借助光敏电子元件和计算机对光学信息进行数字化的记录及运算，可获得物体的振幅和位相信息，真实高效地还原观测样品的三维形貌。数字全息技术能在对样品的影响极小的情况下得到样品的形貌信息，适用于生物医学和材料科学等领域，如微生物观测，小尺度粒子形貌还原等。特别的，数字全息显微镜非接触的测量方式提供了在样品保持生物活性的情况下进行长时间原位观测的可能。利用数字全息显微镜，能够观测物体表面相关的动态过程，如微生物对物体表面的附着生长，细菌对金属表面的腐蚀等过程。
离轴数字全息显微装置按适用的观测对象可分为透射和反射两种。现有的绝大部分实验装置，仅具备反射或透射两种模式中的一种，功能单一，在实际应用中受到限制。而两种模式结合的装置，如CN201711162580，各相干光的分离不够彻底，特别在反射模式中会发生入射光分光直接照射相机、参考光分光照射到样品反射成像等影响最终成像效果的情况，测量精度相对较低，重构更复杂，在实际使用上受极大限制。本发明通过合理设置光路，在对成像效果影响较小的情况下结合透射、反射两种模式，能充分发挥各单元作用，更好地适应不同条件的需求。
发明内容
本发明提出了透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置及其成像方法。本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，成本较低，成像效果较好。
本发明通过以下技术方案进行实现。
透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，包括激光器、第一分束镜、第一可动挡光板、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一物镜、第二分束镜、第三平面反射镜、第二可动挡光板、凸透镜、第三分束镜、第二物镜、样品、第四分束镜和CCD图像传感器；
在透射模式中，激光器射出的光束经第一分束镜的透射后作为入射光，所述入射光通过第一可动挡光板和第一平面反射镜后，入射光在样品表面发生散射形成的散射光作为物光，物光通过第二物镜和第三分束镜的反射到达第四分束镜；激光器射出的光束经第一分束镜反射后作为参考光，所述参考光通过第二平面反射镜和第二分束镜反射后被第二第一可动挡光板遮挡，经第二分束镜透射的参考光通过第一物镜和第三平面反射镜后，在第四分束镜上与物光发生干涉，所述干涉图由CCD图像传感器记录；
在反射模式中，激光器射出的光束经第一分束镜透射后被第一可动挡光板遮挡，经第一分束镜反射的光束通过第一平面反射镜，然后经第二分束镜透射后的光束作为参考光，所述透射光依次通过第一物镜和第三平面反射镜反射到达第四分束镜；经第二分束镜反射后的光束作为入射光，所述入射光依次通过第二可动挡光板、凸透镜、第三分束镜的透射、第二物镜后，照射到样品表面发生散射，散射光作为物光，再依次通过第二物镜和第三分束镜的反射，在第四分束镜与参考光发生干涉，由CCD图像传感器记录。
进一步的，第一物镜到第三平面反射镜的距离与第三平面反射镜到第四分束镜的距离之和等于第二物镜到第三分束镜的距离与第三分束镜到第四分束镜的距离之和。
进一步的，在透射模式中，第二分束镜，凸透镜，第三分束镜，第二物镜，样品，第一平面反射镜各单元的中心在同一垂直线上，在反射模式中，第二可动挡光板中心也也与上述单元在同一垂直线上。
进一步的，所述激光器的波长为390nm<λ<780nm。
进一步的，第一物镜和第二物镜的倍数相同，均为10或40。
采用上述透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置的成像方法，该方法具体步骤如下：
A.打开激光器及CCD图像传感器的电源；
B.调节第一可动挡光板和第二可动挡光板的位置，根据样品选择透射或反射模式。遮挡参考光，调节样品到物镜距离，确定聚焦位置。调节样品离焦距离d后，撤去对参考光的遮挡，记录样品全息图，d的取值与物镜有关，由实验得当物镜放大倍数为10倍或40倍时，0.6mm<d<2.0mm能获得较好成像效果；
C.通过MATLAB软件处理上述全息图，重构图像。
进一步的，所述重构过程使用角谱法。
进一步的，角谱法可将平面光场分解为多个平面波分量，任一分量与yoz和xoz平面的夹角分别为α和β，则平面波在x和y方向的空间频率fx＝sinα/λ，fy＝sinβ/λ。平面波分量的振幅T(x，y)和相位U(x，y)取决于相应角谱A(fx，fy)，A′(fx，fy)，即：
T(x，y)＝∫∫A(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
和
U(x，y)＝∫∫A′(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
根据标量衍射的亥姆霍兹方程，推出：
Figure BDA0002042141110000031
综合上式，可由初始像振幅分布求出再现像光场相位的空间分布，使用傅里叶变换进行简化，可得：
Figure BDA0002042141110000032
其中d’为再现像平面到初始像平面距离，k＝2π/λ，j为虚数单位。
已知离焦距离的情况下，d’求算过程如下：以离焦距离d乘物镜放大倍数的数值为中心，在其±20％的区间内以1mm为间距，进行等距取值，必要时可进一步缩小各数字差值获得更精细结果；以各数值替代d’代入U(x，y)，进行数字重构，计算相应位置光场强度，得到一系列平面重构图。其中最清晰的重构图对应的参数即为d’。以d’为参数，建立基准平面进行三维重建，即可获得样品的三维图像。
发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明的透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，兼容透射及反射两种模式，能依据样品性质自由选择透射及反射模式，快速获得相应的光强图像及三维轮廓模型，实现对不同样品高效准确的观测，且仪器本身成本较为低廉，易于组装。对比现有技术，本发明对光路做了以下优化：入射、反射模式分离更彻底，在反射模式中避免了入射光分光进入相机，减少噪音干扰；参考光通过第一物镜6后再与物光相干涉，抵消了物光通过第二物镜12的影响；本发明选用高倍物镜采集图像，利用角谱法进行重构，能快速得到观测样品的相位图，获取样品三维图像，最小轮廓分辨距离可达0.5μm(附图中USAF1951标准分辨率板最小一组尺寸为228线对/毫米)，适用于生物医学和材料科学等领域，能对透明样品或金属表面等进行原位无损动态监测。
附图说明
图1是本发明所述离轴数字全息显微装置示意图；
图2是本发明所述离轴数字全息显微装置透射模式光路示意图；
图3是本发明所述离轴数字全息显微装置反射模式光路示意图；
图4是本发明所述实例中离轴数字全息显微镜采集的原始全息图；
图5是本发明所述实例中USAF1951标准分辨率板的二维重构图；
图6是本发明所述实例中USAF1951标准分辨率板的相位重构图。
其中：1-激光器；2-第一分束镜；3-第一可动挡光板；4-第一平面反射镜；5-第二平面反射镜；6-第一物镜；7-第二分束镜；8-第三平面反射镜；9-第二可动挡光板；10-凸透镜；11-第三分束镜；12-第二物镜；13-待测样品；14-第四分束镜；15-CCD图像传感器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的应用范围不限于此。
如图1-3所示，透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，包括以下部分：激光器1、第一非偏振分束镜2、第一可动挡光板3、第一平面反射镜4、第二平面反射镜5、第一物镜6、第二非偏振分束镜7、第三平面反射镜8、第二可动挡光板9、凸透镜10、第三非偏振分束镜11、第二物镜12、样品13、第四分束镜14和CCD图像传感器15，另有连接用的笼杆及相应转换件若干。其中，所述激光器的波长为473nm，第一物镜6、第二物镜12的放大倍数均是40。
如图2所示，在透射模式中，激光器1射出的光束经第一分束镜2的透射后作为入射光，所述入射光通过第一可动挡光板3和第一平面反射镜4后，入射光在样品13表面发生散射形成的散射光作为物光，物光通过第二物镜12和第三分束镜11的反射到达第四分束镜14；激光器1射出的光束经第一分束镜2反射后作为参考光，所述参考光通过第二平面反射镜5和第二分束镜7反射后被第二第一可动挡光板9遮挡，经第二分束镜7透射的参考光通过第一物镜6和第三平面反射镜8后，在第四分束镜14上与物光发生干涉，所述干涉图由CCD图像传感器15记录；
如图3所示，在反射模式中，激光器1射出的光束经第一分束镜2透射后被第一可动挡光板3遮挡，经第一分束镜2反射的光束通过第一平面反射镜5，然后经第二分束镜7透射后的光束作为参考光，所述透射光依次通过第一物镜6和第三平面反射镜8反射到达第四分束镜14；经第二分束镜7反射后的光束作为入射光，所述入射光依次通过第二可动挡光板9、凸透镜10、第三分束镜11的透射、第二物镜12后，照射到样品13表面发生散射，散射光作为物光，再依次通过第二物镜12和第三分束镜11的反射，在第四分束镜14与参考光发生干涉，由CCD图像传感器15记录。
第一物镜6到第三平面反射镜8的距离与第三平面反射镜8到第四分束镜14的距离之和等于第二物镜12到第三分束镜11的距离与第三分束镜11到第四分束镜14的距离之和。
在透射模式中，第二分束镜7、凸透镜10、第三分束镜11、第二物镜12、样品13和第一平面反射镜4各单元的中心在同一垂直线上，反射模式时，第二可动挡光板9中心也与上述单元在同一垂直线上。
利用上述离轴数字全息显微装置对样品进行观测，第一步：打开激光器1及CCD图像传感器15的电源，将参考光遮挡，调节样品到物镜距离，确定聚焦位置。离焦d＝0.9mm时，撤去对参考光的遮挡，记录样品全息图如图4所示。
本实施例中样品为USAF1951标准分辨率板，由金属铬及玻璃组成，图像较为简单明显，易于辨别，常用于测试光学系统的性能或摄像镜头分辨率。
第二步：对全息图像进行重构计算。该实例所用重构方法为角谱法，通过MATLAB编程实现。角谱法可将平面光场分解为多个平面波分量，任一分量与yoz和xoz平面的夹角分别为α和β，则平面波在x和y方向的空间频率fx＝sinα/λ，fy＝sinβ/λ，在本实例中λ＝473nm。平面波分量的振幅T(x，y)和相位U(x，y)取决于相应角谱A(fx，fy)，A′(fx，fy)，即：
T(x，y)＝∫∫A(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
和
U(x，y)＝∫∫A′(fx，fy)exp[j2π(fxx′+fyy′)]dfxdfy
根据标量衍射的亥姆霍兹方程，推出：
Figure BDA0002042141110000061
综合上式，可由初始像振幅分布求出再现像光场相位的空间分布，使用傅里叶变换进行简化，可得：
Figure BDA0002042141110000062
其中d’为再现像平面到初始像平面距离，其中k＝2π/λ，j为虚数单位。
第三步：三维图像的建立。
建立三维图像时，为获得可完整反映实际样品表面的模型，需选取合适基准平面，一般为焦平面。该平面可由参数d’确定。已知离焦距离的情况下，d’求算过程如下：以离焦距离d乘物镜放大倍数的数值(0.9*40*0.001m)为中心等距取值，即在0.9*40*0.001的±20％的区间[0.0288，0.0432]内以0.001m为间隔为取点，获得数列[0.0288，0.0298，0.0308，…，0.0418，0.0428]。将各数字代入光场函数U(x，y)进行数字重构，得到一系列平面重构图。最清晰重构图(如图5所示)对应距离即为d’，本实例中d’＝0.0318m。以d’为参数，建立基准平面进行三维重建，即可获得USAF1951标准分辨率板表面的三维轮廓(图6可反映该信息)。该图像以数字化形式保存于计算机内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，其特征在于，包括：激光器(1)、第一分束镜(2)、第一可动挡光板(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)、第一物镜(6)、第二分束镜(7)、第三平面反射镜(8)、第二可动挡光板(9)、凸透镜(10)、第三分束镜(11)、第二物镜(12)、样品(13)、第四分束镜(14)和CCD图像传感器(15)；
在透射模式中，激光器(1)射出的光束经第一分束镜(2)的透射后作为入射光，所述入射光通过第一可动挡光板(3)和第一平面反射镜(4)后，入射光在样品(13)表面发生散射形成的散射光作为物光，物光通过第二物镜(12)和第三分束镜(11)的反射到达第四分束镜(14)；激光器(1)射出的光束经第一分束镜(2)反射后作为参考光，所述参考光通过第二平面反射镜(5)和第二分束镜(7)反射后被第二可动挡光板(9)遮挡，经第二分束镜(7)透射的参考光通过第一物镜(6)和第三平面反射镜(8)后，在第四分束镜(14)上与物光发生干涉，所述干涉图由CCD图像传感器(15)记录；
在反射模式中，激光器(1)射出的光束经第一分束镜(2)透射后被第一可动挡光板(3)遮挡，经第一分束镜(2)反射的光束通过第一平面反射镜(5)，然后经第二分束镜(7)透射后的光束作为参考光，所述透射光依次通过第一物镜(6)和第三平面反射镜(8)反射到达第四分束镜(14)；经第二分束镜(7)反射后的光束作为入射光，所述入射光依次通过第二可动挡光板(9)、凸透镜(10)、第三分束镜(11)的透射、第二物镜(12)后，照射到样品(13)表面发生散射，散射光作为物光，再依次通过第二物镜(12)和第三分束镜(11)的反射，在第四分束镜(14)与参考光发生干涉，由CCD图像传感器(15)记录。
2.根据权利要求1所述的透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，其特征在于，第一物镜(6)到第三平面反射镜(8)的距离与第三平面反射镜(8)到第四分束镜(14)的距离之和等于第二物镜(12)到第三分束镜(11)的距离与第三分束镜(11)到第四分束镜(14)的距离之和。
3.根据权利要求1所述的透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，其特征在于，在透射模式中，第二分束镜(7)，凸透镜(10)，第三分束镜(11)，第二物镜(12)，样品(13)，第一平面反射镜(4)各单元的中心在同一垂直线上，反射模式时，第二可动挡光板(9)中心也与上述单元在同一垂直线上。
4.根据权利要求1所述的透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，其特征在于，所述激光器的波长为390nm＜λ＜780nm。
5.根据权利要求1所述的透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置，其特征在于，第一物镜(6)和第二物镜(12)的放大倍数相同，且放大倍数为10或40。
6.采用权利要求1-5任一项所述透反射双模式的高精度离轴数字全息显微装置的成像方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
A.打开激光器1及CCD图像传感器(15)的电源；
B.调节第一可动挡光板(3)和第二可动挡光板(9)的位置，根据样品选择透射或反射模式；遮挡参考光，调节样品到物镜距离，确定聚焦位置；离焦距离d后，撤去对参考光的遮挡，记录样品全息图，且0.6mm＜d＜2.0mm；
C.通过MATLAB软件处理上述全息图，重构图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述重构过程使用角谱法。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，角谱法将平面光场分解为多个平面波分量，任一分量与yoz和xoz平面的夹角分别为α和β，则平面波在x和y方向的空间频率fx＝sinα/λ，fy＝sinβ/λ，其中λ为激光波长；平面波分量的振幅T(x，y)和相位U(x，y)取决于相应的角谱A(fx，fy)和A′(fx，fy)即：
T(x，y)＝∫∫A(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
和
U(x，y)＝∫∫A′(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
根据标量衍射的亥姆霍兹方程，推出：
Figure FDA0002745771510000021
综合上式，可由初始像振幅分布求出再现像光场相位的空间分布，使用傅里叶变换进行简化，可得：
Figure FDA0002745771510000022
其中d’为再现像平面到初始像平面距离，k＝2π/λ，j为虚数单位；
已知离焦距离的情况下，d’求算过程如下：以离焦距离d乘物镜放大倍数的数值为中心等距取值，具体是在离焦距离d乘物镜放大倍数的±20％区间内以1mm为间距，进行等距取值，以各数值替代d’代入U(x，y)，进行数字重构，计算相应位置光场强度，得到一系列平面重构图；其中最清晰的重构图对应的参数即为d’；以d’为参数，建立基准平面进行三维重建，即可获得样品的三维图像。
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