CN110763598A - 一种外置型数字全息相位定量成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外置型数字全息相位定量成像装置，沿光路方向依次包括一维周期光栅，半透半反镜，第四透镜，第二反射镜和成像探测器。本发明，通过对成像探测器采集到的条纹图进行数值重构，即可获得被测物体的定量相位信息。本发明的装置能够获得对比度更高的全场干涉条纹图，且结构简凑便于装调，可以直接作为光学显微镜的外接设备，用于生物细胞等微纳结构物体的定量显微测量，具有很强的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于定量显微成像领域，特别涉及一种外置型数字全息相位定量成像装置。
背景技术
相位的定量检测是光学测量与三维成像技术领域的一个重要研究课题，无论是在生物医学、波阵面重构还是表面形貌检测等领域中都发挥着非常重要的作用。传统光学显微镜只能获得物体的二维光强信息，无法实现物体的相位或三维轮廓信息。干涉测量法作为最常用的相位检测技术，可以同时获取光波的振幅(光强)和相位信息。数字全息显微术作为干涉测量法的一种是将数字全息技术和显微技术相结合的定量显微相位成像技术，只需要采用一幅离轴全息图即可精确地获取样品的相位信息和振幅信息，时间分辨率高。数字全息显微成像技术的主要特点体现在：1)能够实现对物体无接触、全场同时成像、无须对物体进行任何标记，不会对被观测物体造成任何损伤；2)能够以纳米量级的高精度实现对相位物体动态定量测量，且对环境要求相对较低；3)能够同时得到物体的光强信息和相位信息。
常用的离轴数字全息显微成像技术一般采用高度空间相干和时间相干的光源进行照明。由于高时空相干光源的引入，不可避免会产生无法消除的激光散斑和寄生条纹，影响检测分辨率的进一步提高。为了避免散斑噪音的影响，研究人员通常会采用部分相干光源(例如LED)进行照明。需要注意的是，由于部分相干光源的相干长度非常短，以LED光源为例，其相干长度通常在十几个微米左右，当使用传统的离轴干涉光路进行记录时，由于参考光和物光发生干涉时的区域非常有限，因此不能实现全视场的显微成像，与此同时整个光路的装调非常繁琐和困难。另外，常用的离轴数字全息显微成像技术一般采用非共光路结构，例如迈克尔逊干涉光路，由于物光和参考光两路光在空间中传播的路径不同，导致整个光路结构对振动比较敏感，因此该结构对测试环境要求比较高。
发明内容
本发明提出了一种外置型数字全息相位定量成像装置，可以用来对微纳结构物体进行定量检测，本发明解决了现有光学显微镜只能获得物体二维光强信息的局限性，同时克服了传统相干光照明或部分相干光照明数字全息成像系统存在相干噪音高和光路调整困难等技术问题。
本发明的技术解决方案为：
一种外置型数字全息相位定量成像装置17，其特征在于：
沿光路方向依次包括一维周期光栅10，半透半反镜11，第四透镜12，第二反射镜15和成像探测器16。
所述一维周期光栅10设置在第四透镜12的前焦面上；
所述的成像探测器16设置在第四透镜12的焦平面上；
一种外置型数字全息相位定量成像装置17的工作原理如下：
首先，通过调整外置型数字全息相位定量成像装置17，使一维周期光栅10与外部设备的成像平面IP重合；这样携带有物体信息的平行光束经过一维周期光栅10后发生衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光先后经过半透半反镜11和第四透镜12，在第四透镜12的傅里叶频谱面上，可以得到上述0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息；
其次，采用第二反射镜15对上述0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行完全反射，其他级次衍射光全部去掉；经第二反射镜15完全反射后的0级衍射光和+1级衍射光再次经过第四透镜12，并经半透半反镜11反射后进入成像探测器16；由于0级衍射光和+1级衍射光存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器16靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器16记录；
最后，采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对成像探测器16记录捕捉到的离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。
本发明具有的有益效果：
本发明光源即可以采用部分相干光源也可以采用激光光源，将光栅分光技术和滤波技术相结合，能够获得对比度更高的全场干涉条纹图，同时系统结构简凑，便于装调；本发明的装置可以用于生物细胞等微纳结构物体的定量显微测量，具有很强的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明与一种外部设备联合使用的结构示意图；
图3是本发明与另一种外部设备联合使用的结构示意图；
图4为系统采集到一透明微纳结构的离轴全息图；
图5为一透明微纳结构的三维重构结果；
其中附图标记如下：1-光源，2-第一透镜，3-孔径光阑，4-视场光阑，5-第二透镜，6-物体，7-显微物镜，8-第一反射镜，9-第三透镜，10-一维周期光栅，11-半透半反镜，12-第四透镜、15-第二反射镜，16-成像探测器，17-外置型数字全息相位定量成像装置，20-光学显微镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的外置型数字全息相位定量成像装置17所包含的部件功能如下：
1、一维周期光栅10，可以为振幅光栅也可以是相位光栅。
2、第四透镜12要求为消色差透镜。
3、半透半反镜11可以是立方体分光棱镜，也可以是平面半透半反镜。
4、成像探测器16可以是黑白相机，也可是彩色相机，要求具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。
本发明所提出的第一个优选实施例结合附图详细说明如下：参见图2所示，从光源1发出的光束经由第一透镜2、第二透镜5准直后，照射被测物体6；随后被测物体6被显微物镜7放大成像后，经过第一反射镜8和第三透镜9后，在成像平面IP处得到被测物体6被放大后的像；通过调整外置型数字全息相位定量成像装置17，使一维周期光栅10与成像平面IP重合；被测物体6被显微放大后的像进入外置型数字全息相位定量成像装置17后，经过一维周期光栅10后发生衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光先后经过半透半反镜11和第四透镜12，在第四透镜12的频谱面上，可以得到0级衍射光和1级衍射光彼此分离的频谱信息；采用第二反射镜15对0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行反射；经第二反射镜15完全反射后的0级衍射光和+1级衍射光再次经过第四透镜12，并经半透半反镜11反射后进入成像探测器16；由于0级衍射光和+1级衍射光存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器16靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器16记录；最后，采用数值重构方法对离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。
本发明所提出的第二个优选实施例结合附图详细说明如下：参见图3所示，本发明的外置型数字全息相位定量成像装置17与光学显微镜20联合使用的结构示意图。需要检测的物体经过光学显微镜20显微放大后，在光学显微镜20的成像平面IP处可以得到被测物体6放大的像；通过调整外置型数字全息相位定量成像装置17，使一维周期光栅10与成像平面IP重合；被测物体6被显微放大后的像进入外置型数字全息相位定量成像装置17后，经过一维周期光栅10后发生衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光先后经过半透半反镜11和第四透镜12，在第四透镜12的频谱面上，可以得到0级衍射光和1级衍射光彼此分离的频谱信息；采用第二反射镜15对0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行反射；经第二反射镜15完全反射后的0级衍射光和+1级衍射光再次经过第四透镜12，并经半透半反镜11反射后进入成像探测器16；由于0级衍射光和+1级衍射光存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器16靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器16记录；最后，采用数值重构方法对离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。
实施例：以一透明微纳结构作为被测物体进行实际测试；光学显微镜20采用上海光学仪器厂生产的光学显微镜37XF；第四透镜12的焦距为175mm；一维周期光栅10的线对数为100Line/mm。半透半反镜11采用直径为20mm的立方体分光棱镜；成像探测器16采用CCD相机，像素尺寸为2.2微米。实际测量中，由成像探测器16记录得到的离轴全息图如图4所示。最后，采用数字全息领域中熟知的数值重构方法对离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息，重构相位数据如图5所示(为了显示效果，相位数据进行了抽样处理)。
Claims (6)
1.一种外置型数字全息相位定量成像装置，其特征在于：沿光路方向依次包括一维周期光栅(10)，半透半反镜(11)，第四透镜(12)，第二反射镜(15)和成像探测器(16)。
一种外置型数字全息相位定量成像装置(17)的工作原理如下：
首先，通过调整外置型数字全息相位定量成像装置(17)，使一维周期光栅(10)与外部设备的成像平面IP重合；这样携带有物体信息的平行光束经过一维周期光栅(10)后发生衍射，其中0级衍射光和+1级衍射光先后经过半透半反镜(11)和第四透镜(12)，在第四透镜(12)的傅里叶频谱面上，可以得到上述0级衍射光和+1级衍射光的频谱信息；
其次，采用第二反射镜(15)对上述0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行完全反射，其他级次衍射光全部去掉；经第二反射镜(15)完全反射后的0级衍射光和+1级衍射光再次经过第四透镜(12)，并经半透半反镜(11)反射后进入成像探测器(16)；由于0级衍射光和+1级衍射光存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器(16)靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器(16)记录；
最后，采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对成像探测器(16)记录捕捉到的离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。
2.根据权利要求1所述的一种便携式数字全息显微成像装置，其特征在于：所述一维周期光栅(10)设置在第四透镜(12)的前焦面上；所述的成像探测器(16)设置在第四透镜(12)的焦平面上。
3.根据权利要求1所述的一种便携式数字全息显微成像装置，其特征在于：所述第四透镜(12)为消色差透镜；所述成像探测器(16)可以是黑白相机，也可是彩色相机，要求具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。
4.根据权利要求1所述的一种便携式数字全息显微成像装置，其特征在于：所述的第二反射镜(15)可以是具有单一反射效率的器件，也可是反射率可变的器件，例如空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的一种便携式数字全息显微成像装置，其特征在于：一维周期光栅(10)，可以为振幅光栅也可以是相位光栅。
6.根据权利要求1所述的一种便携式数字全息显微成像装置，其特征在于：所述半透半反镜(11)可以是立方体分光棱镜，也可以是平面半透半反镜。
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