CN111273534B - 双波长数字全息显微成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波长数字全息显微成像方法，涉及数字全息成像，解决现有数字全息显微系统单帧采集双波长全息图的技术问题，所述方法包括：将包含有第一波长光和第二波长光的光束通过第一分束镜形成反射光和透射光；所述反射光照射待测物体后形成物光；所述透射光的其中一种波长光通过滤波片反射形成第一参考光，所述透射光的另一种波长光滤过所述滤波片并照射在平面镜后形成第二参考光；所述物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过图像采集设备进行拍摄记录。本发明还公开了一种双波长数字全息显微成像装置。本发明通过反射式进行单帧采集双波长全息图，光学元件数量少，结构紧凑、成本低、适用性高。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息成像，更具体地说，它涉及一种双波长数字全息显微成像方法及装置。
背景技术
数字全息显微技术融合了数字全息和显微成像的特点，是定量相位测量领域中最具有代表性技术之一。凭借着非接触、无标记、高分辨率、快速重建等优点，数字全息显微技术在微机电系统MEMS测量、微光学元件表征、生物细胞动态学分析等领域中发挥了重要的作用。
数字全息显微技术在重建相位时涉及到反正切操作，使得再现的相位分布折叠在[-π，π]之间，得到包裹相位图，因此必须通过解包裹算法恢复物体连续的相位分布。当前大多数数值相位展开算法计算复杂耗时，特别是当待测物体表面梯度很大时，例如陡峭的台阶，相位展开算法就会失效，引入测量误差。1973年，Polhemus提出双波长干涉技术。数字全息显微双波长技术的主要内容是双波长相位解包裹，利用2个波长数字记录全息图并提取出对应的包裹相位分布，两波长的包裹相位作差得到的相位分布等效于合成波长恢复的展开相位。双波长技术中一个重要的内容是全息图的采集，最简单的方法是依次采集不同波长下的全息图，但是该方法要求多次采集，不适合测量运动物体或者观察动态现象。为了实现实时测量，众多学者提出利用彩色相机的不同颜色通道同时记录不同波长下的全息图。然而，不同颜色通道的光谱串扰也会引入额外的相位误差。实时测量的另外一个思路是利用空间复用的思想，使用黑白相机也能实现单次曝光采集所有波长全息图。为了实现复用，可以通过构建不同波长独立的物光光路和参考光光路、偏振分离、光栅分离等方法。为了提高双波长测量系统的稳定性，众多学者提出基于横向剪切干涉、偏振、分色镜、后向反射镜、长焦显微物镜等方法的共路双波长系统。
然而，目前提出的实时双波长成像方法大多使用较多的光学元件，如反射镜、偏振元件等，不适用于无透镜数字全息显微系统。无透镜数字全息显微系统，指的是被观察物与成像器件CCD之间不使用透镜。JAE-YONG LEE等人在文献[Dual-wavelength digitalholography with a low-coherence light source based on a quantum dot film]提出一种基于量子点薄膜(quantum dot film)的双波长分离方法，应用于反射式无透镜数字全息显微系统。但是获取或者制作量子点薄膜并不容易，成本较高，适用性低。因此，对于无透镜数字全息显微系统，利用黑白相机如何实现实时双波长全息图记录、成像和测量，仍然是数字全息技术中的一个重大技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种针对反射式数字全息系统单帧采集双波长全息图的数字全息显微成像方法。
本发明的目的二是提供一种针对反射式数字全息系统单帧采集双波长全息图的数字全息显微成像装置。
为实现上述目的一，本发明提供一种双波长数字全息显微成像方法，所述方法包括：
将包含有第一波长光和第二波长光的光束通过第一分束镜形成反射光和透射光；
所述反射光照射待测物体后形成物光；
所述透射光的其中一种波长光通过滤波片反射形成第一参考光，所述透射光的另一种波长光滤过所述滤波片并照射在平面镜后形成第二参考光，所述第一参考光与第二参考光的路径不同；
所述物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过图像采集设备进行拍摄记录。
作为进一步地改进，所述物光与第一参考光、第二参考光通过所述第一分束镜后干涉产生全息图。
为实现上述目的二，本发明提供一种双波长数字全息显微成像装置，包括图像采集设备，还包括第一波长光源、第二波长光源、第一分束镜、滤波片、平面镜，所述滤波片可以相对所述平面镜旋转，所述第一波长光源、第二波长光源的光束通过所述第一分束镜形成反射光和透射光，所述反射光照射待测物体后形成物光，所述透射光的其中一种波长光通过所述滤波片反射形成第一参考光，所述透射光的另一种波长光滤过所述滤波片并照射在所述平面镜后形成第二参考光，所述物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过所述图像采集设备进行拍摄记录。
作为进一步地改进，所述物光与第一参考光、第二参考光通过所述第一分束镜后干涉产生全息图。
进一步地，还包括第二分束镜，所述第一波长光源、第二波长光源的光束在所述第二分束镜汇聚形成等效点光源。
进一步地，所述第一波长光源的光束通过第一光纤输出到所述第二分束镜，所述第二波长光源的光束通过第二光纤输出到所述第二分束镜。
进一步地，还包括第一物镜、第二物镜，所述第一波长光源的光束通过所述第一物镜成像后输出到所述第二分束镜，所述第二波长光源的光束通过所述第二物镜成像后输出到所述第二分束镜。
进一步地，所述第二分束镜、第一分束镜、滤波片、平面镜位于同一直线上。
进一步地，所述第一波长光源、第二波长光源的合成波长大于所述待测物体的厚度。
进一步地，还包括位于所述第一分束镜与待测物体之间的透镜。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：本发明通过在第一分束镜与平面镜之间设置滤波片，通过调节滤波片的倾斜角度来改变两个波长光束的参考光路径，从而改变两个不同波长光束生成的全息图的条纹方向，让不同波长的频谱分开，实现波长分离，可以实现进行单帧采集双波长全息图，非常适合于动态双波长相位测量。同时，本发明通过反射式的原理得到全息图，无需借助传统技术的透镜、偏振元件等光学元件，提高了相位测量的准确性，适合测量台阶等大梯度变化物体，整体结构紧凑、成本低、适用性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为利用本发明得到的第一波长的全息图频谱分布；
图3为利用本发明得到的第二波长的全息图频谱分布；
图4为利用本发明得到的两个波长的全息图；
图5为利用本发明得到的两个波长的全息图频谱分布。
其中：1-第一分束镜、2-待测物体、3-滤波片、4-平面镜、5-图像采集设备、6-第一波长光源、7-第二波长光源、8-第二分束镜、9-第一光纤、10-第二光纤、11-第一物镜、12-第二物镜、13-透镜。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1-5，一种双波长数字全息显微成像方法，方法包括：
将包含有第一波长光和第二波长光的光束通过第一分束镜1形成反射光和透射光；
反射光照射待测物体2后形成物光；
透射光的其中一种波长光通过滤波片3反射形成第一参考光，透射光的另一种波长光滤过滤波片3并照射在平面镜4后形成第二参考光，滤波片3可以相对平面镜4旋转，使滤波片3与平面镜4之间形成不同的夹角，使得第一参考光与第二参考光的路径不同；
物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过图像采集设备5进行拍摄记录。
在本实施例中，物光与第一参考光、第二参考光通过第一分束镜1后干涉产生全息图。
一种双波长数字全息显微成像装置，包括图像采集设备5，还包括第一波长光源6、第二波长光源7、第一分束镜1、滤波片3、平面镜4，滤波片3可以相对平面镜4旋转，第一波长光源6、第二波长光源7的光束通过第一分束镜1形成反射光和透射光，反射光照射待测物体2后形成物光，透射光的其中一种波长光通过滤波片3反射形成第一参考光，透射光的另一种波长光滤过滤波片3并照射在平面镜4后形成第二参考光，物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过图像采集设备5进行拍摄记录。图像采集设备5为黑白相机，使用单色相机记录，成像效果好。物光与第一参考光、第二参考光通过第一分束镜1后干涉产生全息图，可以使装置的结构更加紧凑。第一波长光源6、第二波长光源7可以是激光光源或单色LED光源。
滤波片3的工作原理：
第一波长光源6的光束的波长为λ1，第二波长光源7的光束的波长为λ2，假设λ1光束不能透过滤波片3，λ2光束能透过滤波片3，所以λ1光束不能到达平面镜4，并由滤波片3反射回来第一参考光，而λ2光束透过滤波片3到达平面镜4后反射回来第二参考光，当滤波片3与平面镜4平行时，λ1光束与λ2光束的参考光的路径相同。通过调节滤波片3的倾斜角度来改变两个波长光束的参考光的路径，使λ1光束与λ2光束的参考光的路径不同，从而改变两个不同波长光束生成的全息图的条纹方向，如图4所示，让不同波长的频谱分开，实现波长分离，可以实现进行单帧采集双波长全息图。传统技术需要分两次采集两种波长的全息图，不适合动态测量场合，如测量活细胞(活细胞是运动的)或者运动的反射式样品，相比于传统技术，本发明非常适合于动态双波长相位测量。
成像装置还包括第二分束镜8，第一波长光源6、第二波长光源7的光束在第二分束镜8汇聚形成等效点光源，等效点光源的发散性好，可以提高成像效果。第一波长光源6的光束通过第一光纤9输出到第二分束镜8，第二波长光源7的光束通过第二光纤10输出到第二分束镜8，可以方便将第一波长光源6、第二波长光源7安装在合适的位置，灵活性高。
成像装置还包括第一物镜11、第二物镜12，第一波长光源6的光束通过第一物镜11成像后输出到第二分束镜8，第二波长光源7的光束通过第二物镜12成像后输出到第二分束镜8。
第一物镜11与第二分束镜8的连线垂直于第二物镜12与第二分束镜8的连线，第二分束镜8、第一分束镜1、滤波片3、平面镜4位于同一直线上，整体结构紧凑。
在其他实施例中，成像装置还包括位于第一分束镜1与待测物体2之间的透镜13，可以提高成像效果。
物光经过待测物体2产生的光程差为h，光程差h即为待测物体2的厚度或高度。对λ1光束、λ2光束记录的全息图进行数值重建，得到的相位分布分别可以表示：
其中，Λ为合成波长，相位差
即为合成波长下得到的相位分布，λ1、λ2相差越小，合成波长越大，对于不同的测量样品，需保证合成波长大于h，即第一波长光源6、第二波长光源7的合成波长大于待测物体2的厚度。通过双波长技术进行相位展开，可以得到准确的展开相位分布。通过相位-高度转换，高度分布可以表示为：
工作原理：
先打开可以透过滤波片3的光源，调整好平面镜4的位置使得图像采集设备3可以得到符合要求的全息图；
再打开另一个光源，调整好滤波片3的倾斜角度使得图像采集设备3可以得到两个频谱分开的并符合要求的全息图；
对待测物体进行实际测量。
验证实例
使用光源波长为λ1＝632.8nm，λ2＝532nm，滤波片为大恒窄带滤波片，通过波长为532nm，其他波长不能通过，透射率为50％。单独波长λ1照射时，其得到全息图的频谱分布如图2所示。单独波长λ2照射时，其得到全息图的频谱分布如图3所示。两波长同时照射时得到的条纹图和对应全息图分别如图4和图5所示。从实验结果可以看出，调整滤波片倾斜角度后，可以得到不同倾斜方向的条纹图，如图4所示，其对应的频谱分量分布也能分开，不干扰，如图5所示。从上述实验结果说明，利用滤波片可简单实现双波长全息图的单帧记录，从而达到实时双波长成像和测量的目的。
本发明通过在第一分束镜与平面镜之间设置滤波片，通过调节滤波片的倾斜角度来改变两个波长光束的参考光路径，从而改变两个不同波长光束生成的全息图的条纹方向，让不同波长的频谱分开，实现波长分离，可以实现进行单帧采集双波长全息图，非常适合于动态双波长相位测量。同时，本发明通过反射式的原理得到全息图，无需借助传统技术的透镜、偏振元件等光学元件，提高了相位测量的准确性，适合测量台阶等大梯度变化物体，整体结构紧凑、成本低、适用性高。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (10)
1.一种双波长数字全息显微成像方法，其特征在于，所述方法包括：
将包含有第一波长光和第二波长光的光束通过第一分束镜(1)形成反射光和透射光；
所述反射光照射待测物体(2)后形成物光；
所述透射光的其中一种波长光通过滤波片(3)反射形成第一参考光，所述透射光的另一种波长光滤过所述滤波片(3)并照射在平面镜(4)后形成第二参考光，所述第一参考光与第二参考光的路径不同；
所述物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过图像采集设备(5)进行拍摄记录。
2.根据权利要求1所述的双波长数字全息显微成像方法，其特征在于，所述物光与第一参考光、第二参考光通过所述第一分束镜(1)后干涉产生全息图。
3.一种双波长数字全息显微成像装置，包括图像采集设备(5)，其特征在于，还包括第一波长光源(6)、第二波长光源(7)、第一分束镜(1)、滤波片(3)、平面镜(4)，所述滤波片(3)可以相对所述平面镜(4)旋转，所述第一波长光源(6)、第二波长光源(7)的光束通过所述第一分束镜(1)形成反射光和透射光，所述反射光照射待测物体(2)后形成物光，所述透射光的其中一种波长光通过所述滤波片(3)反射形成第一参考光，所述透射光的另一种波长光滤过所述滤波片(3)并照射在所述平面镜(4)后形成第二参考光，所述物光与第一参考光、第二参考光干涉产生全息图并通过所述图像采集设备(5)进行拍摄记录。
4.根据权利要求3所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，所述物光与第一参考光、第二参考光通过所述第一分束镜(1)后干涉产生全息图。
5.根据权利要求3所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，还包括第二分束镜(8)，所述第一波长光源(6)、第二波长光源(7)的光束在所述第二分束镜(8)汇聚形成等效点光源。
6.根据权利要求5所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，所述第一波长光源(6)的光束通过第一光纤(9)输出到所述第二分束镜(8)，所述第二波长光源(7)的光束通过第二光纤(10)输出到所述第二分束镜(8)。
7.根据权利要求5或6所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，还包括第一物镜(11)、第二物镜(12)，所述第一波长光源(6)的光束通过所述第一物镜(11)成像后输出到所述第二分束镜(8)，所述第二波长光源(7)的光束通过所述第二物镜(12)成像后输出到所述第二分束镜(8)。
8.根据权利要求5所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，所述第二分束镜(8)、第一分束镜(1)、滤波片(3)、平面镜(4)位于同一直线上。
9.根据权利要求3所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，所述第一波长光源(6)、第二波长光源(7)的合成波长大于所述待测物体(2)的厚度。
10.根据权利要求3所述的双波长数字全息显微成像装置，其特征在于，还包括位于所述第一分束镜(1)与待测物体(2)之间的透镜(13)。
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