CN111459003A - 一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置，沿光路方向依次包括一维周期光栅、第四透镜、滤波器和成像探测器。携带有物体信息的平行光束经过一维周期光栅后发生衍射，在第四透镜的傅里叶频谱面上，采用滤波器滤出的0级衍射光和+1级衍射光在成像探测器靶面上生成离轴全息图，并由成像探测器记录；采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。本发明的装置结构简单紧凑，便于装调，可以直接作为商用光学显微镜的外接设备，对生物细胞等微纳结构物体进行定量显微成像，具有很强的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于数字全息显微成像领域，特别涉及一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置。
背景技术
生物细胞/组织具有三维分布特征，三维测量是了解组织结构和活动全部信息的必要条件。然而，细胞/组织培养过程中的大部分都是未染色的原态细胞/组织，表现出透明或者半透明性质，光透过后仅相位发生了变化，波长和光强(振幅)几乎不变。采用传统光学显微镜对细胞/组织进行观测时，只能看到光强(二维)信息，不能获得细胞/组织的相位(三维)信息。因此，能够对微小型生物组织实现快速、三维、相位定量成像是生物医学界追求的目标，也是光学测量领域学者所追求的目标。数字全息显微术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时空相干光源(如，激光)进行照明，不可避免会产生无法消除的激光散斑噪声和寄生条纹，影响检测分辨率的进一步提高。针对这些问题，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，其相干长度通常在二十几个微米左右。当使用传统非共光路离轴数字全息干涉光路(如，迈克尔逊干涉光路)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，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，光路的装调非常繁琐和困难。Zhuo Wang等人提出的空间光干涉显微技术(Spatial lightinterference microscopy(SLIM),Optics Express,2011,19(2):1016-1026)通过采用白光作为光源，有效克服了散斑效应，但是该技术需要采集四副具有不同相位差的Gabor全息图才能定量恢复出物体的相位信息，实时性相对较差。
发明内容
本发明提出了一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置，可以用来对如生物细胞/组织等微小物体进行定量相位检测，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，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，同时能够实现高动态的实时性测量。
本发明的技术解决方案为：
一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13，其特征在于：
沿光路方向依次包括一维周期光栅9，第四透镜10，滤波器11和成像探测器12。
所述一维周期光栅9设置在第四透镜10的前焦面上；
所述的滤波器11为加工在金属薄片上可以使+1衍射光频谱全部通过的大孔和仅使0级低频通过的微米级小孔，其位于第四透镜10的后焦面上；
一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13的工作原理如下：
步骤一，通过调整外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13，使一维周期光栅9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9后发生多级衍射，各级衍射光经过第四透镜10，在第四透镜10的傅里叶频谱面上可以得到各级衍射光的频谱信息；
步骤二，采用滤波器11将其他级次衍射光全部去掉，仅保留0级衍射光的低频信息和+1级衍射光的全部频谱信息。因此，+1级衍射光携带有被测物体的相位信息，作为物光波；0级衍射光没有携带被测物体的相位信息，作为参考光波；
步骤三，由于0级衍射光(参考光波)和+1级衍射光(物光波)存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器12靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器12记录；
步骤四，采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对成像探测器12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微透镜阵列、生物细胞等微纳结构物体的定量显微测量，具有很广的市场应用前景。
附图说明
图1示出了本发明的结构示意图；
图2示出了本发明与一种外部显微系统联合使用的结构示意图；
图3示出了本发明与商用光学显微镜联合使用的结构示意图；
图4示出了利用本发明的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13对微透镜阵列进行数字全息显微成像的结果；其中图4(a)是系统采集到的微透镜阵列离轴全息图；图4(b)是经过数字全息重构后得到的微透镜阵列三维高度图；图4(c)是经过数字全息重构后得到的微透镜阵列二维高度图；
图5示出了利用本发明的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13对微透镜阵列中单个透镜(图4(a)中白色框内的透镜)进行数字全息显微成像的结果；其中图5(a)是系统采集到的微透镜阵列离轴全息图；图5(b)是经过数字全息重构后得到的单个透镜的三维高度图；图5(c)是经过数字全息重构后得到的单个透镜的二维高度图；图5(d)是图5(c)中过坐标中心沿着X轴白色线条对应的二维轮廓图；图中黑色实线为单个微透镜理想的二维轮廓分布，虚线为实际测量的二维轮廓分布；图5(e)是图5(c)中过坐标中心沿着Y轴白色线条对应的二维轮廓图。
其中附图标记如下：1-光源，2-第一透镜，3-孔径光阑，4-第二透镜，5-物体，6-显微物镜，7-反射镜，8-第三透镜，9-一维周期光栅，10-第四透镜，11-滤波器，12-成像探测器，13-外置型共光路离轴数字全息显微成像装置，14-商用光学显微镜。
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，本发明的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13所包含的部件功能如下：
1、一维周期光栅9，可以为振幅光栅也可以是相位光栅。
2、第四透镜10要求为消色差透镜。
3、滤波器11可以在一块金属薄片上进行加工，也可以通过光学器件(如空间光调制器SLM)进行设定。+1级孔具有合适的尺寸，保证只有+1级衍射光频谱能够全部通过；0级孔直径应约等于第四透镜10的艾里斑直径，用于对0级光波进行低通滤波。
4、成像探测器12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，且成像探测器(12)放置在一维周期光栅(9)的共轭面上。
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4准直后，照射被测物体5；随后被测物体5被显微物镜6放大成像后，经过反射镜7和第三透镜8后，在成像平面IP处得到被测物体5被放大后的像；通过调整外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13，使一维周期光栅9与成像平面IP重合；被测物体5被显微放大后的像进入外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13后，经过一维周期光栅9发生多级衍射，各级衍射光经过第四透镜10，在第四透镜10的傅里叶频谱面上，可以得到彼此分离的各级衍射光的频谱信息；采用滤波器11对0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行滤波，使+1级衍射光频谱完整通过，作为物光波；使0级衍射光频谱的中心部分通过，作为参考光波；经滤波器11滤波后的0级衍射光和+1级衍射光进入成像探测器12；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12靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器12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，本发明的外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13与商用光学显微镜14联合使用的结构示意图。需要检测的物体经过商用光学显微镜14显微放大后，在商用光学显微镜14的成像平面IP处可以得到被测物体5放大的像；通过调整外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13，使一维周期光栅9与成像平面IP重合；被测物体5被显微放大后的像进入外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13后，经过一维周期光栅9发生多级衍射，各级衍射光经过第四透镜10，在第四透镜10的傅里叶频谱面上，可以得到彼此分离的各级衍射光的频谱信息；采用滤波器11对0级衍射光的频谱信息和+1级衍射光的频谱信息进行滤波，使+1级衍射光频谱完整通过，作为物光波；使0级衍射光频谱的中心部分通过，作为参考光波；经滤波器11滤波后的0级衍射光和+1级衍射光进入成像探测器12；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12靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器12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。
具体实施例：以微透镜阵列作为被测物体进行实际测试；商用光学显微镜14采用上海光学仪器厂生产的光学显微镜37XF；第四透镜10的焦距为60mm；一维周期光栅9的线对数为100Line/mm。滤波器11是由通过金属薄片加工而成；成像探测器12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12记录得到的微透镜阵列和单个透镜的离轴全息图分别如图4(a)和图5(a)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三维高度信息(如图4(b)和图5(b))，二维高度信息(如图4(c)和图5(c))，以及单个透镜的二维轮廓分布(如图5(d)和图5(e))。已知微透镜阵列中单个透镜的理论高度为2.21μm，经过本发明的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13测试得到的高度值为2.25μm，足以说明本发明的装置精度高，而且具有很好的实用性。
Claims (4)
1.一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)，其特征在于：沿光路方向依次包括一维周期光栅(9)，第四透镜(10)，滤波器(11)和成像探测器(12)。
一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)的工作原理如下：
步骤一，通过调整外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)，使一维周期光栅(9)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(9)后发生多级衍射，各级衍射光经过第四透镜(10)，在第四透镜(10)的傅里叶频谱面上，可以得到各级衍射光的频谱信息；
步骤二，通过采用滤波器(11)将其他级次衍射光全部去掉，仅保留0级衍射光的低频信息和+1级衍射光的全部频谱信息。+1级衍射光携带有被测物体的相位信息，作为物光波；0级衍射光没有携带被测物体的相位信息，作为参考光波；
步骤三，由于0级衍射光(参考光波)和+1级衍射光(物光波)存在夹角，且满足相干条件，因此会在成像探测器(12)靶面上发生干涉，形成离轴全息图，并由成像探测器(12)记录；
步骤四，采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对成像探测器(12)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所述的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)，其特征在于：所述一维周期光栅(9)设置在第四透镜(10)的前焦面上；所述滤波器(11)设置在第四透镜(10)的后焦平面上；所述的成像探测器(12)设置在一维周期光栅(9)的共轭面上，成像探测器(12)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。
3.根据权利要求1所述的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)，其特征在于：一维周期光栅(9)可以为振幅光栅也可以是相位光栅。
4.根据权利要求1所述的一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置(13)，其特征在于：所述的滤波器(11)可以在一块金属薄片上进行加工，也可以通过光学器件(如空间光调制器SLM)进行设定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200728 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |