CN113075871B - 高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法及装置 - Google Patents
高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法及装置，激光信号通过正交线偏振态的高速切换，再经扩束和矩形光阑后，由偏振分束棱镜分束为时间交替产生的正交线偏振两支路；每个支路再分为参考光信号和探测光信号；将参考光信号中继至全反射镜并接收参考返回光信号；将探测光信号中继至样品平台并接收探测扫描光信号；参考返回光信号和探测扫描光信号合束后中继到光敏面，得到的多帧一维线共焦干涉图经过采集和叠加分别生成两个方向的重建干涉场，再通过处理实现样品平面的物光频谱拓展，然后做角谱后向传输算法处理，重建物光波场的三维相位分布。本发明实现了横向分辨率两个方向的各向同性，处理算法相对简单。
Description
技术领域
本发明涉及三维显微成像技术领域，特别涉及高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法及装置。
背景技术
共焦成像技术将光源经过物镜聚焦后照射样品平面，并实现横向扫描，接收端采用针孔滤除非聚焦面的杂散光，提高了图像横向分辨率；通过轴向扫描，判断光强出现最大值的位置即可实现被测样品的轴向测量，进而结合横向测量结果可实现对被测样品的高分辨率三维扫描成像。在生命科学、半导体检测和材料科学等领域已被广泛应用。
目前高速共焦成像领域主要有以下几类方法：基于Nipkow盘式的点扫描共焦成像方法，基于柱面透镜的线扫描共焦成像方法，基于微透镜阵列的并行共焦成像方法，基于光纤阵列的并行共焦成像方法等。基于Nipkow盘式的点扫描共焦成像方法采用Nipkow盘来实现高速扫描，速度快是此方法的最大的优势，但由于Nipkow盘是通过机械旋转来实现，机械旋转不可避免的会引入震动，机械震动在高速成像的时候很难消除，因此对成像的精度有很大的影响；基于柱面镜的线扫描共焦成像方法减小了一个维度的扫描，每次参与成像的为一条聚焦线上的所有点，因此成像速度也较普通的单点探测的有较大的优势。但是狭缝的引入只能抑制一个方向的杂散光束干扰，柱面透镜轴向方向上的并非处在共焦模式上，因此在成像分辨率存在不同方向存在不同的分辨率，无法实现二维横向分辨率的各向同性；基于微透镜阵列的并行共焦成像方法通过引入微透镜阵列，将原来的单个点光源拓展为点光源阵列，可以认为同一时刻很多个共焦系统在工作，但是微透镜阵列的点光源阵列光强分布不均，且接收的复杂性；基于光纤阵列的并行共焦成像系统优点是灵活，使用范围大，缺点在于阵列光纤耦合器需要较高的耦合精度与耦合一致性，对于阵列光纤的排布也有较为严格的要求，同时受限于目前光纤束的制造工艺，光纤束的密度也无法做很小，限制了应用。
数字全息三维成像技术沿袭了光学全息记录理论，利用光电探测器代替普通全息记录介质记录干涉图，通过计算机数值计算取代光学衍射来再现所记录的物光波场，同时获得物光波场的振幅信息和相位信息，整个记录和再现过程都数字化，是一种无接触、无破坏且具有较高分辨率的测量介质中相位变化的3D成像技术，有望成为3D微纳成像领域研究的有力工具。
空间分辨率是评价数字全息三维显微成像系统的重要指标，由成像系统的数值孔径(NA)和记录波长共同确定。在数值孔径一定时，采用深紫外波长记录光也可以有效提高记录系统的分辨率，但是对波长要求较高，同时记录光可能会对样品产生影响；在波长一定时，使用大数值孔径的成像物镜可以有效提高记录系统的分辨率，但是大数值孔径的成像物镜却有着工作距离和焦深短以及视场小的缺点，而且成像物镜的像差对再现质量造成的影响也难以消除。另外还受到记录器件(如CCD,CMOS)有限的光敏面尺寸及像元尺寸的限制，这在很大程度上影响了数字全息三维显微技术的进一步发展及应用。
在先技术【1】(A.S.Goy and D.Psaltis,Digital confocal microscope,Opt.Express 2012,20(20):22720-22727)将点扫描共焦显微成像技术与数字全息三维成像技术相结合，对扫描点进行实时数字全息记录，获得目标的所有相位和强度信息，可以重建目标的三维图像。为了进一步提高成像速度，在先技术【2】(Changgeng Liu,SebastianKnitter,Zhilong Cong,Ikbal Sencan,Hui Cao,and Michael A.Choma,High-speedline-field confocal holographic microscope for quantitative phase imaging,Opt.Express 2016,24(9):9251-9265)将一维线扫描共焦显微技术与数字全息三维成像技术相结合，集成两种技术的优点，通过逐线记录一维离轴干涉图，实现快速高分辨低噪声的数字全息三维成像。但是在先技术均只能实现一维方向线共焦成像，无法实现二维横向分辨率的各向同性。
发明内容
本发明的目的在于，提供高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法及装置。本发明提高了数字全息三维成像的横向和纵向空间分辨率，同时还实现了横向分辨率两个方向的各向同性，具有高速、信噪比高、抗干扰能力强的优点。
本发明的技术方案：高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，单频单模连续激光器产生的光信号首先经过起偏成为线偏振光进入高速线偏振电光开关，由高速线偏振电光开关切换入射线偏振光的偏振态，使得出射光的偏振态在两种正交线偏振之间高速切换；出射光再经过扩束和矩形光阑后，由第一偏振分束棱镜分束为时间交替产生的正交偏振的X支路光束和Y支路光束；
X支路光束先经过第一半波片，再经过第一柱面透镜聚焦后，由第二偏振分束棱镜分为X支路参考光信号和X支路探测光信号；将X支路参考光信号通过X支路参考4f透镜组中继至第一全反射镜并接收X支路参考返回光信号；将X支路探测光信号通过X支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收X支路探测扫描光信号，其中X支路探测4f透镜组内设置有X方向一维快速扫描器，利用X方向一维快速扫描器实现对样品平台的X方向的线扫描；X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入X支路接收光路；在X支路接收光路中，先经过第一狭缝滤除杂散光，再通过X支路接收4f透镜组中继到第一高速线阵相机的光敏面，中继时经过第一检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧X支路一维线共焦干涉图；
Y支路光束先经过第二半波片，再经过第二柱面透镜聚焦后，由第三偏振分束棱镜分为Y支路参考光信号和Y支路探测光信号；将Y支路参考光信号通过Y支路参考4f透镜组中继至第二全反射镜并接收Y支路参考返回光信号；将Y支路探测光信号通过Y支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收Y支路探测扫描光信号，其中Y支路探测4f透镜组内设置有Y方向一维快速扫描器，利用Y方向一维快速扫描器实现对样品平台的Y方向的线扫描；Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入Y支路接收光路；在Y支路接收光路中，先经过第二狭缝滤除杂散光，再通过Y支路接收4f透镜组中继到第二高速线阵相机的光敏面，中继时经过第二检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧Y支路一维线共焦干涉图；
X支路的多帧一维线共焦干涉图和Y支路的多帧一维线共焦干涉图分别经过高速数字采集，在主控计算机中分别进行叠加生成X方向重建干涉场和Y方向重建干涉场，再分别进行二维傅里叶变换、频谱叠加、滤波和平均处理，实现样品平面的物光频谱拓展，然后对拓展后的物光频谱做角谱后向传输算法处理，最后采用解包裹运算重建物光波场的三维相位分布，完成三维成像，同时通过样品平台轴向平移获得样品不同深度层次的三维相位信息。
上述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述X支路参考4f透镜组包括沿X支路参考光信号传输方向依次设置的第一透镜、第一四分之一波片和第二透镜；其中第一柱面透镜、第一透镜和第二透镜共同构成了4f系统，第一四分之一波片用于调整X支路参考返回光信号的光强。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述X支路探测4f透镜组包括沿X支路探测光信号传输方向依次设置的第三透镜、X方向一维快速扫描器、第三半波片、第四偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第四透镜、第五透镜和显微物镜；其中第一柱面透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和显微物镜共同构成了4f系统，X方向一维快速扫描器处于第三透镜和第四透镜之间，即第三透镜的后焦面和第四透镜前焦面；第三半波片用于调整优化X支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜进入探测光路的光强；第三四分之一波片用于调整优化接收X支路探测扫描光信号。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述X支路接收4f透镜组包括沿X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号传输方向设置的第六透镜、第七透镜和第一检偏器；其中第一柱面透镜、第六透镜和第七透镜共同构成了4f系统，第一狭缝位于第六透镜的前焦面，用于滤除X支路接收光路非聚焦平面杂散光。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述Y支路参考4f透镜组包括沿Y支路参考光信号传输方向依次设置的第八透镜、第二四分之一波片和第九透镜；其中第二柱面透镜、第八透镜和第九透镜共同构成了4f系统，第二四分之一波片用于调整优化Y支路参考返回光信号的光强。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述Y支路探测4f透镜组包括沿Y支路探测光信号传输方向依次设置的第十透镜、Y方向一维快速扫描器、第四半波片、第四偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第四透镜、第五透镜和显微物镜；其中第二柱面透镜、第十透镜、第四透镜、第五透镜和显微物镜共同构成了4f系统，Y方向一维快速扫描器处于第十透镜和第四透镜之间，即第十透镜的后焦面和第四透镜前焦面；第四半波片用于调整优化Y支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜进入探测光路的光强；第三四分之一波片用于调整优化接收Y支路探测扫描光信号。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，所述Y支路接收4f透镜组包括沿Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号传输方向设置的第十一透镜、第十二透镜和第二检偏器；其中第二柱面透镜、第十一透镜和第十二透镜共同构成了4f系统，第二狭缝位于第十一透镜的前焦面，用于滤除Y支路接收光路非聚焦平面杂散光。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，X支路的多帧一维线共焦干涉图经过第一高速线阵相机探测和高速数字采集，在主控计算机中进行叠加生成X扫描方向的重建干涉场；Y支路的多帧一维线共焦干涉图经过第二高速线阵相机探测和高速数字采集，在主控计算机中进行叠加生成Y扫描方向的重建干涉场；
两个支路的重建干涉场的强度分布均表示为：
iH(kΔxH，lΔyH)
＝a(kΔxH，lΔyH)+c(kΔxH，lΔyH)exp[-j2π(ξxΔxH+ξyΔyH)]
+c*(kΔxH，lΔyH)exp[j2n(ξxΔxH+ξyΔyH)]；
式中：
其中O0(kΔxH，lΔyH)为X支路或Y支路探测扫描光信号的离散振幅分布，
为对应的X支路或Y支路探测扫描光信号的离散相位分布，r0(kΔxH，lΔyH)为对应的X支路或Y支路参考返回光信号的离散振幅分布，ξx和ξy分别是x和y方向的空间频率，由参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ决定；k和l都是整数，-M/2≤k≤M/2，-N/2≤l≤N/2，M和N分别为两个方向的像素数；ΔxH和ΔyH为重建干涉图平面的采样间隔，ΔxH＝ΔyH＝Lx/M＝Ly/N，Lx×Ly是重建干涉场的面积，*表示卷积运算。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，将X扫描方向的重建干涉场和Y扫描方向的重建干涉场在主控计算机中通过二维傅里叶变换分别求出频谱，将两个频谱叠加、滤波和加权平均，实现横向成像频谱范围扩展，提高横向空间分辨率，其中二维傅里叶变换计算如下：
IH(pΔξ，qΔη)＝FFT2{iH(kΔxH，lΔyH)}p，q
＝A(pΔξ，qΔη)+C+1(pΔξ-ξx，qΔη-ξy)+C-1(pΔξ+ξx，qΔη+ξy)；
式中：IH表示iH的二维傅里叶变换，p和q都是整数，-M/2≤p≤M/2，-N/2≤q≤N/2；Δξ和Δη分别为频谱域内两个轴的取样间隔Δξ＝1/(MΔxH)＝1/Lx，Δη＝1/(NΔyH)＝1/Ly；A为干涉频谱的零级峰，C+1为干涉频谱的+1级峰，C-1为干涉频谱-1级峰；
通过参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ调整ξx和ξy，使其A、C+1和C-1在频谱域内分开，然后将频谱域内的A和C-1滤除，再将C+1平移至频谱域的中心，利用角谱传递函数将C+1向后传播以得到样品平台所在平面的物光频谱，对物光频谱作二维逆傅里叶变换得到重建后的物光波场的复振幅分布：
式中：m和n都是整数，-M/2≤m≤M/2；-N/2≤n≤N/2；λ是波长，H(pΔξ，qΔη)是频谱域内的角谱传递函数；IFFT2是二维逆傅立叶变换；
和
为成像面的采样间隔，大小与高速线阵相机光敏面像素尺寸相同；
从而得到物光波场的相位分布：
最后进行解包裹运算，得到物光波场的三维相位分布，完成三维成像，同时通过样品平台轴向平移获得样品不同深度层次的三维相位信息。
前述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法的装置，包括单频单模连续激光器，单频单模连续激光器经起偏器连接有高速线偏振电光开关，高速线偏振电光开关的输出端依次连接有扩束器、矩形光阑和第一偏振分束棱镜；所述第一偏振分束棱镜连接有X支路和Y支路；所述X支路包括第一半波片、第一柱面透镜、第二偏振分束棱镜、X支路参考4f透镜组、X支路探测4f透镜组和X支路接收4f透镜组；所述Y支路包括第二半波片、第二柱面透镜、第三偏振分束棱镜、Y支路参考4f透镜组、Y支路探测4f透镜组和Y支路接收4f透镜组；
所述X支路参考4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜连接的第一透镜，第一透镜经第一四分之一波片连接有第二透镜；所述第二透镜连接有第一全反射镜；所述X支路探测4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜连接的第三透镜，第三透镜经X方向一维快速扫描器连接有第三半波片，第三半波片经第四偏振分束棱镜连接第三四分之一波片，第二四分之一波片连接有第四透镜，第四透镜连接有第五透镜；所述第五透镜经显微物镜连接有样品平台；所述X支路接收4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜连接的第一狭缝，第一狭缝连接有第六透镜，第六透镜经第七透镜连接有第一检偏器；所述第一检偏器连接有第一高速线阵相机；
所述Y支路参考4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜连接的第八透镜，第八透镜经第二四分之一波片连接有第九透镜；所述第九透镜连接有第二全反射镜；所述Y支路探测4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜连接的第十透镜，第十透镜经Y方向一维快速扫描器连接有第四半波片，第四半波片与第四偏振分束棱镜连接；所述Y支路接收4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜连接的第二狭缝，第一狭缝连接有第十一透镜，第十一透镜经第十二透镜连接有第二检偏器；所述第二检偏器连接有第二高速线阵相机；
第一高速线阵相机和第二高速线阵相机一同经高速数字采集卡连接有主控计算机；所述主控计算机分别还与X方向一维快速扫描器、Y方向一维快速扫描器和高速线偏振电光开关连接。
与现有技术相比，本发明通过将高速双光束正交线扫描线共焦成像技术与数字全息三维成像技术相结合，利用X方向和Y方向线共焦频谱叠加、滤波和平均处理实现横向成像频谱范围拓展，从而提高了横向空间分辨率，通过线共焦成像提高了纵向空间分辨率，从而实现了高分辨率的数字全息三维成像，同时还实现了横向分辨率两个方向的各向同性，而且大幅度简化了后期处理算法，使得处理算法相对简单，具有高速成像、信噪比高、抗干扰能力强的优点，在高速高分辨高精度三维检测领域具有重要的发展前景。
附图说明
图1是本发明的框架结构示意图；
图2是高速线阵相机的光敏面、探测扫描光信号和参考返回光信号之间的几何关系图；
图3是一维线共焦干涉图叠加示意图；
图4是X频谱和Y频谱叠加示意图；
图5是主控计算机中的算法流程图。
附图中的标记为：
1、单频单模连续激光器；2、起偏器；3、高速线偏振电光开关；4、扩束器；5、矩形光阑；6、第一偏振分束棱镜；7、第一半波片；8、第一柱面透镜；9、第二偏振分束棱镜；10、第二半波片；11、第二柱面透镜；12、第三偏振分束棱镜；13、第一透镜；14、第一四分之一波片；15、第二透镜；16、第一全反射镜；17、第三透镜；18、X方向一维快速扫描器；19、第三半波片；20、第四偏振分束棱镜；21、第三四分之一波片；22、第四透镜；23、第五透镜；24、显微物镜；25、样品平台；26、第一狭缝；27、第六透镜；28、第七透镜；29、第一检偏器；30、第一高速线阵相机；31、第八透镜；32、第二四分之一波片；33、第九透镜；34、第二全反射镜；35、第十透镜；36、Y方向一维快速扫描器；37、第四半波片；38、第二狭缝；39、第十一透镜；40、第十二透镜；41、第二检偏器；42、第二高速线阵相机；43、高速数字采集卡；44、主控计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：单频单模连续激光器产生的光信号首先经过起偏成为线偏振光，再经过高速线偏振电光开关，高速线偏振电光开关由主控计算机控制，按照一定时序高速切换入射线偏振光的偏振态，出射光的偏振态就在两种正交线偏振之间高速切换。出射光束经过扩束和矩形光阑后，由第一偏振分束棱镜分为正交偏振的两支路，分别为X支路和Y支路。X支路光束先经过第一半波片，再经过第一柱面透镜聚焦后，由第二偏振分束棱镜分为X支路参考光信号和X支路探测光信号；将X支路参考光信号通过X支路参考4f透镜组中继至第一全反射镜并接收参考返回光信号；将X支路探测光信号通过X支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收探测扫描光信号，其中X支路探测4f透镜组内设置有X方向一维快速扫描器，利用X方向一维快速扫描器实现对样品平台的X方向的线扫描；X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入X支路接收光路；在X支路接收光路中，先经过第一狭缝滤除杂散光，再通过X支路接收4f透镜组中继到第一高速线阵相机的光敏面，中继时经过第一检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧X支路一维线共焦干涉图；Y支路光束先经过第二半波片，再经过第二柱面透镜聚焦后，由第三偏振分束棱镜分为Y支路参考光信号和Y支路探测光信号；将Y支路参考光信号通过Y支路参考4f透镜组中继至第二全反射镜并接收参考返回光信号；将Y支路探测光信号通过Y支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收探测扫描光信号，其中Y支路探测4f透镜组内设置有Y方向一维快速扫描器，利用Y方向一维快速扫描器实现对样品平台的Y方向的线扫描；Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入Y支路接收光路；在Y支路接收光路中，先经过第二狭缝滤除杂散光，再通过Y支路接收4f透镜组中继到第二高速线阵相机的光敏面，中继时经过第二检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧Y支路一维线共焦干涉图；X支路和Y支路的多帧一维线共焦干涉图分别经过高速数字采集，在主控计算机中分别进行叠加生成X方向重建干涉场和Y方向重建干涉场，再分别进行二维傅里叶变换、频谱叠加、滤波和平均处理，实现样品平面的物光频谱拓展，然后对拓展后的物光频谱做角谱后向传输算法处理，最后采用解包裹运算重建物光波场的三维相位分布，完成三维成像。通过样品平台轴向平移可以获得样品不同深度层次的三维相位信息。
实现上述方法的装置，如图1所示，包括单频单模连续激光器1，单频单模连续激光器1经起偏器2连接有高速线偏振电光开关3，高速线偏振电光开关3的输出端依次连接有扩束器4、矩形光阑5和第一偏振分束棱镜6；所述第一偏振分束棱镜6连接有X支路和Y支路；所述X支路包括第一半波片7、第一柱面透镜8、第二偏振分束棱镜9、X支路参考4f透镜组、X支路探测4f透镜组和X支路接收4f透镜组；所述Y支路包括第二半波片10、第二柱面透镜11、第三偏振分束棱镜12、Y支路参考4f透镜组、Y支路探测4f透镜组和Y支路接收4f透镜组；
所述X支路参考4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜9连接的第一透镜13，第一透镜13经第一四分之一波片14连接有第二透镜15；所述第二透镜15连接有第一全反射镜16；所述X支路探测4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜9连接的第三透镜17，第三透镜17经X方向一维快速扫描器18连接有第三半波片19，第三半波片19经第四偏振分束棱镜20连接第三四分之一波片21，第二四分之一波片21连接有第四透镜22，第四透镜22连接有第五透镜23；所述第五透镜23经显微物镜24连接有样品平台25；所述X支路接收4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜9连接的第一狭缝26，第一狭缝26连接有第六透镜27，第六透镜27经第七透镜28连接有第一检偏器29；所述第一检偏器29连接有第一高速线阵相机30；
所述Y支路参考4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜12连接的第八透镜31，第八透镜31经第二四分之一波片32连接有第九透镜33；所述第九透镜33连接有第二全反射镜34；所述Y支路探测4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜12连接的第十透镜35，第十透镜35经Y方向一维快速扫描器36连接有第四半波片37，第四半波片37与第四偏振分束棱镜20连接；所述Y支路接收4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜12连接的第二狭缝38，第一狭缝38连接有第十一透镜39，第十一透镜39经第十二透镜40连接有第二检偏器41；所述第二检偏器41连接有第二高速线阵相机42；
第一高速线阵相机30和第二高速线阵相机42一同经高速数字采集卡43连接有主控计算机44；所述主控计算机44分别还与X方向一维快速扫描器18、Y方向一维快速扫描器36和高速线偏振电光开关3连接。
实施例2：在实施例1的基础上，具体的，采用633nm单频单模连续激光器1，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，单频单模连续激光器1产生的光信号首先经过起偏器2起偏，确保水平偏振消光比大于25dB，再经过高速线偏振电光开关3(KDP电光晶体开关)，KDP电光晶体开关的高压电源由主控计算机44控制，半波电压约300V，不施加半波电压时，输出光为水平线偏振，施加半波电压时输出光为竖直线偏振，通过施加高压脉冲，出射光的偏振态就在两种正交线偏振之间高速切换。出射光束经过10×扩束器4扩束，再经过矩形光阑5后，由第一偏振分束棱镜6分为正交偏振的两支路，透射光为水平偏振的X支路光束，反射光为竖直偏振的Y支路光束。
X支路光束先经过第一半波片7，再经过第一柱面透镜8，在后焦面产生一条聚焦线光束，矩形光阑5位于第一柱面透镜8的前焦面，第一柱面透镜8焦距50mm，矩形光阑5长度5mm，再由第二偏振分束棱镜9分为X支路参考光信号和X支路探测光信号。两路信号分束比由第一半波片7进行控制，大部分能量作为X支路探测光信号，小部分能量作为X支路参考光信号。将X支路参考光信号通过X支路参考4f透镜组中继至第一全反射镜16并接收X支路参考返回光信号；X支路参考4f透镜组包括沿X支路参考光信号传输方向依次设置的第一透镜13、第一四分之一波片14和第二透镜15；其中第一柱面透镜8、第一透镜13和第二透镜15共同构成了4f系统，第一四分之一波片14用于调整X支路参考返回光信号的光强。第一透镜13的焦距为150mm，第二透镜15的焦距为20mm；
将X支路探测光信号通过X支路探测4f透镜组中继至样品平台25并接收X支路探测扫描光信号；具体是，所述X支路探测4f透镜组包括沿X支路探测光信号传输方向依次设置的第三透镜17、X方向一维快速扫描器18、第三半波片19、第四偏振分束棱镜20、第三四分之一波片21、第四透镜22、第五透镜23和显微物镜24；其中第一柱面透镜8、第三透镜17、第四透镜22、第五透镜23和显微物镜24共同构成了4f系统，X方向一维快速扫描器18处于第三透镜17和第四透镜22之间，即第三透镜17的后焦面和第四透镜22前焦面(两焦平面重合)，X方向一维快速扫描器18采用THORLABS的一维振镜系统GVS001；出射的X支路探测光信号通过第五透镜23和显微物镜24中继到样品平台25，然后接受样品平台25反射回的X支路探测扫描光信号；第三半波片19用于调整优化X支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜20进入探测光路的光强；第三四分之一波片21用于调整优化接收X支路探测扫描光信号。
X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜9合束进入X支路接收光路；在X支路接收光路中，先经过第一狭缝26滤除杂散光，再通过X支路接收4f透镜组中继到第一高速线阵相机30的光敏面，中继时经过第一检偏器29的检偏形成离轴干涉场，得到多帧一维线共焦干涉图；所述X支路接收4f透镜组包括沿X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号传输方向设置的第一狭缝26、第六透镜27、第七透镜28和第一检偏器29；其中第一柱面透镜8、第六透镜27和第七透镜28共同构成了4f系统，第一狭缝26位于第六透镜27的前焦面，用于滤除杂散光；所述第六透镜27焦距50mm，第七透镜28焦距300mm；第一高速线阵相机30选用AVIIVA EM2，像素数目512个，像素尺寸14μm×14μm，扫描行频126kHz，扫描线数512条，X支路成像系统放大率为45倍，像素分辨率为0.31μm。
Y支路光束先经过第二半波片10，再经过第二柱面透镜11，在后焦面产生一条聚焦线光束，矩形光阑5位于第二柱面透镜11的前焦面，第二柱面透镜11焦距50mm，矩形光阑5长度5mm，再由第三偏振分束棱镜12分为Y支路参考光信号和Y支路探测光信号。两路信号分束比由第二半波片10进行控制，大部分能量作为Y支路探测光信号，小部分能量作为Y支路参考光信号。将Y支路参考光信号通过Y支路参考4f透镜组中继至第二全反射镜34并接收参考返回光信号；Y支路参考4f透镜组包括沿Y支路参考光信号传输方向依次设置的第八透镜31、第二四分之一波片32和第九透镜33；其中第二柱面透镜11、第八透镜31和第九透镜33共同构成了4f系统，第二四分之一波片32用于调整Y支路参考返回光信号的光强。第八透镜31的焦距为150mm，第九透镜33的焦距为20mm；
将Y支路探测光信号通过Y支路探测4f透镜组中继至样品平台25并接收探测扫描光信号；具体是，所述Y支路探测4f透镜组包括沿探测光信号传输方向依次设置的第十透镜35、Y方向一维快速扫描器36、第四半波片37、第四偏振分束棱镜20、第三四分之一波片21、第四透镜22、第五透镜23和显微物镜24，需要说明的是，第四偏振分束棱镜20、第三四分之一波片21、第四透镜22、第五透镜23和显微物镜24与X支路探测4f透镜组共用；其中第二柱面透镜11、第十透镜35、第四透镜22、第五透镜23和显微物镜24共同构成了4f系统，Y方向一维快速扫描器36处于第十透镜35和第四透镜22之间，即第十透镜35的后焦面和第四透镜22前焦面(两焦平面重合)，Y方向一维快速扫描器36采用THORLABS的一维振镜系统GVS001；出射的Y支路探测光信号通过第五透镜23和显微物镜24中继到样品平台25，然后接受样品平台25反射回的探测扫描光信号；第三半波片19用于调整优化Y支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜20进入探测光路的光强；第三四分之一波片21用于调整优化接收Y支路探测扫描光信号。
Y支路参考返回光信号和探测扫描光信号在第三偏振分束棱镜12合束进入Y支路接收光路；在Y支路接收光路中，先经过第二狭缝38滤除杂散光，再通过Y支路接收4f透镜组中继到第二高速线阵相机42的光敏面，中继时经过第二检偏器41的检偏形成离轴干涉场，得到多帧一维线共焦干涉图；所述Y支路接收4f透镜组包括沿Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号传输方向设置的第二狭缝38、第十一透镜39、第十二透镜40和第二检偏器41；其中第二柱面透镜11、第十一透镜39和第十二透镜40共同构成了4f系统，第二狭缝38位于第十一透镜39的前焦面，用于滤除杂散光；所述第十一透镜39焦距50mm，第十二透镜40焦距300mm；第二高速线阵相机42选用AVIIVA EM2，像素数目512个，像素尺寸14μm×14μm，扫描行频126kHz，扫描线数512条，Y支路成像系统放大率为45倍，像素分辨率为0.31μm。
两支路干涉场均由中继光路将干涉场成像在高速线阵相机的光敏面。通过微调偏振分束棱镜的倾斜角度来调节探测光束和参考光束之间的离轴干涉角。高速线阵相机的光敏面、探测光束和参考光束之间的几何关系如图2所示，其中θ为离轴干涉角。
如图5所示的步骤所示，X支路的多帧一维线共焦干涉图和Y支路的多帧一维线共焦干涉图经过高速数字采集(NI的PCIe-1433图像采集卡)，采集图如图3所示，然后在主控计算机44中进行叠加生成X扫描方向和Y扫描方向的重建干涉场；
两个支路的重建干涉场的强度分布均表示为：
iH(kΔxH，lΔyH)
＝a(kΔxH，lΔyH)+c(kΔxH，lΔyH)exp[-j2πξxΔxH+ξyΔyH)]
+c*(kΔxH，lΔyH)exp[j2π(ξxΔxH+ξyΔyH)]；
式中：
其中O0(kΔxH，lΔyH)为探测扫描光信号的离散振幅分布，
为探测扫描光信号的离散相位分布，r0(kΔxH，lΔyH)为参考返回光信号的离散振幅分布，ξx和ξy分别是x和y方向的空间频率，由参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ决定；k和l都是整数，-M/2≤k≤M/2，-N/2≤l≤N/2，M和N分别为两个方向的像素数；ΔxH和ΔyH为重建干涉图平面的采样间隔，ΔxH＝ΔyH＝Lx/M＝Ly/N，Lx×Ly是重建干涉场的面积，*表示卷积运算。
将X扫描方向的重建干涉场和Y扫描方向的重建干涉场在主控计算机中通过二维傅里叶变换分别求出X频谱和Y频谱，将两个频谱叠加、滤波和加权平均，实现横向成像频谱范围扩展，提高横向空间分辨率，其中二维傅里叶变换计算如下：
IH(pΔξ，qΔη)＝FFT2{iH(kΔxH，lΔyH)}p，q
＝A(pΔξ，qΔη)+C+1(pΔξ-ξx，qΔη-ξy)+C-1(pΔξ+ξx，qΔη+ξy)；
式中：IH表示iH的二维傅里叶变换，p和q都是整数，-M/2≤p≤M/2，-N/2≤q≤N/2；Δξ和Δη分别为频谱域内两个轴的取样间隔，Δξ＝1/(MΔxH)＝1/Lx，Δη＝1/(NΔyH)＝1/Ly；A为干涉频谱的零级峰，C+1为干涉频谱的+1级峰，C-1为干涉频谱-1级峰；图4所示是X频谱和Y频谱叠加示意图。
通过参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ调整ξx和ξy，使其A、C+1和C-1在频谱域内足够分开，然后将频谱域内的A和C-1滤除，再将C+1平移至频谱域的中心，利用角谱传递函数将C+1向后传播以得到样品平台所在平面的物光频谱，对物光频谱作二维逆傅里叶变换得到重建后的物光波场的复振幅分布：
式中：m和n都是整数，-M/2≤m≤M/2；-N/2≤n≤N/2；λ是波长，H(pΔξ，qΔη)是频谱域内的角谱传递函数；IFFT2是二维逆傅立叶变换；
和
为成像面的采样间隔，大小与高速线阵相机光敏面像素尺寸相同；
从而得到物光波场的相位分布：
最后进行解包裹运算，得到物光波场的三维相位分布，完成三维成像。通过样品平台轴向平移可以获得样品不同深度层次的三维相位信息。
本实施例最终的扫描成像速约为100帧/秒。
综上所述，本发明通过将高速双光束正交线扫描线共焦成像技术与数字全息三维成像技术相结合，利用X方向和Y方向线共焦频谱叠加、滤波和平均处理实现横向成像频谱范围的拓展，从而提高了横向空间分辨率，通过线共焦成像提高了纵向空间分辨率，从而实现了高分辨率的数字全息三维成像。同时还实现了横向分辨率两个方向的各向同性，具有高速成像、信噪比高、抗干扰能力强的优点，在高速高分辨高精度三维检测领域具有重要的发展前景。
Claims (10)
1.高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：单频单模连续激光器产生的光信号首先经过起偏成为线偏振光进入高速线偏振电光开关，由高速线偏振电光开关切换入射线偏振光的偏振态，使得出射光的偏振态在两种正交线偏振之间高速切换；出射光再经过扩束和矩形光阑后，由第一偏振分束棱镜分束为时间交替产生的正交偏振的X支路光束和Y支路光束；
X支路光束先经过第一半波片，再经过第一柱面透镜聚焦后，由第二偏振分束棱镜分为X支路参考光信号和X支路探测光信号；将X支路参考光信号通过X支路参考4f透镜组中继至第一全反射镜并接收X支路参考返回光信号；将X支路探测光信号通过X支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收X支路探测扫描光信号，其中X支路探测4f透镜组内设置有X方向一维快速扫描器，利用X方向一维快速扫描器实现对样品平台的X方向的线扫描；X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入X支路接收光路；在X支路接收光路中，先经过第一狭缝滤除杂散光，再通过X支路接收4f透镜组中继到第一高速线阵相机的光敏面，中继时经过第一检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧X支路一维线共焦干涉图；
Y支路光束先经过第二半波片，再经过第二柱面透镜聚焦后，由第三偏振分束棱镜分为Y支路参考光信号和Y支路探测光信号；将Y支路参考光信号通过Y支路参考4f透镜组中继至第二全反射镜并接收Y支路参考返回光信号；将Y支路探测光信号通过Y支路探测4f透镜组中继至样品平台并接收Y支路探测扫描光信号，其中Y支路探测4f透镜组内设置有Y方向一维快速扫描器，利用Y方向一维快速扫描器实现对样品平台的Y方向的线扫描；Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号在第二偏振分束棱镜合束进入Y支路接收光路；在Y支路接收光路中，先经过第二狭缝滤除杂散光，再通过Y支路接收4f透镜组中继到第二高速线阵相机的光敏面，中继时经过第二检偏器的检偏形成离轴干涉场，得到多帧Y支路一维线共焦干涉图；
X支路的多帧一维线共焦干涉图和Y支路的多帧一维线共焦干涉图分别经过高速数字采集，在主控计算机中分别进行叠加生成X方向重建干涉场和Y方向重建干涉场，再分别进行二维傅里叶变换、频谱叠加、滤波和平均处理，实现样品平面的物光频谱拓展，然后对拓展后的物光频谱做角谱后向传输算法处理，最后采用解包裹运算重建物光波场的三维相位分布，完成三维成像，同时通过样品平台轴向平移获得样品不同深度层次的三维相位信息。
2.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述X支路参考4f透镜组包括沿X支路参考光信号传输方向依次设置的第一透镜、第一四分之一波片和第二透镜；其中第一柱面透镜、第一透镜和第二透镜共同构成了4f系统，第一四分之一波片用于调整X支路参考返回光信号的光强。
3.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述X支路探测4f透镜组包括沿X支路探测光信号传输方向依次设置的第三透镜、X方向一维快速扫描器、第三半波片、第四偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第四透镜、第五透镜和显微物镜；其中第一柱面透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和显微物镜共同构成了4f系统，X方向一维快速扫描器处于第三透镜和第四透镜之间，即第三透镜的后焦面和第四透镜前焦面；第三半波片用于调整优化X支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜进入探测光路的光强；第三四分之一波片用于调整优化接收X支路探测扫描光信号。
4.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述X支路接收4f透镜组包括沿X支路参考返回光信号和X支路探测扫描光信号传输方向设置的第六透镜、第七透镜和第一检偏器；其中第一柱面透镜、第六透镜和第七透镜共同构成了4f系统，第一狭缝位于第六透镜的前焦面，用于滤除X支路接收光路非聚焦平面杂散光。
5.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述Y支路参考4f透镜组包括沿Y支路参考光信号传输方向依次设置的第八透镜、第二四分之一波片和第九透镜；其中第二柱面透镜、第八透镜和第九透镜共同构成了4f系统，第二四分之一波片用于调整优化Y支路参考返回光信号的光强。
6.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述Y支路探测4f透镜组包括沿Y支路探测光信号传输方向依次设置的第十透镜、Y方向一维快速扫描器、第四半波片、第四偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第四透镜、第五透镜和显微物镜；其中第二柱面透镜、第十透镜、第四透镜、第五透镜和显微物镜共同构成了4f系统，Y方向一维快速扫描器处于第十透镜和第四透镜之间，即第十透镜的后焦面和第四透镜前焦面；第四半波片用于调整优化Y支路探测光信号通过第四偏振分束棱镜进入探测光路的光强；第三四分之一波片用于调整优化接收Y支路探测扫描光信号。
7.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：所述Y支路接收4f透镜组包括沿Y支路参考返回光信号和Y支路探测扫描光信号传输方向设置的第十一透镜、第十二透镜和第二检偏器；其中第二柱面透镜、第十一透镜和第十二透镜共同构成了4f系统，第二狭缝位于第十一透镜的前焦面，用于滤除Y支路接收光路非聚焦平面杂散光。
8.根据权利要求1所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：X支路的多帧一维线共焦干涉图经过第一高速线阵相机探测和高速数字采集，在主控计算机中进行叠加生成X扫描方向的重建干涉场；Y支路的多帧一维线共焦干涉图经过第二高速线阵相机探测和高速数字采集，在主控计算机中进行叠加生成Y扫描方向的重建干涉场；
两个支路的重建干涉场的强度分布均表示为：
iH(kΔxH，lΔyH)
＝a(kΔxH，lΔyH)+c(kΔxH，lΔyH)exp[-j2π(ξxΔxH+ξyΔyH)]+c*(kΔxH，lΔyH)exp[j2π(ξxΔxH+ξyΔyH)]；
式中：
其中O0(kΔxH，lΔyH)为X支路或Y支路探测扫描光信号的离散振幅分布，
为对应的X支路或Y支路探测扫描光信号的离散相位分布，r0(kΔxH，lΔyH)为对应的X支路或Y支路参考返回光信号的离散振幅分布，ξx和ξy分别是x和y方向的空间频率，由参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ决定；k和l都是整数，-M/2≤k≤M/2，-N/2≤l≤N/2，M和N分别为两个方向的像素数；ΔxH和ΔyH为重建干涉图平面的采样间隔，ΔxH＝ΔyH＝Lx/M＝Ly/N，Lx×Ly是重建干涉场的面积，*表示卷积运算。
9.根据权利要求8所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法，其特征在于：将X扫描方向的重建干涉场和Y扫描方向的重建干涉场在主控计算机中通过二维傅里叶变换分别求出频谱，将两个频谱叠加、滤波和加权平均，实现横向成像频谱范围扩展，提高横向空间分辨率，其中二维傅里叶变换计算如下：
IH(pΔξ，qΔη)＝FFT2{iH(kΔxH，lΔyH)}p，q
＝A(pΔξ，qΔη)+C+1(pΔξ-ξx，qΔη-ξy)+C-1(pΔξ+ξx，qΔη+ξy)；
式中：IH表示iH的二维傅里叶变换，p和q都是整数，-M/2≤p≤M/2，-N/2≤q≤N/2；Δξ和Δη分别为频谱域内两个轴的取样间隔，Δξ＝l/(MΔxH)＝l/Lx，Δη＝l/(NΔyH)＝l/Ly；A为干涉频谱的零级峰，C+1为干涉频谱的+1级峰，C-1为干涉频谱-1级峰；
通过参考返回光信号和探测扫描光信号的离轴夹角θ调整ξx和ξy，使其A、C+1和C-1在频谱域内分开，然后将频谱域内的A和C-1滤除，再将C+1平移至频谱域的中心，利用角谱传递函数将C+1向后传播以得到样品平台所在平面的物光频谱，对物光频谱作二维逆傅里叶变换得到重建后的物光波场的复振幅分布：
式中：m和n都是整数，-M/2≤m≤M/2；-N/2≤n≤N/2；λ是波长，H(pΔξ，qΔη)是频谱域内的角谱传递函数；IFFT2是二维逆傅立叶变换；
和
为成像面的采样间隔，大小与高速线阵相机光敏面像素尺寸相同；
从而得到物光波场的相位分布：
最后进行解包裹运算，得到物光波场的三维相位分布，完成三维成像，同时通过样品平台轴向平移获得样品不同深度层次的三维相位信息。
10.根据权利要求1-9任一项所述的高速双光束正交线共焦数字全息三维显微成像方法的装置，其特征在于：包括单频单模连续激光器(1)，单频单模连续激光器(1)经起偏器(2)连接有高速线偏振电光开关(3)，高速线偏振电光开关(3)的输出端依次连接有扩束器(4)、矩形光阑(5)和第一偏振分束棱镜(6)；所述第一偏振分束棱镜(6)连接有X支路和Y支路；所述X支路包括第一半波片(7)、第一柱面透镜(8)、第二偏振分束棱镜(9)、X支路参考4f透镜组、X支路探测4f透镜组和X支路接收4f透镜组；所述Y支路包括第二半波片(10)、第二柱面透镜(11)、第三偏振分束棱镜(12)、Y支路参考4f透镜组、Y支路探测4f透镜组和Y支路接收4f透镜组；
所述X支路参考4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜(9)连接的第一透镜(13)，第一透镜(13)经第一四分之一波片(14)连接有第二透镜(15)；所述第二透镜(15)连接有第一全反射镜(16)；所述X支路探测4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜(9)连接的第三透镜(17)，第三透镜(17)经X方向一维快速扫描器(18)连接有第三半波片(19)，第三半波片(19)经第四偏振分束棱镜(20)连接第三四分之一波片(21)，第二四分之一波片(21)连接有第四透镜(22)，第四透镜(22)连接有第五透镜(23)；所述第五透镜(23)经显微物镜(24)连接有样品平台(25)；所述X支路接收4f透镜组包括与第二偏振分束棱镜(9)连接的第一狭缝(26)，第一狭缝(26)连接有第六透镜(27)，第六透镜(27)经第七透镜(28)连接有第一检偏器(29)；所述第一检偏器(29)连接有第一高速线阵相机(30)；
所述Y支路参考4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜(12)连接的第八透镜(31)，第八透镜(31)经第二四分之一波片(32)连接有第九透镜(33)；所述第九透镜(33)连接有第二全反射镜(34)；所述Y支路探测4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜(12)连接的第十透镜(35)，第十透镜(35)经Y方向一维快速扫描器(36)连接有第四半波片(37)，第四半波片(37)与第四偏振分束棱镜(20)连接；所述Y支路接收4f透镜组包括与第三偏振分束棱镜(12)连接的第二狭缝(38)，第一狭缝(38)连接有第十一透镜(39)，第十一透镜(39)经第十二透镜(40)连接有第二检偏器(41)；所述第二检偏器(41)连接有第二高速线阵相机(42)；
第一高速线阵相机(30)和第二高速线阵相机(42)一同经高速数字采集卡(43)连接有主控计算机(44)；所述主控计算机(44)分别还与X方向一维快速扫描器(18)、Y方向一维快速扫描器(36)和高速线偏振电光开关(3)连接。
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