CN113946118A - 一种基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统，由激光器1、衰减片2、激光扩束镜3、长工作距显微物镜4、小孔阵列5、被测样品6和图像探测器7构成，激光经过衰减扩束后由显微物镜聚焦成一个高亮光斑，透过纳米级圆孔，形成球面波，球面波分成两个部分，一部分照明物体得到散射的物光波，另一部分透过物体作为参考波，两束光波形成干涉条纹，由图像探测器记录，采用数字全息菲涅尔逆变换恢复算法来重构物体的振幅和相位信息。本发明结构简单，生成的点光源质量接近理想球面波模型，分辨率可逼近图像传感器像元间距极限，且点源与成像靶面之间无镜头聚焦过程，能够快速对物体成像，具有宽视场、高分辨、非接触的成像优势。
Description
技术领域
本发明属于光学信息技术领域，涉及一种基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统。
背景技术
随着光学显微技术的发展，显微镜成像系统能分辨的最小极限达到半个波长，同时也实现了显微过程的自动对焦和数字化图像处理，但在实现高倍率放大的同时，视场范围也缩小相同的倍数，且系统结构复杂，多用于手动观察。对于视场范围需要覆盖整个试样且分辨率要求为微米或者亚微米的生物医学应用和微小生物研究领域，如病变观测、菌落形态变化和花粉颗粒识别等，扩大视场范围显得尤为迫切。另外，在大批量试样观察时，快速的显微成像能够提高效率。
数字同轴全息显微是一种无透镜傅里叶数字全息方法，具有光路简单、快速、实时、大视场和非接触等优点，广泛应用与生物医学和材料颗粒识别领域。会聚球面波小孔衍射是在传统的针孔球面波数字同轴全息基础之上，引入显微物镜聚焦，通过小孔阵列，调整针孔与焦点的距离以及针孔直径的大小，生成近似理想的球面波。在保留针孔数字同轴全息的所有优点的前提下，图像质量和成像分辨率进一步提高，契合生物显微成像领域高分辨率全局显微的需求。
发明内容
本发明提出了一种基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统，将要解决的技术问题是：经过光路调节产生高质量的点光源，具有较大的衍射角度以此获得微纳级成像分辨率，以及高度均匀分布的球面波以此获得高质量重建图像。
更进一步的，激光器发出的激光束需要经过衰减片光强调节之后由激光扩束镜扩束，最后再由长工作距显微物镜聚焦，使到达小孔前的聚焦光斑匹配小孔直径要求，获得近似理想的球面波。
更进一步的，小孔采用阵列分布形式，以减小加工工艺和环境光的影响，纵向相邻小孔之间的直径差为一个数量级，横向相邻小孔的直径差为一个单位。
更进一步的，小孔阵列的制作以二氧化硅为基底，表面镀铬，表面不反射，采用激光直写除却铬层得到小孔。
更进一步的，利用小孔生成球面波的过程需要两个步骤，一是粗调，纵向调节小孔位置，直到菲涅尔衍射环出现明暗交替变化，中央亮斑转为暗斑；二是微调，横向精密调节小孔位置，获得较为理想的球面波。
更进一步的，采用菲涅尔逆变换恢复算法来重构被测物的振幅和相位信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用会聚球面波小孔衍射代替传统的针孔点源球面波，衍射理论中引入透镜聚焦作为球面波空间分布的参量之一，可调节衍射角度和光束强度，生成近似理想点光源。
(2)本发明能够获得图像光强的高度均匀分布和强烈的对比图。
(3)本发明采用规律分布的针孔阵列替代传统的高精度光学校准系统，在保证球面波生成的灵活性的同时，大幅度降低系统的复杂性和成本。
附图说明
图1为本发明的成像系统示意图。
图2为本发明的会聚球面波小孔衍射示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明的设计原理、结构及具体实施方式进一步介绍。
如图1所示，本发明基于小孔衍射的数字同轴全息成像系统由激光器1、衰减片2、激光扩束镜3、长工作距显微物镜4、小孔阵列5、被测样品6和图像探测器7构成。衰减片避免激光强度过高损坏成像系统，长工作距显微镜将光束缩小为光斑，即将平面波转换成球面波。处理后的激光通过小孔后形成一个点光源，点光源发出的球面波分成两个部分，一部分照明物体得到散射的物光波，另一部分透过物体作为参考波，两束光波形成干涉条纹，由图像探测器记录。
如图2所示为本发明的会聚球面波小孔衍射示意图，在激光进入针孔之前引入聚焦光路，形成会聚球面波的小孔衍射。该衍射光波包括会聚光的透射波和小孔的衍射波两个部分。透射光能够增强物体的照明光强，使图像具有强烈的对比度。而此时的衍射光波空间分布，除了与小孔尺寸、波长相关外，也与聚焦的焦距相关。改变小孔尺寸与焦距大小（激光通常不变），能够形成近似理想的球面波，得到高质量的重构图像。同时更大范围的衍射光照角度，将获得更高的分辨率。
Claims (5)
1.一种基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统，其特征在于：所述的基于会聚球面波小孔衍射的数字同轴全息成像系统，由激光器、衰减片、激光扩束镜、长工作距显微物镜、小孔阵列、被测样品和图像探测器构成，其中：激光器发出的光经过衰减片进行光强调节后进入激光扩束镜，扩束后的光束直径满足长工作距显微物镜入瞳要求同时不会超过瞳径的限制，显微物镜的长工作距确保针孔阵列的安装和孔位调节，聚焦光斑透过与波长相近的小孔后产生显著的菲涅尔衍现象，粗精结合调节衍射中心的艾里斑直至最大以此获得均匀分布的球面波，一部分球面波照射被测样品得到散射的物光波，另一部分透过被测样品作为参考波，两束光波干涉形成数字全息图，由图像探测器记录，通过计算机模拟光波的传播过程，菲涅尔逆变换恢复被测样品的振幅和相位信息。
2.如权利1所述的会聚球面波小孔衍射，其特征在于：激光器产生的光波经过衰减片光强调节之后由激光扩束镜扩束，最后再由长工作距显微物镜聚焦，使到达小孔前的聚焦光斑有合适的小孔尺寸匹配，获得近似理想的球面波。
3.如权利1所述的数字同轴全息成像系统的小孔阵列，其特征在于：小孔直径决定了衍射角度的大小以及透过小孔的光束能量；受加工工艺和环境光的影响，光学系统的理论值和实际值会有误差，因此小孔设计为阵列式的小孔，纵向相邻小孔之间的直径差为一个数量级，横向相邻小孔的直径差为一个单位。
4.如权利1所述的数字同轴全息成像系统的小孔阵列，其特征在于：小孔阵列的制作以二氧化硅为基底，表面镀铬，采用激光直写去除铬层得到小孔。
5.如权利1所述的数字同轴全息成像系统生成球面波，其特征在于：利用小孔生成球面波的过程需要两个步骤，一是粗调，纵向调节小孔位置，直到菲涅尔衍射环出现明暗交替变化，中央亮斑转为暗斑；二是微调，横向精密调节小孔位置，获得较为理想的球面波。
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