CN114371607A - 一种基于复合波带片的数字全息成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于复合波带片的数字全息成像系统，由一个复合波带片和一个图像探测器组成，复合波带片由相位波带片和振幅波带片结合而成，二者制作在同一块衬底上。入射光波经过复合波带片后生成有且只有±1级衍射光，被测样本置于+1级焦点之后，当会聚的球面波通过焦点以后照明被测样本，该球面波被散射，形成携带被测样本信息的物光波，在交叠区域与未被散射的‑1级发散球面波干涉，形成干涉图样，由此建立以+1级作为照明光源和‑1级作为参考光源的数字全息成像系统，并利用相衬全息图逆向重构出物光波前信息。本发明结合衍射光波调制、微细加工光学技术、数字全息成像系统，可增大物光波与参考波的夹角，使捕获物光波高频段信息的能力得到进一步提高，具有较高的环境适应能力和测量动态范围，为微纳元件在线检测和活体生物特征显微提供一种新途径。
Description
技术领域
本发明属于光学信息技术领域，涉及一种基于复合波带片的数字全息成像系统。
背景技术
随着计算成像技术的发展，无透镜片上显微成像技术没有成像透镜聚焦，直接将所观测的样本紧贴于成像器件光敏面上方记录图像，并结合相应的图像恢复算法实现清晰物像的反演与重构，不仅可以降低光学硬件的复杂度，而且可以利用新的理论和数值算法进行数字化补偿。
已经出现的一系列新的显微成像方法：数字全息显微、光强传输方程定量相位显微、（空域）叠层成像、傅里叶叠层显微成像、计算衍射层析成像等，有野大、分辨率高、无需标记、成本低、便携性好和可实现三维成像等优点。
最新提出的基于小孔的全息术，除了具有上述无透镜成像技术的优点外，波长的适应范围更广，但是影响其成像性能的因素比较突出，有针孔结构的大小和圆的不确定度以及零级像与孪生像，虽然两个影响因素均能通过一定的方法来消除，但会使显微镜变得复杂，减少本身的实时性优势，限制了其推广和应用。
现代，在光学各个领域，基于半导体加工工艺的衍射光学元件逐步成为不可或缺的器件，并引导着光学系统向微型化、集成化、多功能化的方向不断进步。衍射光学器件体积小。衍射效率高，易于集成和复制，可以实现常规光学器件所不能实现的波前整形与变换。
因此，承袭小孔的球面波数字同轴全息，研究并设计一种特殊的复合波带片，保留两束不同衍射级次的光波，代替传统的针孔，在光路中无分束的情况下构建两束衍射光波的微分干涉，再利用相衬全息图重构物体信息，得到数字全息成像的新思路。
发明内容
发明提出了一种基于复合波带片的数字全息成像系统，将要解决的技术问题是：相位和振幅联合调制衍射光场去除零级和高阶衍射光，提高透明或弱吸收物体的成像分辨力。采用的技术方案如下：基于Gabor波带片设计相位和振幅联合调制的复合波带片对入射光波进行调控，获得两束不同衍射级次的出射光，得到微分干涉效果，将数字全息术和微分干涉相衬成像技术有机结合，形成新的数字全息成像系统。
更进一步的，系统所涉及到的核心元件复合波带片的研究是从Gabor波带片透射率出发，经过分析、推导、化简后构建出振幅波带片与相位波带片乘积的函数模式，根据成像系统参数要求得到波带片的设计参数。
更进一步的，复合波带片的加工方式需要根据细加工技术研究设计，相位波带片可以直接进行深度刻蚀加工获得，振幅波带片则用面积编码方法来生成近似的波带片。
更进一步的，入射光波经过复合波带片后形成一束发散的球面波和一束会聚的球面波，被测样本置于+1级焦点之后，会聚的球面波通过焦点之后照明被测样本，该球面波被散射，形成携带样本信息的物光波，在交叠区域与未被散射的-1级发散球面波干涉，得到干涉图样。
更进一步的，利用相衬全息图恢复物体的像，不是直接原始恢复，因此有物体的地方发亮，没有物体的地方发暗。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过一个复合波带片，可抑制高阶衍射光和零级透射光，生成有且仅有±1级衍射光,在光路中无分束的情况下构成微分干涉光场。
(2)本发明承袭点源球面波数字全息成像系统，在保留数字全息术优势的同时，可以进一步增大物光波与参考波的夹角，使捕获物光波高频段信息的能力得到进一步提高，具有较高的环境适应能力和测量动态范围。
附图说明
图1为本发明的成像系统示意图。
图2为本发明的光学系统结构示意图。
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，本发明基于复合波带片的数字全息成像系统由复合波带片1，被测样本2和图像探测器3构成，入射光波经过复合波带片1后生成-1级和+1级衍射光，没有其他高阶衍射级次和零级透射光，两束衍射光一束会聚一束发散，+1级衍射光作为照明光源，-1级衍射光作为参考光源，被测样本2置于+1级焦点之后，当会聚的球面波通过焦点以后照明被测样本2，该球面波被散射，形成携带被测样本2信息的物光波，在交叠区域与未被散射的-1级发散球面波干涉，形成干涉图样，被图像探测器3记录。
如图2 所示光学系统结构示意图，从左至右分别有激光器、衰减片、针孔、准直和扩束镜、透镜、复合波带片、被测物、CMOS 等。衰减片避免激光强度过高损坏成像系统；针孔采用大小规则排列的针孔阵列，粗精调节以适配入射波长，产生高质量求面波；透镜将光束缩小为光斑，即将平面波转为球面波，具体实验时根据成像需求增减；复合波带片置于透镜焦点前为会聚球面波，焦点后为发散球面波，不存在透镜时为平面波，不同的入射光波形成的微分干涉效果各异。
Claims (6)
1.一种基于复合波带片的数字全息成像系统，其特征在于：所述的数字全息显微成像系统，由一个复合波带片和一个图像探测器组成，入射光波经过复合波带片后生成有且只有±1级衍射光，无其他高阶衍射级次和零级透射光，两束衍射光一束会聚一束发散，+1级衍射光作为照明光源，-1级衍射光作为参考光源，被测样本置于+1级焦点之后，当会聚的球面波通过焦点以后照明被测样本，该球面波被散射，形成携带被测样本信息的物光波，在交叠区域与未被散射的-1级发散球面波干涉，形成干涉图样，利用相衬全息图逆向重构出被测样本复振幅信息。
2.数字全息显成像系统的复合波带片，其特征在于：系统所涉及到的核心元件复合波带片的研究是从Gabor波带片透射率出发，经过分析、推导、化简后构建出相位波带片与振幅波带片乘积的函数模式，根据成像系统参数要求得到波带片的设计参数。
3.如权利要求2所述复合波带片的结构，其特征在于：相位波带片和振幅波带片均是中心对称结构，将两者制作在同一基底之上，确保中心对准。
4.如权利要求2所述复合波带片的制作方法，其特征在于：复合波带片的加工方式需要根据细加工技术研究设计，相位波带片可以直接进行深度刻蚀加工获得，振幅波带片则用面积编码方法来生成近似的波带片。
5.数字全息成像系统的微分干涉光路，其特征在于：入射光波经过复合波带片后形成一束发散的球面波和一束会聚的球面波，被测样本置于+1级焦点之后，会聚的球面波通过焦点之后照明被测样本，该球面波被散射，形成携带样本信息的物光波，在交叠区域与未被散射的-1级发散球面波干涉，得到干涉图样。
6.数字全息成像系统的重构算法，其特征在于：利用相衬全息图恢复物体的像，不是直接原始恢复，因此有物体的地方发亮，没有物体的地方发暗。
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