CN115480383A - 透射反射式数字全息显微系统 - Google Patents

透射反射式数字全息显微系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透射反射式数字全息显微系统，反射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过偏振分束镜透射的光为物光束；经过偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成参考光束；基于上述的物光光路和参考光光路获取待成像物品的全息图像；透射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过透射的光为物光束；经过偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成参考光束；基于上述的物光光路和参考光光路获取待成像物品的全息图像。从而能够全息成像。

Description

透射反射式数字全息显微系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种透射反射式数字全息显微系统。
背景技术
数字全息显微术是一种将数字全息原理与显微成像相结合的测量技术，它能同时获得物光波的振幅和相位信息，对目标物体实现定量、快速、无损的检测，在粒子场测量、生物细胞成像、微结构三维形貌测量等领域展现了突出的应用潜力和价值。随着数字显微全息原理和技术的日益成熟，针对不同成像对象的特征和差异，研发具有能够同时实现透射和反射功能的数字全息显微测量系统对于实际应用具有突出的现实意义。
非共路离轴偏振数字显微全息，其参与干涉的物光和参考光经过几乎相同的光路和相同的光学元件，这使得这类数字全息相对于非共路数字全息具有稳定性高，抗干扰能力强，使用光学元件少等优点。在生物细胞观测、三维形貌测量、微纳器件检测、粒子场测试等领域被广泛应用，包括对活细胞的三维成像、动态监测、三维追踪、生物物理学参数的定量测量等，取得了较为不错的研究成果，促进了该技术在生物医学领域的发展与应用。
现有的数字全息显微镜一般为单独的透射式结构或者单独的反射式结构。当测试一些特殊待成像物品时，如带有弧度的微光学器件，会出现由于无法同时获取透射式数字全息显微镜和反射式数字全息显微镜的待成像物品测试信息而导致测试结果不准确的问题。会出现由于无法同时获取待测物品的透射式和反射式全息信息而导致测试结果不准确的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种透射反射式数字全息显微系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种透射反射式数字全息显微系统，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，所述反射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过偏振分束镜透射的光为第一物光束，形成第一物光光路；经过所述偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成第一参考光束，形成第一参考光光路；基于第一物光光路和第一参考光光路获取待成像物品的全息图像；所述透射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过透射的光为第二物光束，形成第二物光光路；经过所述偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成第二参考光束，形成第二参考光光路；基于第二物光光路和第二参考光光路获取待成像物品的全息图像。
作为本发明实施例的一种改进，所述第一物光光路为：第一物光束依次经过第二反射镜反射、第二透镜透射、第一分束镜透射和第一显微物镜后照射到待成像物品表面，待成像物品的反射光经过所述第一显微物镜后经所述第一分束镜反射，然后经第三透镜准直后，经过第四反射镜反射，经过第三分束镜，被相机接收。
作为本发明实施例的一种改进，所述第一参考光光路为：第一参考光束经过第二半波片调整偏振方向至水平偏振态后经第三反射镜反射，然后经第一透镜聚焦，第二分束镜透射和第四透镜准直后经所述第三分束镜透射后与第一物光束在所述相机表面干涉成全息图像。
作为本发明实施例的一种改进，所述第二物光光路为：第二物光束依次经过所述第二反射镜反射、所述第二透镜透射、所述第一分束镜透射和所述第一显微物镜后照射到待成像物品表面，并穿过待成像物品形成透射光，之后由第二物镜接收，然后经第三半波片使透射光与反射光偏振态垂直、第二分束镜反射和第四透镜准直后，经过第三分束镜之后，被所述相机接收。
作为本发明实施例的一种改进，所述第二参考光光路为：第二参考光束经过第二半波片调整偏振方向至垂直偏振态后经第三反射镜反射、第一透镜聚焦、第二分束镜透射和第四透镜准直后，经过第三分束镜之后，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述相机接收。
作为本发明实施例的一种改进，还包括：处理装置，用于接收所述相机所获得图像数据，并进行处理。
作为本发明实施例的一种改进，第一半波片能够沿着其中轴线旋转，第二半波片能够沿着其中轴线旋转。
作为本发明实施例的一种改进，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为平凸透镜。
作为本发明实施例的一种改进，调节第一反射镜的位置控制第一参考光束和第二参考光束的光程。
作为本发明实施例的一种改进，还包括：激光器、针孔滤波器和扩束准直镜，所述激光器所产生的激光依次经过针孔滤波器和扩束准直镜，从而得到所述激光束。
本发明实施例所提供的透射反射式数字全息显微系统具有以下优点：本发明实施例公开了一种透射反射式数字全息显微系统，反射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过偏振分束镜透射的光为物光束；经过偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成参考光束；基于上述的物光光路和参考光光路获取待成像物品的全息图像；透射式数字全息显微镜光路为：激光束经过第一半波片，之后经过偏振分束镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过反射的光为物光束；经过偏振分束镜反射的光经过第一反射镜的反射，之后透过偏振分束镜，从而形成参考光束；基于上述的物光光路和参考光光路获取待成像物品的全息图像。从而能够全息成像。
附图说明
图1为本发明实施例中的透射反射式数字全息显微系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“电连接”应做广义理解，例如，可以是机械电连接或电电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明实施例一提供了一种透射反射式数字全息显微系统，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，如图1所示：
所述反射式数字全息显微镜光路为：激光束1A经过第一半波片P1，之后经过偏振分束镜PBS后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过偏振分束镜PBS透射的光为第一物光束，形成第一物光光路；经过所述偏振分束镜PBS反射的光经过第一反射镜M1的反射，之后透过偏振分束镜PBS，从而形成第一参考光束，形成第一参考光光路；基于第一物光光路和第一参考光光路获取待成像物品的全息图像；
所述透射式数字全息显微镜光路为：激光束1A经过第一半波片P1，之后经过偏振分束镜PBS后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过透射的光为第二物光束，形成第二物光光路；经过所述偏振分束镜PBS反射的光经过第一反射镜M1的反射，之后透过偏振分束镜PBS，从而形成第二参考光束，形成第二参考光光路；基于第二物光光路和第二参考光光路获取待成像物品的全息图像。
这里，该激光束1A为线偏振光，对部分相干性较低的光源来说，由于反射光路光程较大，所以在光路中加入第一反射镜M1以获得延迟线装置。
本发明实施例提供的透射反射式数字全息显微系统能够同时测试样品的厚度信息和表面轮廓信息，可测试的样品范围更广，利用同时获得样品的透射信息和反射信息进行建模，获得样品的三维结构信息更完整、更准确。此外，还可以用于样品的三维形貌与厚度信息的实时测量。
本实施例中，所述第一物光光路为：第一物光束依次经过第二反射镜M2反射、第二透镜L2透射、第一分束镜BS1透射和第一显微物镜MO1后照射到待成像物品表面，待成像物品的反射光经过所述第一显微物镜MO1后经所述第一分束镜BS1反射，然后经第三透镜L3准直后，经过第四反射镜M4反射，经过第三分束镜BS3，被相机CAM接收。可选的，第二透镜L2能够将第一物光束汇聚在第一显微物镜MO1的后焦点上，因此，第一显微物镜MO1中出射的光为平行光。在实际使用时，可以使用第三透镜L3来进行调焦，从而使得第三透镜L3出射的光为平行光。可选的，该相机CAM可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机。
本实施例中，所述第一参考光光路为：第一参考光束经过第二半波片P2调整偏振方向至水平偏振态后经第三反射镜M3反射，然后经第一透镜L1聚焦，第二分束镜BS2透射和第四透镜L4准直后经所述第三分束镜BS3透射后与第一物光束在所述相机CAM表面干涉成全息图像。
本实施例中，所述第二物光光路为：第二物光束依次经过所述第二反射镜M2反射、所述第二透镜L2透射、所述第一分束镜BS1透射和所述第一显微物镜MO1后照射到待成像物品表面，并穿过待成像物品形成透射光，之后由第二物镜MO2接收，然后经第三半波片P3使透射光与反射光偏振态垂直、第二分束镜BS2反射和第四透镜L4准直后，经过第三分束镜BS3之后，被所述相机CAM接收。
这里，第二物光束透过待成像物品后经过第二显微物镜MO2显微放大，经半波片P3使透射光与反射光偏振态垂直，再经第三分束镜BS3反射及第四平凸透镜L4调焦，最后出射平行光，经过第三分束镜BS3后打在相机CAM上。
可选的，第一显微物镜MO1和第二显微物镜MO2的放大倍数相同，第一显微物镜MO1和第二显微物镜MO2放置于精密三维平移台上，用于显微过程中目标对准和焦距调节的精密控制。
本实施例中，所述第二参考光光路为：第二参考光束经过第二半波片P2调整偏振方向至垂直偏振态后经第三反射镜M3反射、第一透镜L1聚焦、第二分束镜BS2透射和第四透镜L4准直后，经过第三分束镜BS3之后，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述相机CAM接收。
本实施例中，还包括：处理装置，用于接收所述相机CAM所获得图像，并进行处理。
本实施例中，第一半波片P1能够沿着其中轴线旋转，第二半波片P2能够沿着其中轴线旋转。这里，由于激光束1A为线偏振光，所以当旋转第一半波片P1时，入射到偏振分束镜PBS的激光其不同偏振方向的分量光强连续改变，从而实现光束能量在物光和参考光之间的连续调节。
由于第二半波片P2是可调的，且在第一、第二物光光路中，反射光与透射光的偏振态垂直，所以可以通过控制第二半波片P2来选择第一、第二参考光路的偏振态，进而选择最终在相机CAM上形成的干涉条纹，达到光路选择的目的。
本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4均为平凸透镜。
本实施例中，调节第一反射镜M1的位置控制第一参考光束和第二参考光束的光程。
本实施例中，还包括：激光器LA、针孔滤波器PF和扩束准直镜EC，所述激光器LA所产生的激光依次经过针孔滤波器PF和扩束准直镜EC，从而得到所述激光束1A。这里，针孔滤波器PF可以将激光可以会聚成非常小的一点，所以可作为一个接近于理想的点光源来产生球面波，但激光又具有高度的相干性，空中的灰尘，光学元件或激光本身往往有一些散射光会形成干扰，因此要在会聚的点上放一小孔，使杂散光不能通过(如用10倍的显微镜物镜聚焦，则针孔直径约25μm)该针孔所起的作用就好像无线电中的滤波器一样，不允许其他空间频率的光通过。
扩束准直镜EC能够将输入的光束进行高斯光束变化，使得光束腰变大，此外，还能够扩束，降低能量密度，有利于外光路稳定运行。
可选的，该激光器LA的波长为532nm。
这里，在工作时，可通过调节第二分束镜BS2的角度来调节物光与相机CAM之间的夹角，通过调节第三反射镜M3的倾斜角度来调节参考光与相机CAM的角度，确保物参光夹角满足记录条件。
当为透射成像时，调整第二参考光路中的第二可调半波片P2，使其快轴方向与光振动方向夹角为0或π/2。此时参考光路与透射光路偏振态相同，可以发生干涉，而参考光路与反射光路偏振态垂直，该通道光路关闭，因此无法干涉。所以相机CAM上记录的为透射信息。第二物光束在第一显微物镜MO1后形成类似于平面波的光，透射待成像物品后，透射光经过第二显微物镜MO2进行显微放大，所以可通过调节第二显微物镜MO2来实现不同的放大倍数的需要。
当为反射成像时，调整第一参考光路中的第二可调半波片P2，使其快轴方向与光的振动方向为π/4，此时参考光路与反射光路偏振态相同，可以发生干涉，而参考光路与透射光路偏振态垂直，该通道光路关闭，无法干涉。所以相机CAM上记录的为反射信息。
物光在第一显微物镜MO1后形成类似于平面波的光，打在待成像物品后进行反射，反射光再次经过第一显微物镜MO1进行显微放大，所以可通过调节第一显微物镜MO1来实现不同的放大倍数的需要。
该处理装置通过以下方法重构出图像：将平面光场分解为多个平面波分量，任一分量与yoz和xoz平面的夹角分别为α和β，则平面波在x和y方向的空间频率fx＝sinα/λ，fy＝sinβ/λ，其中λ为激光波长；平面波分量的振幅T(x，y)和相位U(x，y)取决于相应的角谱A(fx，fy)和A′(fx，fy)，即：
T(x，y)＝∫∫A(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
U(x，y)＝∫∫A′(fx，fy)exp[j2π(fxx+fyy)]dfxdfy
推出：
Figure BDA0003861262350000061
综合上式，可由初始像振幅分布求出再现像光场相位的空间分布，使用傅里叶变换进行简化，可得：
Figure BDA0003861262350000071
其中d’为再现像平面到初始像平面距离，k＝2π/λ，j为虚数单位；
已知离焦距离的情况下，d’求算过程如下：以离焦距离d乘物镜放大倍数的数值为中心等距取值，具体是在离焦距离d乘物镜放大倍数的±20％区间内以1mm为间距，进行等距取值，以各数值替代d’代入U(x，y)，进行数字重构，计算相应位置光场强度，得到一系列平面重构图；其中最清晰的重构图对应的参数即为d’；以d’为参数，建立基准平面进行三维重建，即可获得待成像物品的三维图像。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透射反射式数字全息显微系统，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，其特征在于：
所述反射式数字全息显微镜光路为：激光束(1A)经过第一半波片(P1)，之后经过偏振分束镜(PBS)后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过偏振分束镜(PBS)透射的光为第一物光束，形成第一物光光路；经过所述偏振分束镜(PBS)反射的光经过第一反射镜(M1)的反射，之后透过偏振分束镜(PBS)，从而形成第一参考光束，形成第一参考光光路；基于第一物光光路和第一参考光光路获取待成像物品的全息图像；
所述透射式数字全息显微镜光路为：激光束(1A)经过第一半波片(P1)，之后经过偏振分束镜(PBS)后分为两束偏振态垂直的光波，其中，经过透射的光为第二物光束，形成第二物光光路；经过所述偏振分束镜(PBS)反射的光经过第一反射镜(M1)的反射，之后透过偏振分束镜(PBS)，从而形成第二参考光束，形成第二参考光光路；基于第二物光光路和第二参考光光路获取待成像物品的全息图像。
2.根据权利要求1所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，所述第一物光光路为：
第一物光束依次经过第二反射镜(M2)反射、第二透镜(L2)透射、第一分束镜(BS1)透射和第一显微物镜(MO1)后照射到待成像物品表面，待成像物品的反射光经过所述第一显微物镜(MO1)后经所述第一分束镜(BS1)反射，然后经第三透镜(L3)准直后，经过第四反射镜(M4)反射，经过第三分束镜(BS3)，被相机(CAM)接收。
3.根据权利要求2所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，所述第一参考光光路为：
第一参考光束经过第二半波片(P2)调整偏振方向至水平偏振态后经第三反射镜(M3)反射，然后经第一透镜(L1)聚焦，第二分束镜(BS2)透射和第四透镜(L4)准直后经所述第三分束镜(BS3)透射后与第一物光束在所述相机(CAM)表面干涉成全息图像。
4.根据权利要求3所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，所述第二物光光路为：
第二物光束依次经过所述第二反射镜(M2)反射、所述第二透镜(L2)透射、所述第一分束镜(BS1)透射和所述第一显微物镜(MO1)后照射到待成像物品表面，并穿过待成像物品形成透射光，之后由第二物镜(MO2)接收，然后经第三半波片(P3)使透射光与反射光偏振态垂直、第二分束镜(BS2)反射和第四透镜(L4)准直后，经过第三分束镜(BS3)之后，被所述相机(CAM)接收。
5.根据权利要求4所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，所述第二参考光光路为：
第二参考光束经过第二半波片(P2)调整偏振方向至垂直偏振态后经第三反射镜(M3)反射、第一透镜(L1)聚焦、第二分束镜(BS2)透射和第四透镜(L4)准直后，经过第三分束镜(BS3)之后，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述相机(CAM)接收。
6.根据权利要求5所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，还包括：
处理装置，用于接收所述相机(CAM)所获得图像，并进行处理。
7.根据权利要求3或5所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于：
第一半波片(P1)能够沿着其中轴线旋转，第二半波片(P2)能够沿着其中轴线旋转。
8.根据权利要求3-5任一项所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于：
第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)和第四透镜(L4)均为平凸透镜。
9.根据权利要求1所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于：
调节第一反射镜(M1)的位置控制第一参考光束和第二参考光束的光程。
10.根据权利要求1所述的透射反射式数字全息显微系统，其特征在于，还包括：
激光器(LA)、针孔滤波器(PF)和扩束准直镜(EC)，所述激光器(LA)所产生的激光依次经过针孔滤波器(PF)和扩束准直镜(EC)，从而得到所述激光束(1A)。
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