CN115930773A - 轻离轴数字全息检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于轻离轴两步相减法的数字全息显微检测装置，检测装置元件包括620nm的LED光源、显微镜和小孔光阑构成的准直扩束系统、偏振元件、第一会聚透镜、分光棱镜、平面反射镜、显微物镜1、第二透镜、显微物镜2、光强衰减片、载物台、机械式微位移台。该方法用分光棱镜将入射光分成参考光和物光；参考光照射平面反射镜上被反射，物光照射焦点放置的被测物上并被反射。经过会聚透镜后CCD采集数据传输到计算机中计算获得物体相位分布。计算时分别拍摄物体全息图与背景全息图以减去外界噪声和显微物镜带来的相位畸变。该装置兼顾CCD视场利用率、测量实时性、系统稳定性。

Description

轻离轴数字全息检测装置

技术领域

本发明属于数字全息显微领域。涉及一种高分辨率的三维微观界面的检测，可用于测量细胞的三维形态，集成电路的线宽，微流控芯片等。

背景技术

传统的光学观测如光学显微镜等只能观测到物体的平面结构而无法观测到立体结构，激光共焦聚三维成像技术虽能观测到三维效果但因物体z轴的变化容易导致物体成像不清晰。且数字共焦聚系统价格高昂。但而数字全息显微测量方法因其具有非接触、分辨率高、无需对样品做特殊处理等独特优点；数字全息一般使用激光作为光源、因激光的相干性好、干涉容易实现、但激光的价格相对LED光源价格呈十倍至百倍差距。且激光光源的相干噪声大，散斑噪声引起的成像效果相较于部分相干光源差。故本文选取LED光源作为改装置的光源。数字全息技术在微纳结构观测、细胞观测、微流控领域意义重大。数字全息显微观测技术基于光的干涉原理，根据干涉光路的不同可以分成两种，一种是物光和参考光的路径相同称为共路结构；另一种顾名思义，参考光和物光路径不同，为分离光路结构。又可按物光和参考光的角度分为同轴，离轴和轻离轴，本文选用的市轻离轴共路结构，即分离角介于离轴和同轴之间。分离光路因其物光和参考光的光路不同，外界的温度，振动，声波等都会对其观测结果产生影响；而在共路数字全息方法中，因光路采用共路结构时外界的温度、声波、光强、振幅等扰动较小具有抗干扰能力强等优点。因此在众多共路数字全息方法中，共路点衍射数字全息方法是较为典型，且是目前应用广泛的一种方法。但早前的点衍射法存在着小孔配置困难、相移操作复杂等不足。为了弥补以上不足而进行的有益尝试，近年来受到广泛关注。

西安光机所的郭荣礼等提出了LED照明的离轴数字全息相衬显微方案并展示了它在反射式相位测量中的应用。实现测量的精度高。但该装置需要运用了多次偏振元件，价格上价位高昂，不利于成本的控制，且该光路结构较为复杂，对于不完全反射物体不利于光路的调节，结构上过于紧凑不利于实际的操作，且因离轴光路发生干涉距离小，仅在发生干涉中间区域能记录下对比度良好的干涉条纹，视场相对较小。

(郭荣礼.LED照明的数字全息显微研究[D].中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所),2014.)

长春理工大学的赵跇坤通过搭建同轴数字全息的光路同时实时的将图片实时的传输到电脑中，并对同轴光路记录的图像进行处理，记录下一个周期内癌细胞的生长和变化的过程，但是该方法需要PZT等器件价格昂贵同时不能实时的动态测量细胞的生长变化只能在一个周期内采样还原，实时性相对较低。

(赵跇坤.癌细胞全息显微成像技术研究[D].长春理工大学，2020.DOI:10.26977/d.cnki.gccgc.2020.000486.)

程朋，戴陈统等人通过谷歌平台深度学习算法将图像实时地进行处理用于微生物的识别与检测，该方法的识别速度较快但是因为激光的干涉噪声较大，且不易完成自动聚焦，在水下复杂的环境下，对微生物的识别准确率并不够高。而且激光光源的成本较高，同时激光的功率相对于LED光源也较大，不利于节能。(陈朋，戴陈统，宫平，王海霞.微生物数字全息显微图像的嵌入式分类系统[J].小型微型计算机系统，2020,41(12):2595-2600.)

彭景，张蓉竹等人通过对常用解包裹算法在随机噪声影响下的噪声误差进行分析，得出了在不同条件下最适合的解包裹算法，同时对欠采样进行了分析，得出在不完全采样条件下抗噪效果的强弱。(彭景，张蓉竹.干涉检测中常用解包裹算法噪声处理能力比较[J].光学与光电技术，2019,17(04):77-83.DOI:10.19519/j.cnki.1672-3392.2019.04.013.)

盛伟，胡月球，汪家俊等人通过同轴数字全息得到4幅图像，在通过频率滤波得到了关于透明材料的微观三维形貌测量.(盛伟，胡月球，汪家俊基于数字全息技术的透明材料厚度变化的测量，但通过激光技术测量不可避免的会引入散斑噪声严重影响全息图的成像质量，不利于直接观测和数据的处理与激光引入的噪声相分离。[J].激光杂志，2018,39(01):41-44.DOI:10.14016/j.cnki.j gzz.2018.01.041.)

浙江大学吴迎春在流场的细微颗粒物检测中引入了数字全息，通过颗粒物追踪引入再用数字全息将流场中的三维颗粒物完成重建。(吴迎春.数字颗粒全息三维测量技术及其应用[D].浙江大学，2014.)

发明内容

为了至少在一定程度上克服相关技术存在的上述问题，本申请提供了一种基于轻离轴数字全息两步相减法显微检测装置及检测方法。

本申请提供的一种轻离轴数字全息显微检测装置及检测方法包括光源、准直扩束系统、会聚透镜、偏振片、非偏振分光棱镜、平面反射镜、机械式位移平台、光强衰减片、载物台、和高速CCD相机。LED光源发生器发生的光束依次经过所述准直扩束系统和待测物体后入射至所述第一透镜。经所述第一透镜聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜分成—束物光和一束参考光，分别经过各自光路前的显微物镜会聚后，分别在各自显微物镜焦点处放置平面镜和显微物镜，并引入机械式微位移平台，以方便物体轻微的移动，该光路为远心结构，并且要使得显微物镜的前焦点与前方透镜的后焦点相同减小二次相位畸变。经过反射的物光和参考光，再次经过所述非偏振分光棱镜后会合成一束光束后，经所述第二透镜后生成全息图，最终通过CCD相机将采集到全息图记录并保存至计算机中。

所述第一显微物镜和所述第二显微物镜焦距相等，且都放置于光线原始焦点后方，以实现对称放置，并巧妙的在空间上预留足够的空间尺寸以放置光强衰减元件等，用以调节参考光的光强，使之与物光光强相匹配，完成反射率低物体的测量。

将平面镜和被测物体移动分别通过微位移平台移动至两个显微物镜的焦平面处，且物光光路和参考光的光路严格对称放置，以减少显微物镜引起的二次相位畸变。

所述平面反射镜可进行轴向的移动以调节物光和参考光轻微的角度差，以满足轻离轴条件，或通过轻微的调节分光棱镜角度使其满足轻离轴条件。

从待测物体到所述第一透镜之间的光路上依次配置有显微物镜和校正物镜且为对称放置，以补偿二次相位畸变。

本专利申请提供的一种基于轻离轴数字全息显微的光路及其测定方法用于反射式和部分反射物体结构。

(1)首先调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、第一透镜、偏振片、会聚透镜、非偏振分光棱镜，矫正后的光束经非偏振分光棱镜的分离后一束形成物光，另一束形成参考光；参考光经过光强衰减片，物光和参考光分别经过各自的显微物镜，分别将被测物体和平面反射镜放置于显微物镜MO1和显微物镜MO2的焦点处。反射的光线经过光路反射经过分光棱镜后会聚光线产生图像被高速CCD相机采集传输到计算机中。

首先将含有物体的背景图进行拍摄，再横向方向轻微的移动至没有物体的背景区域进行拍摄，在程序内分别计算两幅全息图并将带物体的全息图重建后的信息减去背景图原始的信息，得到所需的物体信息。

首先将拍摄到的信息进行一个二值化的处理，首先将拍摄到全息图转化为灰度强度图，再进行傅里叶变化将信息转化至频域上。

框选出所需要的频域成分(因本装置选用轻离轴结构零极谱与±1谱难以完好的分离故框选时选用正负二级谱)，进行频域滤波。再进行傅里叶逆变换转化到时域空间。

之后根据滤波后的全息图，得到其相位信息，再根据最小二乘解包裹。完成全息图的高度信息的重构。

之后对背景图重复进行上诉操作

首先将拍摄到的背景信息导入到计算机中，之后将彩色的图像转化为灰度强度图，再进行傅里叶变换将信息转移至频域上。

重复上诉对包含物体的全息图的操作，框选出所需要的频域成分(因本装置选用轻离轴结构零极谱与正负一谱难以完好的分离故框选时选用正负二级谱)，进行频率滤波，再进行傅里叶逆变换转化到时域空间。

之后根据滤波后的全息图，得到其相位信息，再根据最小二乘解包裹，完成全息图的重构。

之后将保存含物体高度信息的矩阵与背景矩阵相减。

之后根据相减后的结果，将得到的物体高度信息记录，并完成三维图像的重建。

有益效果。

本发明提供了一种可调节式干涉显微装置，对于反射不完全的物体通过调节光强衰减片，使得物光和参考光近似相等，使成像效果清晰度更高，同时根据物光和参考光发生干涉距离的公式(2ln2/π)·(λ²/Δλ)该式中λ代表波长，本文选用620nm光源，Δλ代表波长宽度，本装置大概为20μm，，本文求出大概8.3μm，还引入了机械式位移平台方便调节物光与参考光的光程，使得该装置结构简单且易于调节产生干涉条纹，同时替代了使用价格昂贵的PZT等器件，引入价格较低的机械式位移台通过两步相位相减，完成全息图的重构，得到三维的立体的高质量微观图像，本装置相比于传统激光光源有着更低的成本与更小相干噪声。参考光和物光为共路结构方便调节，因为LED光源为部分干涉光干涉距离短，所以更难发生干涉，但本实验装置因提高了空间干涉性光路调节简单，易于发生干涉。

附图说明

图1是本发明提供的轻离轴数字全息检测装置的结构示意图；

图2是被测样品放置示意图；

图3是本发明实施例通过CCD拍摄到的全息图；

图4是本发明实施例通过拍摄到的全息图进行的三维重构图；

图5是本发明实施例重构后三维图像的局部放大图。

为使本发明实施的目的作用更加明确，同时优势与方案更加明确，下面将结合实例中附图，对方面实施中的附图，结合实际应用更为清楚地描述。参照图1，本基于迈克尔逊结构的数字全息显微光路包括LED光源(1)、会聚显微物镜(2)、小孔光阑(3)、会聚透镜(4)、偏振片(5)、会聚透镜(6)、非偏振分光棱镜(7)、显微物镜(8)、载物台(9)、机械式位移平台(10)、会聚透镜(11)、CCD高速摄像机(12)、USB数据传输线(13)、电脑(14)、光强衰减片(15)、显微物镜(16)、平面反射镜及位移平台(17)、如图1所示，实验装置是基于标准的Linnik干涉仪搭建的。所用光源LED的光谱分布呈高斯型，中心波长为620nm，半高全宽为21nm。根据公式(2ln2/π)·(λ²/Δλ)，计算得到光源的相干长度为8.3μm，LED发出的光通过由显微物镜MO1和透镜L1组成的准直系统。为了提高光源的空间相干性，本装置将小孔光阑放置于焦平面出。偏振片P的作用是把经过准直扩束后的平行非偏振光转变为线性偏振光，以提高该装置的相干性，使得更易调节干涉条纹。两个相同的透镜L1，L2和两个相同的物镜MO2,M03构成了Linnik干涉显微装置，物光路和参考光路的透镜L1,L2,物镜MO2,MO3须严格镜像放置，以减弱噪声的干扰，并降低了后续调节中的二次相位畸变。为了保证物光和参考光的光程严格相等，物镜MO2,M03需要对称放置。在M02与M03的焦点出分别对称放置物体和平面反射镜，通过机械式微位移平台实现细微的移动。完成全息图的重建。同时在参考光一侧显微物镜MO2前加入光强衰减片。参考镜固定在机械微位移平台上，通过轻微的移动微位移平台细微调节参考光光程。CCD相机放置在透镜L的后焦面上，用以记录相移全息图。

第二实施例基于轻离轴两步相减数字全息显微装置的实施方法。

细微调整物镜位移平台的前后距离，使得观测到的物光与参考光的光程相等，(即干涉图像清晰度最高)LED光源1经过会聚显微物镜2的会聚后，通过小孔光澜成为发散光，同时与透镜1放置于焦点位置转为平行光，再经过偏振器件使得非偏振光转为偏振光提高空间相干性，再经过会聚透镜，再通过分光棱镜，将光束一分为二，一部分通过显微物镜后照射到物体上，另一束光通过显微物镜后经过平面镜反射，且平面镜放置于焦平面，两束光再发散返回同时实现物光和参考光共路放置。本装置为共路放置，减少了外界的干扰，提高了该装置的稳定性。

Claims (3)

1.根据权利要求1所述，原始光在经过非偏振分光棱镜后会聚于一点之后再发散以预留足够空间尺寸放置光强衰减元件，且该光路为远心结构，透镜6的焦面与显微物镜7的前焦面位置相同，用以使得出射显微物镜7的光线为平行光线，大幅的减小重构后的相位畸变。所述第一透镜和所述第二透镜焦距相等，且对称放置，并为短工作距离物镜。

2.根据权利要求1所述在分光棱镜后分离的两束光束各自会聚又散开后，在光路上对称放置显微物镜以预留足够的光路空间尺寸，同时方便光路的调节。并在参考光路上放置光强衰减片以方便调节参考光路的光强，使物光和参考光的光强近乎1：1，以提高全息图质量。

3.所述平面反射镜可进行轴向的移动，改变法向方向即改变了物光和参考光的角度，或者通过轻微的调节分光棱镜的角度以满足轻离轴条件，使物光和参考光分离。通过调节3所述的光强衰减片，再移动物体，完成对焦。并使得物光和参考光的光强近似相等。使得反射后的光的在CCD表面形成干涉条纹，并通过两步相减法完成高质量全息图的记录和三维图的重建。

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