CN116339097A - 一种双波长数字全息系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双波长数字全息系统及方法，其中，所述系统包括依次相连的LED照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器。本发明提供的技术方案，在简化系统架构的情况下，提高全息成像的精度。

Description

一种双波长数字全息系统及方法
技术领域
本发明涉及全息成像技术领域，具体而言，涉及一种双波长数字全息系统及方法。
背景技术
数字全息显微术是一种将传统的光学显微成像技术与全息成像技术相结合，定量地获得样品相位分布的高精度光学测量技术，具有无损伤、全视场、快速、非接触、高精度等特点，被广泛应用于表面微观形貌测量和生物细胞成像。传统的数字全息显微术需要先从全息图中构造包裹相位，然后使用解包算法将包裹相位展开为连续的相位图。其缺点也很突出，解包算法计算量较大，并且当样品有过高的跳变时可能会导致解包失败。为了解决上述问题，提出了双波长数字全息。
双波长数字全息相较于单波长数字全息显微术的优势在于，该技术通过选择两个波长来得到更大的合成波长，理论上可测量高度更高、跳变较大的样品。并且，该技术是使用两个波长的光束对样品进行测量，可以连续记录多张不同波长下的相位信息，求出两者的相位差后即可得到等效波长的相位图。由于合成波长大于任何一个引入的波长，因此该技术可极大地提升数字全息显微术的测量范围。
但是，在双波长数字全息的研究领域中，为了引入合成波长，通常需要两台不同波长的激光器，成本高昂的同时，两种不同波长的相干光源也在干涉光路中带来了大量的噪声，在很大程度上影响了相位恢复的精度。另一方面，目前大部分双波长数字全息技术都是基于马赫-曾德或迈克尔逊干涉仪的非共路结构，两个光束都会受到环境干扰，这就导致系统的时间稳定性较差，条纹不稳定，产生相当大的相位误差。
因此，目前亟需一种架构更加简洁，并且精度更加高的双波长数字全息系统。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种双波长数字全息系统及方法，在简化系统架构的情况下，提高全息成像的精度。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种双波长数字全息系统，所述系统包括依次相连的LED照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器，其中：
所述LED照明模块出射的光经过所述起偏器调整偏正方向后，垂直入射至所述偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
所述照明光波透过所述载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被所述无限远成像显微物镜收集，并通过所述镜筒透镜汇聚后，透过所述正交光栅进行衍射；
所述正交光栅产生的0级衍射光按照原来的路径传播并透过所述空间滤波器后作为参考光，两束+1级衍射光经过所述第一透镜汇聚后透过所述空间滤波器后分别作为两束物光；
经所述空间滤波器滤波后的物光与参考光经所述第二透镜汇聚到所述单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
在一个实施方式中，所述偏振滤波装置包括沿光束传播方向依次设置的第一Wollaston棱镜、第三透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜以及第二Wollaston棱镜；
其中，所述第一Wollaston棱镜位于所述第三透镜的前焦面，所述第二Wollaston棱镜放置于所述第四透镜的后焦面上，所述第一滤光片和所述第二滤光片分布在所述第三透镜和所述第四透镜之间的不同路径上；
所述第一Wollaston棱镜用于将所述起偏器输出的线偏振照明光波剪切开角度，所述第一滤光片和所述第二滤光片用于产生不同波长的照明光波，所述第二Wollaston棱镜用于将所述不同波长的照明光波重新合束。
在一个实施方式中，所述第一滤光片的中心波长为590nm，所述第二滤光片的中心波长为633nm，所述第一滤光片和所述第二滤光片的半高宽均为1nm。
在一个实施方式中，所述空间滤波器中包括第一装置、第二装置以及第三装置，其中，所述第一装置用于将透过所述正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；所述第二装置，仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得第一物光；所述第三装置，仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得第二物光。
在一个实施方式中，所述LED照明模块的中心波长为610nm，半高宽为50nm。
在一个实施方式中，所述正交光栅位于所述镜筒透镜的后焦面上，用于将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，以实现参考光与物光的波前匹配。
为实现上述目的，本发明另一方面还提供了一种双波长数字全息方法，所述方法包括：
出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光；
0级衍射光按照原来的路径传播并形成参考光，两束+1级衍射光汇聚后被滤波为两束物光；
所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹。
在一个实施方式中，出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波包括：
LED照明模块出射的光经过起偏器调整偏正方向后，垂直入射至偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波。
在一个实施方式中，所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光包括：
所述照明光波透过载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被无限远成像显微物镜收集，并通过镜筒透镜汇聚后，透过正交光栅进行衍射，产生衍射光。
在一个实施方式中，所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹包括：
经空间滤波器滤波后的物光与参考光经第二透镜汇聚到单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
本发明的有益效果为：
本发明所提供的技术方案，只需使用一个部分相干光源即可实现双波长干涉测量，极大地减少了相干光源所带来的相干噪声的影响，提升了整个系统的测量精度，节约了实验成本，降低了双波长干涉测量技术的研究门槛。并且，本发明特有的共路结构使得物光路和参考光路沿着相同的路径传播，环境噪声的干扰对两束光波的影响几乎一致，极大地提高了本系统的稳定性与测量精度。此外，本发明使用宽带光源，可根据待测样品的实际情况灵活选取不同中心波长的滤光片滤出期望的波长，以实现任意两波长的双波长数字全息。
最后，本发明可以同时捕获两个具有正交条纹方向的离轴干涉图，使每个波长干涉条纹的重叠最少，可以很容易地选择傅里叶频谱图中不同波长的空间频率来分离不同波长下的相位信息。
附图说明
图1示出了本发明一个实施方式中的双波长数字全息系统的结构示意图；
图2为本发明一个实施方式中偏振滤波装置的结构示意图；
图3为未放置样品时，单色黑白图像传感器采集到的背景全息图；
图4为放置样品后，单色黑白图像传感器采集到的带有物体相位信息的全息图；
图5为单色黑白图像传感器采集到的带有物体相位信息的全息图经过傅里叶变换算法计算后得到的频谱图；
图6为根据得到的频谱图计算得到样品在合成波长下所重建出的相位图；
图7示出了本发明一个实施方式中的双波长数字全息方法的步骤示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，本发明一个实施方式提供一种双波长数字全息系统，所述系统包括依次相连的LED照明模块101、起偏器102、偏振滤波装置103、载物台装置104、无限远成像显微物镜105、镜筒透镜106、正交光栅107、第一透镜108、空间滤波器109、第二透镜110及单色黑白图像传感器111，其中：
所述LED照明模块101出射的光经过所述起偏器102调整偏正方向后，垂直入射至所述偏振滤波装置103，以通过所述偏振滤波装置103生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
所述照明光波透过所述载物台装置104上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被所述无限远成像显微物镜105收集，并通过所述镜筒透镜106汇聚后，透过所述正交光栅107进行衍射；
所述正交光栅107产生的0级衍射光按照原来的路径传播并透过所述空间滤波器109后作为参考光，两束+1级衍射光经过所述第一透镜108汇聚后透过所述空间滤波器109后分别作为两束物光；
经所述空间滤波器109滤波后的物光与参考光经所述第二透镜110汇聚到所述单色黑白图像传感器111的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器111捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
在实际应用中，所述LED照明模块101的中心波长为610nm，半高宽为50nm。
所述起偏器102的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述偏振滤波装置103中的两片滤光片的中心波长分别为590nm、633nm；半高宽均为1nm。
工作时，LED照明模块101出射的光经过起偏器102调整偏振方向后垂直入射至偏振滤波装置103并产生两个波长不同，传输路径严格一致的正交线偏振光。该光束透过载物台装置104上放置的待测样品，经样品散射后的成像光束被无限远成像显微物镜105收集并通过镜筒透镜106汇聚后透过正交光栅107进行衍射，其中最强的0级衍射光继续按照原来的路径传播并透过空间滤波器109上的装置a(第一装置)滤波后作为参考光，较弱的两束+1级衍射光经过第一透镜108汇聚后透过空间滤波器109上的装置b(第二装置)与装置c(第三装置)后作为物光，并且装置b仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得物光λ1(第一物光)；装置c则仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得物光λ2(第二物光)。经空间滤波器109滤波后的物光与参考光经第二透镜110汇聚到单色黑白图像传感器111的成像面上，并由单色黑白图像传感器111一次性捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。根据单色黑白图像传感器111所采集得到的数字全息图，即可实现双波长数字全息的相位重建。
在本实施方式中，起偏器102中偏振片的透光轴在坐标轴x-y平面内，用于将来自所述LED照明模块101发出的照明光分为沿x轴与y轴的线偏振光。可以通过调整所述偏振片透光轴的方向来任意调整两束偏振光的强度比。
所述偏振滤波装置103，如图2所示，包括沿光束传播方向依次设置的第一Wollaston棱镜1031、第三透镜1032、第一滤光片1033、第二滤光片1034、第四透镜1035和第二Wollaston棱镜1036，用于滤出两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波。
具体地，所述第一Wollaston棱镜位于所述第三透镜的前焦面，所述第二Wollaston棱镜放置于所述第四透镜的后焦面上，所述第一滤光片和所述第二滤光片分布在所述第三透镜和所述第四透镜之间的不同路径上；
所述第一Wollaston棱镜用于将所述起偏器输出的线偏振照明光波剪切开角度，所述第一滤光片和所述第二滤光片用于产生不同波长的照明光波，所述第二Wollaston棱镜用于将所述不同波长的照明光波重新合束。
举例来说，在实际应用中，所述第一Wollaston棱镜位于所述第三透镜的前焦面，且慢轴沿x轴方向，用于将偏振方向分别沿x轴与y轴的线偏振照明光波剪切开微小角度。
所述第一滤光片与第二滤光片的中心波长可以在照明光源的光谱范围任意选择，用于获得两束不同波长的照明光波λ1与λ2。
所述第二Wollaston棱镜相较于第一Wollaston棱镜而言，沿x-y平面镜像放置于第四透镜的后焦面上，其慢轴方向沿x轴方向，用于将所述第一滤光片与第二滤光片滤出的两个波长的照明光波重新合束，并保证两束光波的传输路径一致，其中照明光波λ1沿坐标轴x方向偏振，照明光波λ2沿坐标轴y方向偏振。
所述正交光栅107位于镜筒透镜106的后焦面上，以保证两束具有一定角度的正交偏振光被汇聚至同一位置，从而实现参考光波与物光波的波前匹配，最终获得具有较高对比度的干涉条纹。
所述空间滤波器109内可以包括三个装置。其中，装置a用于将透过正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；空间滤波器的装置b，仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得物光λ1；装置c则仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得物光λ2。
为了测试本发明提供的技术方案的可行性，可以针对图1所示的系统搭进行实验验证。
测量时，首先调节光路直到单色黑白图像传感器111采集到正交的载频条纹作为背景信息，采集到的背景信息如图3所示。采集到背景信息后，将样品放置在载物台装置104上并由无限远成像显微物镜105聚焦后成像，通过单色黑白图像传感器111采集到带有样品相位信息的干涉图，采集到的带有样品相位信息的干涉图如图4所示。通过傅里叶变换算法计算得到的频谱图如图5所示，最后根据得到的频谱图即可恢复出合成波长下样品的相位信息，如图6所示。
本发明所提供的技术方案，只需使用一个部分相干光源即可实现双波长干涉测量，极大地减少了相干光源所带来的相干噪声的影响，提升了整个系统的测量精度，节约了实验成本，降低了双波长干涉测量技术的研究门槛。并且，本发明特有的共路结构使得物光路和参考光路沿着相同的路径传播，环境噪声的干扰对两束光波的影响几乎一致，极大地提高了本系统的稳定性与测量精度。此外，本发明使用宽带光源，可根据待测样品的实际情况灵活选取不同中心波长的滤光片滤出期望的波长，以实现任意两波长的双波长数字全息。
最后，本发明可以同时捕获两个具有正交条纹方向的离轴干涉图，使每个波长干涉条纹的重叠最少，可以很容易地选择傅里叶频谱图中不同波长的空间频率来分离不同波长下的相位信息。
实施例二
本发明另一方面还提供一种双波长数字全息方法，如图7所示，该方法可以包括以下多个步骤。
S1：出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
S2：所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光；
S3：0级衍射光按照原来的路径传播并形成参考光，两束+1级衍射光汇聚后被滤波为两束物光；
S4：所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹。
在一个实施方式中，出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波包括：
LED照明模块出射的光经过起偏器调整偏正方向后，垂直入射至偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波。
在一个实施方式中，所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光包括：
所述照明光波透过载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被无限远成像显微物镜收集，并通过镜筒透镜汇聚后，透过正交光栅进行衍射，产生衍射光。
在一个实施方式中，所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹包括：
经空间滤波器滤波后的物光与参考光经第二透镜汇聚到单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
在一个具体应用示例中，上述方案可以通过以下具体的步骤来实现：
第1步：LED照明模块出射的光经过偏振片起偏后正入射到偏振滤波装置中，随后产生两束波长不同，传输路径严格一致的正交线偏振光。
第2步：波长不同的两束线偏振光经过载物台装置上样品散射后由无限远成像显微物镜收集及镜筒透镜准直后进行成像。
第3步：在镜筒透镜的成像面上放置正交光栅，生成携带样本信息的不同衍射级。其中，0级衍射光沿原光轴方向传播，±1级衍射光则分开一定角度后继续传播。
第4步：在正交光栅后放置第一透镜，并要求正交光栅位于第一透镜的前焦面上，使得由正交光栅衍射后的光束经第一透镜后分别汇聚于一点。同时，第一透镜与第二透镜共同组成一个4f系统。
第5步：将空间滤波器放置在上述4f系统的傅里叶平面上。其中，空间滤波器的装置a用于将透过正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；空间滤波器的装置b与装置c用于将透过正交光栅的+1级衍射光滤波来分别获得带有样品完整信息的物光束λ1与λ2。
第6步：带有样品完整信息的物光束λ1和λ2与4f系统后焦平面的参考光发生干涉，产生正交载频干涉条纹，并由单色黑白图像传感器一次性捕捉和记录，经傅里叶变换算法恢复出样品的相位信息。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下技术优势：
(1)本发明所提供的技术方案，只需使用一个部分相干光源即可实现双波长干涉测量，极大地减少了相干光源所带来的相干噪声的影响，提升了整个系统的测量精度，同时也节约了实验成本，降低了双波长干涉测量技术的研究门槛。
(2)本发明所提供的技术方案，所特有的共路结构使得其物光路和参考光路沿着相同的路径传播，环境噪声的干扰对两束光波的影响几乎一致，极大地提高了本系统的稳定性与测量精度。
(3)本发明所提供的技术方案，使用宽带光源，可根据待测样品的实际情况灵活选取不同中心波长的滤光片滤出期望的波长，以实现任意两波长的双波长数字全息。
(4)本发明所提供的技术方案，通过单色黑白图像传感器同时捕获两个具有正交条纹方向的离轴干涉图，使每个波长干涉条纹的重叠最少，这样可以很容易地选择出傅里叶频谱图中不同波长的空间频率来分离出该波长下的相位信息。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双波长数字全息系统，其特征在于，所述系统包括依次相连的LED照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器，其中：
所述LED照明模块出射的光经过所述起偏器调整偏正方向后，垂直入射至所述偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
所述照明光波透过所述载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被所述无限远成像显微物镜收集，并通过所述镜筒透镜汇聚后，透过所述正交光栅进行衍射；
所述正交光栅产生的0级衍射光按照原来的路径传播并透过所述空间滤波器后作为参考光，两束+1级衍射光经过所述第一透镜汇聚后透过所述空间滤波器后分别作为两束物光；
经所述空间滤波器滤波后的物光与参考光经所述第二透镜汇聚到所述单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振滤波装置包括沿光束传播方向依次设置的第一Wollaston棱镜、第三透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜以及第二Wollaston棱镜；
其中，所述第一Wollaston棱镜位于所述第三透镜的前焦面，所述第二Wollaston棱镜放置于所述第四透镜的后焦面上，所述第一滤光片和所述第二滤光片分布在所述第三透镜和所述第四透镜之间的不同路径上；
所述第一Wollaston棱镜用于将所述起偏器输出的线偏振照明光波剪切开角度，所述第一滤光片和所述第二滤光片用于产生不同波长的照明光波，所述第二Wollaston棱镜用于将所述不同波长的照明光波重新合束。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一滤光片的中心波长为590nm，所述第二滤光片的中心波长为633nm，所述第一滤光片和所述第二滤光片的半高宽均为1nm。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空间滤波器中包括第一装置、第二装置以及第三装置，其中，所述第一装置用于将透过所述正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；所述第二装置，仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得第一物光；所述第三装置，仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得第二物光。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LED照明模块的中心波长为610nm，半高宽为50nm。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述正交光栅位于所述镜筒透镜的后焦面上，用于将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，以实现参考光与物光的波前匹配。
7.一种应用于权利要求1至6中任一所述的系统中的双波长数字全息方法，其特征在于，所述方法包括：
出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；
所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光；
0级衍射光按照原来的路径传播并形成参考光，两束+1级衍射光汇聚后被滤波为两束物光；
所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波包括：
LED照明模块出射的光经过起偏器调整偏正方向后，垂直入射至偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光包括：
所述照明光波透过载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被无限远成像显微物镜收集，并通过镜筒透镜汇聚后，透过正交光栅进行衍射，产生衍射光。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹包括：
经空间滤波器滤波后的物光与参考光经第二透镜汇聚到单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。
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