CN116736669A - 一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置，通过调节光路中分光棱镜或反射镜或二维扫描振镜的位置与方向使得参考光即入射到样品面被盖玻片反射的光与物光即样品出散射的光产生夹角，形成离轴全息并进行全息图像的实时采集；根据采集到的图像对其进行频域滤波，消除载频后从复振幅中提取信息进行重构以获得振幅和相位分布，再对包裹相位进行展开得到连续的相位分布图。本发明通过干涉散射技术与数字全息技术相结合的方式，对采集的单颗粒样品图像进行频谱分离，实现对待测样品信号在同级背景下的实时恢复，同时可以获得丰富的样品相位信息，提升方法的多重信息获取能力。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置。
背景技术
几个世纪以来，光学显微镜一直是我们了解微观世界的窗口。在过去的几十年里，单分子光学的出现开创了光学成像的新时代，部分原因是它通过超分辨技术的发展使在纳米尺度上的运动观察成为可能。这些研究中大多数依赖于荧光作为单分子有效检测灵敏度的基础。尽管使用单光源具有许多优点，但其发射的强度和持续时间对跟踪研究对象的成像速度和精度产生了根本限制。
干涉散射光学显微术(iSCAT)是一种新型的，基于光散射的远场光学成像技术，其中用相干光(例如激光)照射成像颗粒，并且信号由从颗粒散射的光与参考物(通常是从附近界面反射的光)之间的干涉产生。纯散射探测的颗粒信号强度是与颗粒直径的六次方成正比,而干涉散射探测的颗粒信号是与颗粒直径的三次方成正比，因此随着纳米颗粒尺寸的不断减小干涉散射显微成像技术凸显更高的探测灵敏度。与荧光等其它方法相比，散射成像免受光漂白等问题的影响，同时避免了外源性标记物引起的体系干扰和复杂的操作流程，能够简捷快速地对单个分子(例如蛋白质/蛋白质复合物等生物分子)进行无标记检测。
iSCAT用于单分子检测的一种方法是进行粒子追踪，但是小分子干涉信号可能很弱，单纯通过干涉散射技术获取的强度信号存在显著的背景信号影响，这些大小不一的散斑会破坏采集的图像质量。在iSCAT中，往往需要根据特定的应用场景采取适当的图像处理方法。
因此，设计一种背景分离的iSCAT系统或提供普适有效且实时的iSCAT背景去除算法，成为了一个亟需解决的问题。
数字全息显微镜(Digital holographic microscopy，简称DHM)是数字全息技术在显微领域的应用，也被称为全息显微术。与其他显微技术相比，数字全息显微镜并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅(光强)信息，进而完成数字三维重构。全息显微成像技术具有实时、大景深、非接触、高分辨率、相位成像等优点，同样在非标记成像领域有着非常广泛的应用。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置。
本发明的第一个方面提供一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，包括以下步骤：
(1)激光光束由扩束准直之后经过分光棱镜反射并穿过物镜投射到样品面；
(2)将待测粒子散射光称为物光，被盖玻片平面反射的光称为参考光；令参考光与物光在样品面产生夹角，形成离轴全息；
(3)参考光与物光经过分光棱镜之后于相机靶面处产生干涉条纹形成全息图；
(4)由图像探测与采集模块进行数据采集并由图像采集卡将其传入图像处理模块；
(5)图像处理模块根据频谱滤波法提取待测物品强度与相位分布。
进一步，步骤(2)中，通过调节XOZ平面内分光棱镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
进一步，步骤(2)中，在分光棱镜和物镜之间加入反射镜；在分光棱镜正置的情况下，通过调节XOZ平面内反射镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
进一步，步骤(2)中，在分光棱镜和物镜之间加入二维扫描振镜；在分光棱镜正置的情况下，可以通过计算机控制调节XOZ平面内二维扫描振镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，所述的物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
进一步，步骤(5)中根据频谱滤波法提取待测物品强度与相位分布，包括以下步骤：
(5.1)将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，消除载频并+1级项单独滤出；
(5.2)利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位；
(5.3)运用解包裹算法，即戈德斯坦相位展开法对包裹相位进行展开从而得到连续的相位分布图。
进一步，所述步骤(5.1)具体包括以下步骤：
(5.1.1)被相机记录的图像传输至计算机端进行数据处理，设照射到探测器靶面处的物光分布为O(x,y)，参考光分布为R(x,y)，则干涉后的全息图分布可表示为：
I(x,y)＝|R(x,y)|2+|O(x,y)|2+R(x,y)O(x,y)*+R(x,y)*O(x,y) (1)
进一步，所述步骤(5.2)具体包括以下步骤：
(5.2.1)在计算机端使用频域滤波法进行滤波重建，首先将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，此处消除载频并+1级项单独滤出，再利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，可表示为：
O'(x1,y1)＝IFT{w(fx,fy)FT[C(x,y)I(x,y)]} (2)
上式中，FT代表傅里叶变换，IFT代表逆傅里叶变换，C(x,y)为再现光复振幅，用于消除载频；I(x,y)为探测器采集到的全息图信号，w(fx,fy)表示频域里的滤波函数，此处使用圆域低通滤波器；
(5.2.2)从复振幅中提取强度与相位信息，公式如下：
A(x1,y1)＝|O'(x1,y1)|2 (3)
A(x1,y1)为物光复振幅中提取的物体强度信息；为从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位。
本发明的第二个方面提供实施一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、第二聚焦透镜(5)和分光棱镜(6)；所述采集模块包括物镜(7)、套筒透镜(10)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
所述激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜(5)进一步汇聚，入射到分光棱镜(6)，再配合物镜(7)形成平行光投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；将分光棱镜(6)在XOZ平面内旋转一定的角度，使参考光与物光产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测纳米颗粒样品(8)表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜(10)将物镜(7)收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
进一步，实施另一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、第二聚焦透镜(5)、分光棱镜(6)和反射镜(12)；所述采集模块包括物镜(7)、套筒透镜(10)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜(5)进一步汇聚，入射到分光棱镜(6)，再配合物镜(7)形成平行光投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；将反射镜(12)在XOZ平面内旋转一定角度，使得反射参考光与物光经反射镜(12)反射后于物镜(7)下样品面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测纳米颗粒样品(8)表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜(10)将物镜(7)收集到的光成像于相机(11)探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
进一步，实施另一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、分光棱镜(6)、二维扫描振镜(15)和扫瞄透镜(16)；所述采集模块包括物镜(7)、Relay透镜组(13、14)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；线偏光经分光棱镜(6)分光后经二维扫瞄振镜(15)和扫瞄透镜(16)构成的4f系统进一步汇聚，配合物镜(7)投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；调控二维扫瞄振镜(6)在XOZ平面内的角度使得入参考光与物光在待测纳米颗粒样品(8)表面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测物体表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由Relay透镜组(13、14)调节成像距离，进一步汇聚后将物镜(7)收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
本发明原理如下：
在干涉散射成像中，由于界面处折射率的变化，参考场光由盖玻片的反射产生，背景光被收集并与散射光一起通过分束器后重新组合。到达检测器的强度Id都可以表示为：
其中，s是粒子散射振幅，φ是散射场和参考场之间的相位差，Er、Es和Ei分别是参考电场、散射电场和入射电场。根据检测方法的不同，ζ表示暗场显微镜下任何非抑制背景的振幅或iSCAT下界面的反射率。在iSCAT技术中，参考贡献ζ2主导决定了到达检测器处的光强。在小粒径散射体的情况下，s2一项可以忽略。粒子散射的光通量取决于散射截面(σ)，在直径D〈〈λ的物体的极限下，散射截面由下式给出：
其中D是颗粒直径，λ是照明波长，εm和εp分别表示介质和颗粒的介电常数。由此可见，与普通暗场成像的D6相比，在iSCAT中检测信号对粒径的依赖性降低至D3，从而具有更好的小颗粒样品分辨能力。
当iSCAT与DHM结合用于小颗粒样品探测时，忽略s2项，到达检测器的强度Id可以表示为：
其中，对应直流项，包含杂散光在内的多种背景信息，/>对应共轭项，即正负一级项，包含全部的样品信息，从而通过频域内提取正一级项的方式即可简便地将样品信号从等量级的背景信号中分离出来。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置，其在传统的干涉散射成像光路上加以改进，除获得样品强度信息外，可以同时提取样品相位信息，提升技术信息采集能力。
(2)本发明提供一种基于离轴全息的干涉散射成像图像处理方法，与传统iSCAT图像处理方法相比，该方法无需采集足够多帧图像进行平均差异化后处理，从而进一步降低信号的时间分辨率，而是能够简便地将单帧图像频域内零级谱(即iSCAT背景)有效分离出来，有效解决了单一iSCAT技术在检测小颗粒样品时带来的信背比过低问题。
附图说明
图1是本发明的基于分光棱镜位置调控的离轴全息干涉散射成像方法装置图；
图2是基于离轴全息的干涉散射成像方法图像处理步骤；
图3(a)是依据图2方法仿真获取的样品全息图；图3(b)是获取的图像频谱分布图；图3(c)是重建出的样品强度图；图3(d)是重建出的样品相位图；
图4(a)是依据图2方法实验获取的样品全息图；图4(b)是获取的图像频谱分布图；图4(c)是重建出的样品强度图；图4(d)是重建出的样品相位图；
图5是本发明的基于反射镜位置调控的离轴全息干涉散射成像方法装置图；
图6是本发明的基于二维扫描振镜调控的离轴全息干涉散射成像方法装置图。
附图标记说明：1-激光器；2-第一聚焦透镜；3-准直透镜；4-偏振片；5-第二聚焦透镜；6-分光棱镜；7-物镜；8-纳米颗粒样品；9-电动三维位移台；10-套筒透镜；11-相机；12-反射镜；13、14-Relay透镜组；15二维扫描振镜；16-扫瞄透镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参照附图1-6，一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，包括以下步骤：
(1)激光光束由扩束准直之后经过分光棱镜反射并穿过物镜投射到样品面；
(2)将待测粒子散射光称为物光，被盖玻片平面反射的光称为参考光；令参考光与物光在样品面产生夹角，形成离轴全息；形成离轴全息的方式有以下三种：
第一种，参照图1，通过调节XOZ平面内分光棱镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
第二种，参照图5，在分光棱镜和物镜之间加入反射镜；在分光棱镜正置的情况下，通过调节XOZ平面内反射镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
第三种，参照图6，在分光棱镜和物镜之间加入二维扫描振镜；在分光棱镜正置的情况下，可以通过计算机控制调节XOZ平面内二维扫描振镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，所述的物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
(3)参考光与物光经过分光棱镜之后于相机靶面处产生干涉条纹形成全息图；
(4)由图像探测与采集模块进行数据采集并由图像采集卡将其传入图像处理模块；
(5)图像处理模块根据频谱滤波法提取待测物品强度与相位分布；参照图2，具体包括以下步骤：
(5.1)将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，消除载频并+1级项单独滤出；
(5.1.1)被相机记录的图像传输至计算机端进行数据处理，设照射到探测器靶面处的物光分布为O(x,y)，参考光分布为R(x,y)，则干涉后的全息图分布可表示为：
I(x,y)＝|R(x,y)|2+|O(x,y)|2+R(x,y)O(x,y)*+R(x,y)*O(x,y) (1)
(5.2)利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位；
(5.2.1)在计算机端使用频域滤波法进行滤波重建，首先将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，此处消除载频并+1级项单独滤出，再利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，可表示为：
O'(x1,y1)＝IFT{w(fx,fy)FT[C(x,y)I(x,y)]} (2)
上式中，FT代表傅里叶变换，IFT代表逆傅里叶变换，C(x,y)为再现光复振幅，用于消除载频；I(x,y)为探测器采集到的全息图信号，w(fx,fy)表示频域里的滤波函数，此处使用圆域低通滤波器；
(5.2.2)从复振幅中提取强度与相位信息，公式如下：
A(x1,y1)＝|O'(x1,y1)|2 (3)
A(x1,y1)为物光复振幅中提取的物体强度信息；为从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位。
(5.3)运用解包裹算法，即戈德斯坦相位展开法对包裹相位进行展开从而得到连续的相位分布图。
实施例二
本实施例提供实施一种基于分光棱镜位置调控的离轴全息干涉散射成像方法的装置，参见图1，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器1、第一聚焦透镜2、准直透镜3、偏振片4、第二聚焦透镜5和分光棱镜6；所述采集模块包括物镜7、套筒透镜10、相机11、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台9及载玻片装载的纳米颗粒样品8；
所述激光器1出射的激光光束经消色差双胶合第一聚焦透镜2和准直透镜3完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片4调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜5进一步汇聚，入射到分光棱镜6，再配合物镜7形成平行光投射到待测纳米颗粒样品8表面；将分光棱镜6在XOZ平面内旋转一定的角度，使参考光与物光产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台9在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜7匹配；携带待测纳米颗粒样品8表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜10将物镜7收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机11进行收集和记录以获得原始样品全息图。
按照实施例一中步骤5进行图像处理以恢复一张样品的强度与相位图像：如图3(a)是依据实施例一方法仿真获取的样品全息图；图3(b)是获取的图像频谱分布图；图3(c)是重建出的样品强度图；图3(d)是重建出的样品相位图。
实施例三
本实施例提供实施一种基于反射镜位置调控的离轴全息干涉散射成像方法的装置，参见图5，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器1、第一聚焦透镜2、准直透镜3、偏振片4、第二聚焦透镜5、分光棱镜6和反射镜12；所述采集模块包括物镜7、套筒透镜10、相机11、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台9及载玻片装载的纳米颗粒样品8；
激光器1出射的激光光束经消色差双胶合第一聚焦透镜2和准直透镜3完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片4调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜5进一步汇聚，入射到分光棱镜6，再配合物镜7形成平行光投射到待测纳米颗粒样品8表面；将反射镜12在XOZ平面内旋转一定角度，使得反射参考光与物光经反射镜12反射后于物镜7下样品面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台9在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜7匹配；携带待测纳米颗粒样品8表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜10将物镜7收集到的光成像于相机11探测器的靶面，再由相机11进行收集和记录以获得原始样品全息图。
如实施例一中步骤5进行图像处理以恢复一张样品的强度与相位图像；如图4(a)是依据实施例一方法实验获取的样品全息图；图4(b)是获取的图像频谱分布图；图4(c)是重建出的样品强度图；图4(d)是重建出的样品相位图。
实施例四
本实施例提供实施一种基于二维扫描振镜调控的离轴全息干涉散射成像方法的装置，参见图6，包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器1、第一聚焦透镜2、准直透镜3、偏振片4、分光棱镜6、二维扫描振镜15和扫瞄透镜16；所述采集模块包括物镜7、Relay透镜组13、14、相机11、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台9及载玻片装载的纳米颗粒样品8；
激光器1出射的激光光束经第一聚焦透镜2和准直透镜3完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片4调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；线偏光经分光棱镜6分光后经二维扫瞄振镜15和扫瞄透镜16构成的4f系统进一步汇聚，配合物镜7投射到待测纳米颗粒样品8表面；调控二维扫瞄振镜6在XOZ平面内的角度使得入参考光与物光在待测纳米颗粒样品8表面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台9在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜7匹配；携带待测物体表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由Relay透镜组13、14调节成像距离，进一步汇聚后将物镜7收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机11进行收集和记录以获得原始样品全息图。
如实施例一所述的图像处理步骤进行以恢复一张样品的强度与相位图像。
本发明主要针对解决传统干涉散射技术在探测小颗粒样品时信背比较差带来的背景噪声干扰。传统干涉散射技术的图像处理方法大多采用空域多帧平均的方式以提高单个像素对应的光子计数量，增加带宽以消除噪声，所需图像帧数较过大，处理时间较长。本发明通过干涉散射技术与数字全息技术相结合的方式，对采集的单颗粒样品图像进行频谱分离，实现对待测样品信号在同级背景下的实时恢复，同时可以获得丰富的样品相位信息，提升方法的多重信息获取能力。
以上对本发明所提供的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)激光光束由扩束准直之后经过分光棱镜反射并穿过物镜投射到样品面；
(2)将待测粒子散射光称为物光，被盖玻片平面反射的光称为参考光；令参考光与物光在样品面产生夹角，形成离轴全息；
(3)参考光与物光经过分光棱镜之后于相机靶面处产生干涉条纹形成全息图；
(4)由图像探测与采集模块进行数据采集并由图像采集卡将其传入图像处理模块；
(5)图像处理模块根据频谱滤波法提取待测物品强度与相位分布。
2.如权利要求1所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于：步骤(2)中，通过调节XOZ平面内分光棱镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
3.如权利要求1所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于：步骤(2)中，在分光棱镜和物镜之间加入反射镜；在分光棱镜正置的情况下，通过调节XOZ平面内反射镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
4.如权利要求1所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于：步骤(2)中，在分光棱镜和物镜之间加入二维扫描振镜；在分光棱镜正置的情况下，可以通过计算机控制调节XOZ平面内二维扫描振镜角度，使得光在样品面以不同角度倾斜入射，所述的物光与参考光之间形成夹角以实现离轴全息。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于，步骤(5)中根据频谱滤波法提取待测物品强度与相位分布，包括以下步骤：
(5.1)将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，消除载频并+1级项单独滤出；
(5.2)利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位；
(5.3)运用解包裹算法，即戈德斯坦相位展开法对包裹相位进行展开从而得到连续的相位分布图。
6.如权利要求5所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于，所述步骤(5.1)具体包括以下步骤：
(5.1.1)被相机记录的图像传输至计算机端进行数据处理，设照射到探测器靶面处的物光分布为O(x，y)，参考光分布为R(x，y)，则干涉后的全息图分布可表示为：
I(x，y)＝|R(x，y)|2+|O(x，y)|2+R(x，y)O(x，y)*+R(x，y)*O(x，y)(1)。
7.如权利要求5所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法，其特征在于，所述步骤(5.2)具体包括以下步骤：
(5.2.1)在计算机端使用频域滤波法进行滤波重建，首先将采集到的图像进行傅里叶变换，此时频谱共有-1、0、+1级三项，此处消除载频并+1级项单独滤出，再利用逆傅里叶变换得到物光复振幅，可表示为：
O′(x1，y1)＝IFT{w(fx，fy)FT[C(x，y)I(x，y)]} (2)
上式中，FT代表傅里叶变换，IFT代表逆傅里叶变换，C(x,y)为再现光复振幅，用于消除载频；I(x,y)为探测器采集到的全息图信号，w(fx,fy)表示频域里的滤波函数，此处使用圆域低通滤波器；
(5.2.2)从复振幅中提取强度与相位信息，公式如下：
A(x1，y1)＝O′(x1，y1)|2 (3)
A(x1，y1)为物光复振幅中提取的物体强度信息；为从物光复振幅中提取的不连续的包裹相位。
8.实施权利要求2所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，其特征在于：包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、第二聚焦透镜(5)和分光棱镜(6)；所述采集模块包括物镜(7)、套筒透镜(10)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
所述激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜(5)进一步汇聚，入射到分光棱镜(6)，再配合物镜(7)形成平行光投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；将分光棱镜(6)在XOZ平面内旋转一定的角度，使参考光与物光产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测纳米颗粒样品(8)表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜(10)将物镜(7)收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
9.实施权利要求3所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，其特征在于：包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、第二聚焦透镜(5)、分光棱镜(6)和反射镜(12)；所述采集模块包括物镜(7)、套筒透镜(10)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；由第二聚焦透镜(5)进一步汇聚，入射到分光棱镜(6)，再配合物镜(7)形成平行光投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；将反射镜(12)在XOZ平面内旋转一定角度，使得反射参考光与物光经反射镜(12)反射后于物镜(7)下样品面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测纳米颗粒样品(8)表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由套筒透镜(10)将物镜(7)收集到的光成像于相机(11)探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
10.实施权利要求4所述的一种基于离轴全息的干涉散射成像方法的装置，其特征在于：包括用于产生离轴全息的干涉发生模块、用于图像探测的采集模块和位移控制模块；
所述干涉发生模块包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、分光棱镜(6)、二维扫描振镜(15)和扫瞄透镜(16)；所述采集模块包括物镜(7)、Relay透镜组(13、14)、相机(11)、数据采集卡及计算机；所述位移控制模块包括电动三维位移台(9)及载玻片装载的纳米颗粒样品(8)；
激光器(1)出射的激光光束经第一聚焦透镜(2)和准直透镜(3)完成扩束与准直；准直后的平行光由偏振片(4)调节光束的偏振方向，使得光束变为线偏振光；线偏光经分光棱镜(6)分光后经二维扫瞄振镜(15)和扫瞄透镜(16)构成的4f系统进一步汇聚，配合物镜(7)投射到待测纳米颗粒样品(8)表面；调控二维扫瞄振镜(6)在XOZ平面内的角度使得入参考光与物光在待测纳米颗粒样品(8)表面产生夹角，形成离轴全息；调节电动位移台(9)在三维空间内的位置以使样品焦面与所用物镜(7)匹配；携带待测物体表面信息的回射物光波以及被玻片表面反射的参考光由Relay透镜组(13、14)调节成像距离，进一步汇聚后将物镜(7)收集到的光成像于相机探测器的靶面，再由相机(11)进行收集和记录以获得原始样品全息图。
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|---|---|---|---|---|
| CN117471674A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 浙江大学 | 基于一维纳米线可视化的高精度、低成本转移操纵平台 |
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| CN117471674B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-12 | 浙江大学 | 基于一维纳米线可视化的高精度、低成本转移操纵平台 |
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