CN117147547A - 一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，包括计算机和基于旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，其特征在于，通过设置旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，通过该光路记录微通道的全息图，再通过计算机将所记录的微通道全息图进行数值重建，得到微通道的三维形貌。该全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，在双波长数字全息显微的基础上加入了旋转式散射片，利用散射片的散斑场抑制在反射式测量中由于微通道表面材料干涉引起的相干噪声，并通过对同一微流控芯片采用有无散射片系统下的全息图记录与再现对比证明了本方法对相干噪声的有效抑制，可以利用该方法成功实现对微通道的测量。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测以及全息光学技术领域，具体为一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法。
背景技术
微流控芯片是一种新兴的生化实验终端，是一种排布有微尺寸通道的芯片。微流控芯片是在生命科学、药物合成、疾病诊断、食品安全检测等研究中的重要工具，具有很高的实用价值。然而芯片通道的深度、宽度和通道结构形貌对微流控系统中的样品的分离效果、进样剂量、反应机理和定量检测有着重要的影响。
数字全息显微技术是将数字全息技术与显微技术相结合的产物，不仅具有三维成像能力，还具有非破坏性、高分辨率和实时性的优点，已被广泛应用于微结构形貌检测、生物细胞形貌测量、折射率检测、微机电系统(MEMS)器件动态测试以及振动测试等领域。双波长全息显微技术在具有上述优点的基础上，还具有更大的测量范围，适合用于测量具有较大的阶跃高度或者深度的样本。由于大部分微流控芯片通道的深度大约在30μm～100μm之间，因此可以采用双波长全息显微技术实现对微流控芯片通道的三维重建。
激光作为一种强相干光源，被广泛的作为光源应用于干涉成像领域中，但在干涉成像过程中也会因为其强相干性引入一些不可避免的相干噪声，影响成像质量。在数字全息中，由于激光的强相干性，当光通过带有缺陷(如灰尘、划痕、凹凸缺陷等)的光学元件的时，会形成牛顿环和靶心，影响全息图重建质量。当采用激光数字全息方法对微流控芯片进行测量时，若为透明芯片可采用透射式光路或反射式光路测量，而对于非透明的芯片仅可采用反射式结构的光路测量。当采用反射式光路测量芯片内部通道深度时，由于芯片通道表面会键合一层封装材料，激光会在键合材料前后表面发生干涉形成干涉条纹从而影响通道本身干涉形成的干涉条纹，形成相干噪声。全息图中存在相干噪声会影响全息图本身干涉条纹质量，从而影响整体全息图再现效果，无法准确重建出通道的三维形貌。为了抑制此类相干噪声，本文提出一种基于旋转散射片的离轴反射式双波长全息显微实验系统，通过在反射式双波长全息显微光路中加入旋转的散射片来抑制系统中的相干噪声，并利用该系统实现对非透明的微流控芯片内部通道实现三维形貌的再现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，包括计算机和基于旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，其特征在于，通过设置旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，通过该光路记录微通道的全息图，再通过计算机将所记录的微通道全息图进行数值重建，得到微通道的三维形貌，其处理方法步骤如下：
S1、搭建实验系统，按照上述实验光路原理图搭建无旋转散射片的双波长数字全息显微光路，调整系统中各个光学元件高度，使光学元件中心保持在同一高度，以便激光光源可以在光学元件中心通过，在被测物位置放置标准台阶样板，用来标定系统；
S2、调出质量最佳的干涉条纹，调整光路中物光和参考光的光程差和两路光的夹角，并观察CCD相机所呈现的全息图干涉条纹，直到获得疏密适中的干涉条纹以保证全息图再现时频谱图的+1级像、-1级像和零级像可以完全分离；
S3、加入散射片并调整干涉条纹，调整过干涉条纹后，在激光光源后加入旋转散射片，由直流电机控制转速，调整CCD的曝光时间和散射片的转速，并观察CCD界面形成的干涉条纹，调整获得加入散射片后系统的最佳干涉条纹；
S4、标准件的测量，利用上述系统对标准台阶进行测量，并对其进行数值再现，证明本系统的准确可靠性；
S5、芯片通道测量，利用上述验证过的系统对微流控芯片通道进行记录和数值再现；同时对应芯片同一位置进行不带有散射片系统下的记录和数值再现，并对两系统下所拍摄的全息图和再现结果进行对比分析，并进行多次重复性实验和芯片的多位置检测。
优选的，光路成像技术为基于马赫曾德干涉仪的像面离轴数字全息。
优选的，光路包括2台波长不同的激光器、2个孔径光阑、1个偏振片、3个反射镜、4个衰减片、3个分光镜、1个旋转的散射片、1个准直扩束器、1个显微物镜和1台CCD相机，其中旋转散射片由直流电机和1500目毛玻璃组成。
优选的，旋转散射片放置于激光光源后，准直扩束器前。
优选的，需调整参考光和物光两路光光程差尽量小，以获得尽量大的有效干涉区域。
优选的，加入旋转散射片后，系统干涉条纹对比度可表示为：式中，τRT为参考光和物光之间的时间延迟，λz为入射波长，v为散射片旋转线速度，因此为获得最佳对比度的干涉条纹需要控制旋转散射片的旋转速度。
优选的，先利用本系统对标准台阶样片进行测量，验证本系统的准确可靠性，再利用本系统对芯片微通道进行检测，并将测量结果与不含散射片系统下所拍摄芯片同一位置的结果进行对比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，通过在激光光源后方加入旋转的散射片，以此降低激光光源的相干性，来抑制由于芯片表面键合材料引入的相干噪声，从而获得无相干噪声的全息图，并对其进行数值再现重建出通道的三维形貌，其优势在于无损检测、成本低、分辨率高和操作简单。可以无接触的实现对内部微通道的三维重建，在双波长数字全息显微的基础上加入了旋转式散射片，利用散射片的散斑场抑制在反射式测量中由于微通道表面材料干涉引起的相干噪声。并通过对同一微流控芯片采用有无散射片系统下的全息图记录与再现对比证明了本方法对相干噪声的有效抑制，可以利用该方法成功实现对微通道的测量。
附图说明
图1为本发明基于旋转散射片全息显微微通道检测的光路原理图；
图2为本发明有旋转散射片系统所记录的通道全息图；
图3为本发明无旋转散射片系统所记录的通道全息图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，包括计算机和基于旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，其特征在于，通过设置旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，通过该光路记录微通道的全息图，再通过计算机将所记录的微通道全息图进行数值重建，得到微通道的三维形貌，其处理方法步骤如下：
S1、搭建实验系统，按照上述实验光路原理图搭建无旋转散射片的双波长数字全息显微光路，调整系统中各个光学元件高度，使光学元件中心保持在同一高度，以便激光光源可以在光学元件中心通过，在被测物位置放置标准台阶样板，用来标定系统，搭建实验检测光路，该光路包括2台波长不同的激光器、2个孔径光阑、1个偏振片、3个反射镜、4个衰减片、3个分光镜、1个旋转的散射片、1个准直扩束器、1个显微物镜MO、1台CCD相机和1台计算机，其中旋转散射片由直流电机和1500目毛玻璃组合而成，可以通过控制直流电机的供电电压控制散射片的转速，相机CCD与计算机相连。该系统光路原理图如图1所示；
S2、调出质量最佳的干涉条纹，调整光路中物光和参考光的光程差和两路光的夹角，并观察CCD相机所呈现的全息图干涉条纹，直到获得疏密适中的干涉条纹以保证全息图再现时频谱图的+1级像、-1级像和零级像可以完全分离；
S3、加入散射片并调整干涉条纹，调整过干涉条纹后，在激光光源后加入旋转散射片，由直流电机控制转速，调整CCD的曝光时间和散射片的转速，并观察CCD界面形成的干涉条纹，调整获得加入散射片后系统的最佳干涉条纹；
S4、标准件的测量，利用上述系统对标准台阶进行测量，并对其进行数值再现，证明本系统的准确可靠性；
S5、芯片通道测量，利用上述验证过的系统对微流控芯片通道进行记录和数值再现；同时对应芯片同一位置进行不带有散射片系统下的记录和数值再现，并对两系统下所拍摄的全息图和再现结果进行对比分析，并进行多次重复性实验和芯片的多位置检测，微流控芯片内部通道检测步骤，检测光路以波长632.8nm和635.71nm的两束激光作为光源，两束激光经过分光镜BS1后光束共路并经过由电机驱动的旋转散射片、准直扩束器后被分光镜BS2分为物光和参考光两束光波，其中，经过分光镜BS2反射的参考光经反射镜M2反射后透过分光镜BS3后进入CCD；物光透过BS2后经反射镜M3反射后分别经过分光镜BS3、显微物镜MO后照射到通道，物光波被测物微流控芯片通道调制后将携带有通道相位和振幅信息的物光波反射回到显微物镜MO，显微物镜将信息转换为球面波并经过分光镜BS3反射后进入CCD，并与进入CCD的参考光发生干涉，在CCD相机形成干涉全息图；
全息图获取步骤，参考光和物光在CCD表面发生干涉，由于光路中加入旋转散射片引入了非相关的散斑场，因此需要调整散射片的转速和CCD曝光时间以获得最佳的相干噪声抑制效果，获得最佳的干涉条纹。在获得最佳干涉条纹的情况下，记录芯片通道的干涉全息图，如图2所示；同时为验证本发明对系统中相干噪声具有抑制作用，拍摄该芯片同位置下不带有散射片系统下的通道全息图作为对比，如图3所示；
数值再现，对芯片通道三维重建。对所获取的全息图进行数字再现，通过数值重建得到通道的三维形貌。
综上，通过在反射式双波长全息显微光路中加入旋转的散射片来抑制系统中的相干噪声，并利用该系统实现对非透明的微流控芯片内部通道实现三维形貌的再现，通过对同一微流控芯片采用有无散射片系统下的全息图记录与再现对比证明了本方法对相干噪声的有效抑制，可以利用该方法成功实现对微通道的测量。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，包括计算机和基于旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，其特征在于，通过设置旋转散射片的双波长数字全息显微系统光路，通过该光路记录微通道的全息图，再通过计算机将所记录的微通道全息图进行数值重建，得到微通道的三维形貌，其处理方法步骤如下：
S1、搭建实验系统，按照上述实验光路原理图搭建无旋转散射片的双波长数字全息显微光路，调整系统中各个光学元件高度，使光学元件中心保持在同一高度，以便激光光源可以在光学元件中心通过，在被测物位置放置标准台阶样板，用来标定系统；
S2、调出质量最佳的干涉条纹，调整光路中物光和参考光的光程差和两路光的夹角，并观察CCD相机所呈现的全息图干涉条纹，直到获得疏密适中的干涉条纹以保证全息图再现时频谱图的+1级像、-1级像和零级像可以完全分离；
S3、加入散射片并调整干涉条纹，调整过干涉条纹后，在激光光源后加入旋转散射片，由直流电机控制转速，调整CCD的曝光时间和散射片的转速，并观察CCD界面形成的干涉条纹，调整获得加入散射片后系统的最佳干涉条纹；
S4、标准件的测量，利用上述系统对标准台阶进行测量，并对其进行数值再现，证明本系统的准确可靠性；
S5、芯片通道测量，利用上述验证过的系统对微流控芯片通道进行记录和数值再现；同时对应芯片同一位置进行不带有散射片系统下的记录和数值再现，并对两系统下所拍摄的全息图和再现结果进行对比分析，并进行多次重复性实验和芯片的多位置检测。
2.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：光路成像技术为基于马赫曾德干涉仪的像面离轴数字全息。
3.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：光路包括2台波长不同的激光器、2个孔径光阑、1个偏振片、3个反射镜、4个衰减片、3个分光镜、1个旋转的散射片、1个准直扩束器、1个显微物镜和1台CCD相机，其中旋转散射片由直流电机和1500目毛玻璃组成。
4.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：旋转散射片放置于激光光源后，准直扩束器前。
5.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：需调整参考光和物光两路光光程差尽量小，以获得尽量大的有效干涉区域。
6.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：加入旋转散射片后，系统干涉条纹对比度可表示为：
7.根据权利要求1所述的一种全息微通道测量系统的相干噪声处理方法，其特征在于：先利用本系统对标准台阶样片进行测量，验证本系统的准确可靠性，再利用本系统对芯片微通道进行检测，并将测量结果与不含散射片系统下所拍摄芯片同一位置的结果进行对比。
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