CN117629889A - 一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统及成像方法，该成像系统是在传统的马赫曾德全息光路的物光光路中加入多个光栅所集成的窗口，通过移动该窗口，产生不同倾斜角度的光照射待测样品，与参考光发生干涉，从而在图像传感器采集到多幅数字全息图。该成像方法将获取到的多幅数字全息图进行算法重建相位分布，实现超分辨成像。本发明采用多光栅衍射的方式实现不同倾斜角度的物光，造价低，方便稳定，且对系统中的核心器件参数均无固定要求，如显微物镜、图像传感器等，可根据所述成像方法灵活运用现有系统，实现超分辨成像，具有很强的商用价值。

Description

一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像领域，特别是一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统及成像方法。

背景技术

随着生物医学、材料科学等相关领域的快速发展，对显微成像系统的分辨率要求越来越高。然而因为光的衍射效应，常规的光学显微成像系统的分辨率受到衍射极限的限制。将分辨率提高到光学衍射极限之外的超分辨成像，长期以来备受关注。

数字全息成像是通过记录携带待测样品信息的物光与参考光之间的干涉条纹，通过算法重构，获得待测样品的相位分布信息，实现定量相位成像。同时改变物光照明角度，采集多幅数字全息图，通过合成多幅数字全息图的频谱来扩展单幅图像的频域，实现超分辨成像。与传统显微成像相比，数字全息成像无需染色，并且可以长时间无损测量，在生物研究领域具有较大优势。

目前，调节物光照明角度的方式主要有如下两种：一种是利用机械方法进行调节，如振镜，精度高可实现角度连续变换，但振镜价格昂贵，并且由于振镜是通过控制两块反射镜分别调节两个维度的角度，会导致部分角度无法被调节出[Youhua Chen etal.Widefield and total internal reflection fluorescent structuredillumination microscopy with scanning galvo mirrors.[J].Journal of biomedicaloptics,2018,23(4):1-9.]；另一种是利用空间光调制器进行调节，如液晶空间光调制器，通过电场调控多个液晶改变角度，操作复杂并且价格昂贵，或是用数字微反射装置，但该装置与系统光轴不垂直，需要额外用透镜去修正，并且调整角度范围有限[Wenjing Zhou,Qiangsheng Xu,Yingjie Yu,Anand Asundi,Phase-shifting in-line digitalholography on a digital micro-mirror device,Optics and Lasers in Engineering,Volume 47,Issue 9,2009]。

基于以上背景，设计一种采用机械移动多光栅窗口形成固定倾斜角度光束的稳定、易推广的光学系统实现超分辨成像具有重大的工程意义。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统及成像方法。在本发明中，系统所需的光束倾斜角度有限且固定，不需要动态调节功能，提高了系统的稳定性。

作为本发明的一个方面，本发明提供一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其为：待测样品放置在待测样品区域，激光器发出的光经过第一透镜聚焦，经过针孔滤波，通过第二透镜准直成平行光，通过第一非偏振分光棱镜分为两束能量相同的光；一束光正入射多光栅窗口中不同窗口，发生透射或衍射，经过第三透镜聚焦于光阑处，通过光阑的光经过第四透镜准直为平行光入射待测样品区域并携带待测样品信息，经过物镜、第一反射镜和成像透镜，再经过第二非偏振分光棱镜到达图像传感器作为物光；另一束光经过第五透镜，由第二反射镜反射后经过第六透镜形成平行光束，经过第二非偏振分光棱镜，到达图像传感器作为参考光；

多光栅窗口设置在第三透镜的物方焦面上，光阑设置在第三透镜的像方焦面和第四透镜的物方焦面上，物光与参考光干涉后形成的全息图被图像传感器采集，移动多光栅窗口，物光以不同角度入射图像传感器，获得多副数字全息图用算法重建样品相位分布，实现超分辨成像。

优选的，多光栅窗口包括一个矩形孔窗口和多个依次横向排列的光栅窗口。

优选的，多光栅窗口中的光栅包括但不局限于正弦型相位光栅。

优选的，多光栅窗口通过步进电机移动并切换不同窗口使其位于光路中。

优选的，光阑开有多个小孔，其位置对应于光通过多光栅窗口中不同窗口产生的透射光或+1级衍射光经过第三透镜在光阑的聚焦处。

优选的，光阑中每个小孔前附有可移动的遮光板，根据多光栅窗口中处于光路中的窗口进行调节。

优选的，待测样品区域设置在第四透镜的像方焦面和物镜的物方焦面上。

优选的，图像传感器放置于成像透镜的像方焦面上。

本发明基于多光栅的超分辨数字全息成像系统提供一种成像方法，其为：将待测样品置于待测样品区域，成像方法包括如下步骤，

S1、激光器发出激光光束经过第一透镜聚焦，经过针孔滤波，通过第二透镜准直成平行光，入射到第一非偏振分光棱镜，形成物光和参考光；

S2、物光经过多光栅窗口发生透射或衍射，经过第三透镜聚焦通过光阑，其中，光阑只允许特定角度的光通过，其余光被阻拦，再经过第四透镜准直成平行光照射待测样品区域携带待测样品信息，依次经过物镜、第一反射镜、成像透镜进行放大，通过第二非偏振分光棱镜到达图像传感器；

S3、参考光依次经过第五透镜、第二反射镜、第六透镜，经过第二非偏振分光棱镜到达图像传感器；

S4、物光和参考光发生干涉形成干涉条纹，图像传感器记录数字全息图；

S5、移动多光栅窗口，物光以不同角度入射待测样品区域，图像传感器上采集到多幅数字全息图；

S6、对采集到的多幅数字全息图进行算法重建，获得待测样品的信息，实现超分辨成像。优选的，步骤S4中，物光和参考光经过第二非偏振分光棱镜17后相遇发生干涉，图像传感器18的记录干涉条纹，其光强分布H(x,y)表示为：

H(x,y)＝|O(x,y)|²+|R(x,y)|²+O(x,y)R^*(x,y)+O^*(x,y)R(x,y)其中，O(x,y)表示物光的光场分布，R(x,y)表示参考光的光场分布，*表示复共轭，|O(x,y)|²和|R(x,y)|²两项表示物光和参考光的强度，O(x,y)R^*(x,y)和O^*(x,y)R(x,y)包含相位信息。步骤S6包括一下环节：

S61、对数字全息图分别进行傅里叶变换，得到频谱图；

S62、对频谱图进行频谱搬移、频谱拼接等解调过程；

S63、使用角谱重建算法完成相位重建，所述角谱重建算法包括但不局限于角谱法，也可以为菲涅尔变换法、卷积法等常用重建算法。

本发明的有益效果如下:

(1)本发明采用多角度照明的方式提升了数字全息成像的分辨率。

(2)本发明采用将多光栅横向集成在一个窗口上，由步进电机移动，获得不同倾斜角度的物光。装置简单稳定，成本低。

(3)本发明对系统中的核心器件参数均无固定要求，如显微物镜、图像传感器，可根据不同的器件灵活使用现有系统，具有很强的商用价值。

附图说明

图1是一种基于多光栅窗口的超分辨数字全息成像系统示意图。

图2是实施例1中多光栅窗口的结构示意图。

图3是实施例1中光阑的结构示意图。

图4是图像传感器感光面上物光和参考光的入射角度示意图。

图5是实施例1中图像传感器采集到的6副数字全息图的频谱拼叠后的总频谱图。

图6是ω_c/ω_s在不同情况下的最优角度复用方案中拼叠后的总频谱图。

图7是在不同角度数量下频谱拼叠后的+1级频谱面积占频域总面积比重曲线图。

附图标记：1、激光器，2、第一透镜，3、针孔、4、第二透镜、5、第一非偏振棱镜，6、多光栅窗口，7、第三透镜，8、光阑，9、第四透镜，10、待测样品区域，11、物镜，12、第一反射镜，13、成像透镜，14、第五透镜，15、第二反射镜、16、第六透镜，17、第二非偏振分光棱镜，18、图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统的典型实施例。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明的一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，如图1所示，激光器1发出的光经过第一透镜2聚焦，经过针孔3滤波，通过第二透镜4准直成平行光，第一非偏振分光棱镜5选用的型号是50：50分光，50％能量的光透射，50％能量的光反射，通过第一非偏振分光棱镜5分为两束能量相同的光。

一束光正入射多光栅窗口6中的不同窗口，发生透射或衍射，经过第三透镜7聚焦后进入光阑8，只有特定角度的光可以通过光阑8，其余光被阻拦，通过光阑8的光经过第四透镜9准直为平行光入射待测样品10，光束经过样品后携带待测样品信息，经过物镜11，被第一反射镜12反射到成像透镜13，再经过第二非偏振分光棱镜17到达图像传感器18作为物光；

另一束光经过第五透镜14，由第二反射镜15反射经过第六透镜16形成平行光束，经过第二非偏振分光棱镜17，到达图像传感器18作为参考光。参考光与物光干涉后产生含有待测样品信息的干涉条纹被图像传感器18接收。

多光栅窗口6由步进电机移动切换不同窗口，产生不同角度的光束入射待测样品区域10，在图像传感器18上采集到6副数字全息图，通过算法重建样品相位分布，实现超分辨成像。

在本实施例中，多光栅窗口6如图2所示，由1个矩形孔和5个正弦型相位光栅构成，分别编号A0、A1、A2、A3、A4、A5以区分。

不同衍射级次对应的衍射角满足：Dsinα＝kλ；

其中，D为正弦型相位光栅的周期，k为衍射级次，α为k级衍射光对应的衍射角，λ为激光光束的波长。

在本实施例中，光阑8上开有6个小孔，结构如图3所示。其中，小孔p0、p1、p2、p3、p4、p5分别对应于多光栅窗口6中的窗口A0、A1、A2、A3、A4、A5。每个孔前附有可移动的遮光板，根据多光栅窗口6中位于光路中的窗口开启对应的小孔的遮光板，关闭其余小孔的遮光板。

本实施例中，所述激光器1是波长为632.8nm的固体激光器，包括但不限于固体激光器、气体激光器、半导体激光器等，波长可不限于632.8nm。在本实施例中物镜11采用放大倍数为40倍和数值孔径为0.65，包括但不限于放大倍数为40倍和数值孔径为0.65的物镜。在本实施例中图像传感器18为CCD，但不限于CCD，像素尺寸为4.3μm，但不限于4.3μm。

实施例2

基于上述实施例1提供的一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，本实施例提供一种基于多光栅的超分辨数字全息成像方法，该方法包括以下步骤：

S1、激光器1发出的光经过第一透镜2聚焦，经过针孔3滤波，通过第二透镜4准直成平行光，入射到第一非偏振分光棱镜5，形成物光和参考光；

S2、物光经过多光栅窗口6，发生透射或衍射，经过第三透镜7聚焦，只有特定角度的光能通过光阑8，再经过第四透镜9入射待测样品10携带待测样品信息，依次经过物镜11、第一反射镜12、成像透镜13进行放大，通过第二非偏振分光棱镜17到达图像传感器18；

S3、参考光依次经过第五透镜14、第二反射镜15、第六透镜16，经过第二非偏振分光棱镜17到达图像传感器18；

S4、物光和参考光经过第二非偏振分光棱镜17后相遇发生干涉，图像传感器18记录数字全息图；

S5、移动多光栅窗口6，使不同窗口位于光路中，物光以不同角度入射待测样品区域10，图像传感器18采集6幅数字全息图；

S6、对采集到的6幅数字全息图进行算法重建，获得待测样品信息，实现超分辨成像。其中，进行算法重建，具体是：

S61、对数字全息图分别进行傅里叶变换，得到频谱图；

S62、将频谱图进行频谱搬移、频谱拼接等解调过程；

S63、使用角谱重建算法完成样品相位重建。

在本实施例中，S63中重建算法包括但不限于角谱算法，可以为菲涅尔转换法、卷积法等常用重建算法。

本实施例中，物光和参考光经过第二非偏振分光棱镜17后相遇发生干涉，图像传感器18的记录干涉条纹，其光强分布H(x,y)表示为

H(x,y)＝|O(x,y)|²+|R(x,y)|²+O(x,y)R^*(x,y)+O^*(x,y)R(x,y)

其中，O(x,y)表示物光的光场分布，R(x,y)表示参考光的光场分布，*表示复共轭。上式中|O(x,y)|²和|R(x,y)|²两项表示物光和参考光的强度，称之为低频项。O(x,y)R^*(x,y)和O^*(x,y)R(x,y)包含相位信息，称之为高频项。对上述光强分布H(x,y)进行傅里叶变换：

其中，u、v是频域中的横纵坐标FT表示傅里叶变换，δ表示冲激函数，物光和参考光的传播方向为z方向，xoy面为垂直于z方向的平面，θ_Ox和θ_Oy分别代表物光入射到图像传感器18时在xoz面和yoz面上的投影与z方向的夹角，θ_Rx和θ_Ry分别代表参考光入射到图像传感器18时在xoz面和yoz面上的投影与z方向的夹角，如图4所示，表示卷积运算。

在频域中，低频项中心始终在原点，高频项中心的坐标分别为：

图像传感器18的最大截止角频率为ω_c，其具体表达式为：

其中，ω_c,u和ω_c,v表示图像传感器18在x和y方向上的最大截止角频率，Δx和Δy分别为图像传感器18在x方向和y方向上的像元尺寸。

其中，物空间的最大空间角频率ω_s，表达式为：

其中，NA为物镜11的数值孔径，M为物镜11的放大倍数。

实施例1中的所获得的多幅数字全息图经频谱搬移、拼接后的频谱图，如图5所示。其中，b0，b1，b2，b3，b4，b5分别对应于光经过多光栅窗口6中窗口A0，A1，A2，A3，A4，A5时拍摄的数字全息图的高频项，b0^*，b1^*，b2^*，b3^*，b4^*，b5^*分别为b0，b1，b2，b3，b4，b5的共轭像。

针对不同参数的物镜和图像传感器，根据ω_c/ω_s的大小，使用不同的角度数量，最大化利用图像传感器的空间带宽积，实现超分辨成像，分为以下三种情况：当3.12<≤4.21，采用3个角度；当4.21<≤4.60，采用5个角度；当4.60<，采用6个角度。图6为上述三种情况下的最优角度复用方案中拼叠后的总频谱图。图7为采用不同角度数量，频谱拼叠后+1级频域面积占总频域面积的比重随着的变化情况。

尽管参考特定实例详细描述了本发明，在此描述的本发明实例的意图不是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变形例和修改例。

Claims (10)

1.一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：待测样品放置在待测样品区域(10)，激光器(1)发出的光经过第一透镜(2)聚焦，经过针孔(3)滤波，通过第二透镜(4)准直成平行光，通过第一非偏振分光棱镜(5)分为两束能量相同的光；

一束光正入射多光栅窗口(6)中不同窗口，发生透射或衍射，经过第三透镜(7)聚焦于光阑(8)处，通过光阑(8)的光经过第四透镜(9)准直为平行光入射待测样品区域(10)并携带待测样品信息，经过物镜(11)、第一反射镜(12)和成像透镜(13)，再经过第二非偏振分光棱镜(17)到达图像传感器(18)作为物光；

另一束光经过第五透镜(14)，由第二反射镜(15)反射后经过第六透镜(16)形成平行光束，经过第二非偏振分光棱镜(17)，到达图像传感器(18)作为参考光；

多光栅窗口(6)设置在第三透镜(7)的物方焦面上，光阑(8)设置在第三透镜(7)的像方焦面和第四透镜(9)的物方焦面上，物光与参考光干涉后形成的全息图被图像传感器(18)采集，移动多光栅窗口(6)，物光以不同角度入射图像传感器(18)，获得多副数字全息图用算法重建样品相位分布，实现超分辨成像。

2.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)包括一个矩形孔窗口和多个依次横向排列的光栅窗口。

3.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)中的光栅包括但不局限于正弦型相位光栅。

4.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)通过步进电机移动并切换不同窗口使其位于光路中。

5.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：光阑(8)开有小孔，其位置对应于多光栅窗口(6)中不同窗口产生的透射光或+1级衍射光经过第三透镜(7)在光阑(8)的聚焦处。

6.如权利要求5的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：光阑(8)中每个小孔前附有可移动的遮光板，根据多光栅窗口(6)中处于光路中的窗口进行调节。

7.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：待测样品区域(10)设置在第四透镜(9)的像方焦面和物镜(11)的物方焦面上。

8.如权利要求1的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：图像传感器(18)放置于成像透镜(13)的像方焦面上。

9.基于权利要求1-8任一项所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统的成像方法，其特征在于：将待测样品置于待测样品区域(10)，成像方法包括如下步骤，

S1、激光器(1)发出激光光束经过第一透镜(2)聚焦，经过针孔(3)滤波，通过第二透镜(4)准直成平行光，入射到第一非偏振分光棱镜(5)，形成物光和参考光；

S2、物光经过多光栅窗口(6)发生透射或衍射，经过第三透镜(7)聚焦通过光阑(8)，其中，光阑(8)只允许特定角度的光通过，其余光被阻拦，再经过第四透镜(9)准直成平行光照射待测样品区域(10)携带待测样品信息，依次经过物镜(11)、第一反射镜(12)、成像透镜(13)进行放大，通过第二非偏振分光棱镜(17)到达图像传感器(18)；

S3、参考光依次经过第五透镜(14)、第二反射镜(15)、第六透镜(16)，经过第二非偏振分光棱镜(17)到达图像传感器(18)；

S4、物光和参考光发生干涉形成干涉条纹，图像传感器(18)记录全息图；

S5、移动多光栅窗口(6)，物光以不同角度入射待测样品区域(10)，图像传感器(18)上采集到多幅数字全息图；

S6、对采集到的多幅数字全息图进行算法重建，获得待测样品的信息，实现超分辨成像。

10.如权利要求9所述的成像方法，其特征在于：步骤S4中，

物光和参考光经过第二非偏振分光棱镜17后相遇发生干涉，图像传感器18的记录干涉条纹，其光强分布H(x,y)表示为：

H(x,y)＝|O(x,y)|²+|R(x,y)|²+O(x,y)R^*(x,y)+O^*(x,y)R(x,y)，

其中，O(x,y)表示物光的光场分布，R(x,y)表示参考光的光场分布，*表示复共轭，|O(x,y)|²和|R(x,y)|²两项表示物光和参考光的强度，O(x,y)R^*(x,y)和O^*(x,y)R(x,y)包含相位信息。