CN207675118U - 数字全息三维显微系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种数字全息三维显微系统，所述数字全息三维显微系统包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源。该实用新型实现高速了的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。

Description

数字全息三维显微系统

技术领域

本实用新型属于数字全息技术领域，尤其涉及一种能够获取彩色显微图像的数字全息三维显微系统。

背景技术

数字全息是利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，它将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。

进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。首先，使用可干涉距离较长的激光作为光源，使用分光器将一束激光分为两束，由于分光器的物理光学特性，分开的两束激光光波相位可认为相同或者相位差非常微小。其次，其中一束激光不透过任何物体或者不经过物体反射，在空间中传播，称为参照光；而另一束激光透过透明物体或者经过不透明物体的反射后在空间中传播，称为物体光；参照光和物体光传播到另外一个分光器上并进行合成，以相同光轴相同传播方向照射到数字相机传感器的相同位置上。参照光由于无阻碍地在空间中进行传播，照射到数字相机传感器上时的相位可认为与激光器发出的激光初始相位相同，可认为参照光相位值为0；物体光由于经过不透明物体表面反射或者透明物体透射而发生相位的改变。根据光学干涉条件，两列传播方向相同、路径相同、波长相同、相位差恒定、偏振方向相同的光波可在空间中形成明暗相间的干涉条纹，因此参照光和物体光在数字相机传感器表面上形成干涉条纹，其明暗振幅呈余弦波(cos)，其相位取决于物体光和参照光相位差的大小。进一步地，数字相机传感器将干涉条纹进行数字化，以数字图像的形式记录物体光和参照光的干涉条纹。由于数字相机传感器仅能够记录光强信息，因此对于余弦波(cos)振幅变化的干涉条纹，无法分辨物体光和参照光相位差的正与负。而在三维重建时正的相位差表示相对参照平面突起的形状，负的相位差表示相对参照平面凹陷的形状，因此为了精确计算相位差的正与负，必须使用数字菲涅耳衍射变换对干涉条纹进行数学计算，再通过菲涅耳变换域的带通滤波，得到正确的带有符号的相位差。最后，相位差变化2pi (即360°)表示与参照平面产生了一个光波长的距离差(光程差)，这就是干涉测量，利用干涉测量方法，当相位差变化超过2pi时则需要使用相位连接方法，这样就能够实现不透明物体表面形状或者透明物体形状的三维重建。由于可见光的波长单位为纳米，因此，数字全息三维测量能够实现纳米级超精密三维测量。

目前，数字全息三维显微镜作为世界上最先进的超精密三维测量显微设备，越来越多地被利用到基础医学、生命科学以及精密器件检测等领域当中。但是现有数字全息三维显微镜使用单色激光作为光源，却无法实现在进行三维测量时采集彩色显微图像，并将彩色显微图像作为三维重建数字模型的纹理，与三维信息一同显示。由于只能显示黑白图像或者根据高度信息生成的伪彩色图像，数字全息三维显微镜无法像相位差显微镜等光学显微镜那样为观察者提供直观的观测物色彩信息，从而限制了数字全息三维显微镜的应用范围。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种数字全息三维显微系统以及彩色显微图像纹理的获取方法，该实用新型设置有彩照光源，数字全息三维测量使用单色光源，彩色纹理图像采集时关闭单色光源，使用彩照光源，两个光源高速切换，数字相机高速采集干涉条纹及彩色纹理图像，实现高速的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种数字全息三维显微系统，包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。

作为本实用新型的进一步优化，所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、聚光镜、透明目标物、显微镜物镜、第二非偏振分光器以及成像透镜，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述透明目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。

作为本实用新型的进一步优化，所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。

作为本实用新型的进一步优化，所述单色光源与所述彩照光源电性连接有控制器，所述控制器包括可采集输入指令的采集模块，以及可将采集信号转化为控制指令的控制模块，所述采集模块电性连接所述控制模块，所述控制模块分别连接于所述单色光源和所述彩照光源，以控制单色光源和彩照光源的开关。

作为本实用新型的进一步优化，所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。

作为本实用新型的进一步优化，所述单色光源与所述分光单元之间设置有 1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。

作为本实用新型的进一步优化，所述彩照光源为LED显微镜光源。

一种彩色显微图像纹理的获取方法，利用上述任一项实施例所述数字全息三维显微系统，控制数字全息三维显微系统的单色光源与彩照光源相互切换，使数字相机传感器采集干涉条纹及彩色纹理图像，以实现具备彩色显微图像纹理的数字全息三维测量。

作为本实用新型的进一步优化，包括以下步骤：S0：控制器控制单色光源开启，并关闭彩照光源，此时数字相机传感器拍摄物体光与参照光的干涉条纹，并开始单次曝光的相移数字全息三维测量计算；S1：控制器控制单色光源关闭并打开彩照光源，数字相机传感器拍摄彩色显微图像，等待数字全息三维测量计算完成；S2：数字全息三维测量计算完成，并生成三维重建的数字模型，将采集到的彩色显微图像作为纹理加入三维数字模型，同时显示于控制器上，则观察者看到被测物体的三维立体形状，同时观测到被测物体的彩色显微信息。

作为本实用新型的进一步优化，在步骤S1中，具体为：控制器控制单色光源关闭，并打开彩照光源，彩照光源发射的光线通过第一非偏振分光器与聚光透镜，透过透明目标物或不透明目标物，照射入显微镜物镜，切换数字相机传感器为彩色传感器，物体光通过成像透镜在数字相机传感器上成像，以拍摄彩色二维显微图像。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：本实用新型设置有彩照光源，数字全息三维测量使用单色光源，彩色纹理图像采集时关闭单色光源，使用彩照光源，两个光源高速切换，数字相机高速采集干涉条纹及彩色纹理图像，实现高速的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型数字全息三维显微系统第一种实施例下单色光源开启的示意图；

图2为本实用新型数字全息三维显微系统第一种实施例下彩照光源开启的示意图；

图3为本实用新型数字全息三维显微系统第二种实施例下单色光源开启的示意图；

图4为本实用新型数字全息三维显微系统第二种实施例下彩照光源开启的示意图；

图5为本实用新型数字全息三维显微系统中控制器的模块示意图。

以上各图中：1、单色光源；2、分光单元；3、合光单元；4、数字相机传感器；41、调光单元；42、偏振板；5、参照光传输光路；51、第一非偏振分光器；52、聚光镜；53、透明目标物；54、显微镜物镜；55、第二非偏振分光器； 56、成像透镜；57、不透明目标物；6、物体光传输光路；7、彩照光源；8、控制器；81、采集模块；82、控制模块；9、1/2波长板；10、平面反射镜；11、1/4波长板。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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实用新型中的具体含义。

参见图1-图4所示，本实用新型提供了一种数字全息三维显微系统，该数字全息三维显微系统包括可发射线偏振光的单色光源1，可将所述单色光源1发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元2，以及可将参照光与物体光合并的合光单元3，所述合光单元3的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器4，所述分光单元2与所述合光单元3之间形成有参照光传输光路5以及物体光传输光路6，所述物体光传输光路5的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源7；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。

本实用新型的技术方案，通过加设彩照光源，在数字全息三维测量时使用单色光源，彩色纹理图像采集时关闭单色光源，使用彩照光源，两个光源高速切换，数字相机高速采集干涉条纹及彩色纹理图像，进而实现了高速的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。

如图1所示，所述物体光传输光路5包括顺次设置的第一非偏振分光器51、聚光镜52、透明目标物53、显微镜物镜54、第二非偏振分光器55以及成像透镜56，所述第一非偏振分光器51与所述第二非偏振分光器55对称设于所述透明目标物53两侧，所述第一非偏振分光器51与所述合光单元3分别设置于所述分光单元2的两个垂直的光线出射端。

在该种实施例下，当进行三维测量时，关闭彩照光源，打开单色光源，单色光源发出的光线通过1/2波长板进行偏振方向的调整，通过分光单元分为两束，一束水平偏振光通过第一非偏振分光器被反射，通过聚光镜聚，透过细胞等透明目标物，聚焦于显微镜物镜的焦点上，因物镜倍率越大成像光强越弱，所以这样能够保证高倍率物镜也能够有较亮的成像。显微镜物镜输出的光通过第一非偏振分光器进行反射，形成水平偏振物体光，并通过成像透镜，在数字相机传感器上进行成像；另一束垂直偏振光直接在空间中传播，成为垂直偏振参照光，并与水平偏振物体光通过合光单元进行合成，成为同一光轴上传播方向相同，波长相同，相位差恒定的光，但是此时由于偏振方向呈正交，因此参照光和物体光不发生干涉。参照光和物体光通过1/4波长板变为旋转方向相反的圆偏振光，通过偏振板变为传播方向相同，光轴相同，波长相同，偏振方向相同，相位差恒定的光，并在数字相机传感器上发生干涉。数字相机拍摄干涉条纹，利用单次曝光数字全息三维测量法进行实时三维测量。

当进行二维彩色显微图像纹理采集时，关闭单色光源，打开彩照光源，彩照光源发出的光线通过第一非偏振分光器与聚光透镜，透过细胞等透明目标物，照射入显微镜物镜，并通过成像透镜在数字相机传感器上成像。此时数字相机传感器需采用彩色传感器以拍摄彩色二维显微图像。由于彩照光源透过多个光学器件会有一定的光强衰减，因此优选的采用3-10W功率的高亮LED作为显微镜光源。

上述中，优选的，所述彩照光源7为LED显微镜光源。

如图3所示，所述物体光传输光路包括不透明目标物57，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。另外，在该种实施例下，所述参照光管路6上在分光单元2之后依次设置有1/4波长板11以及平面反射镜10。

在该种实施例下，其光路原理与在透明目标物的实施例下原理一致，在此不再赘述。只是需要微调整的是，在图3所示的实施例下，参照光光路上的光线经过1/4波长板11后经过平面反光镜10之后再反射回来。

参见图5所示，本实用新型的上述方案，进一步所述单色光源1与所述彩照光源7电性连接有控制器8，所述控制器8包括可采集输入指令的采集模块 81，以及可将采集信号转化为控制指令的控制模块82，所述采集模块81电性连接所述控制模块82，所述控制模块82分别连接于所述单色光源1和所述彩照光源7，以控制单色光源和彩照光源的开关。

优选的，上述中，所述分光单元2与所述合光单元3均为偏振分光器。而所述单色光源1与所述分光单元2之间设置有1/2波长板9，以发出具有一定偏振角的线偏振光。

另外，在本实用新型在合光单元3与数字相机传感器4之间设置有偏振检波器，该偏振检波器由调光单元41和偏振板42组成，自合光单元4射出的垂直偏振参照光和水平偏振物体光首先通过调光单元41，由线偏振光变为圆偏振光，此时，由于二者进入调光单元时的偏振方向不同，透过调光单元41时圆偏振的初始旋转方向相反，因此在空间中传播时圆偏振参照光和圆偏振物体光的偏振旋转方向相反，同时，由于二者偏振方向相反，因此不发生干涉现象。圆偏振参照光和圆偏振物体光透过偏振板42，成为线偏振参照光以及线偏振物体光，以相同偏振方向传播到数字相机传感器4的平面上，此时，由于二者偏振方向相同，相位差恒定，波长相同，传播方向相同，因此发生干涉现象。因光学器件表面多次反射等光学噪声的偏振方向不与入射的参照光和物体光相同，因此不可能在数字相机传感器4上与参照光和物体光一同发生干涉现象，以此可以通过光学的方法获得噪声小精度高的清晰干涉条纹，解决了普通光学干涉中信噪比小的问题，为精确数字全息三维测量提供了优质基础。

另一方面，偏振检波器中的偏振板42具有锁定圆偏振参照光和圆偏振物体光相位差的能力，在由于物体本身产生的物体光与参照光相位差之外，增加额外的设定相位差，实现相移干涉条纹的生成。

另外，本实用新型还提出了一种彩色显微图像纹理的获取方法，利用上述任一种实施例中所述数字全息三维显微系统，具体方法为：控制数字全息三维显微系统的单色光源与彩照光源相互切换，使数字相机传感器采集干涉条纹及彩色纹理图像，以实现具备彩色显微图像纹理的数字全息三维测量。

进一步细化，本实用新型彩色显微图像纹理的获取方法，具体包括以下步骤：

S0：控制器控制单色光源开启，并关闭彩照光源，此时数字相机传感器拍摄物体光与参照光的干涉条纹，并开始单次曝光的相移数字全息三维测量计算；

S1：控制器控制单色光源关闭并打开彩照光源，数字相机传感器拍摄彩色显微图像，等待数字全息三维测量计算完成；

S2：数字全息三维测量计算完成，并生成三维重建的数字模型，将采集到的彩色显微图像作为纹理加入三维数字模型，同时显示于控制器上，则观察者看到被测物体的三维立体形状，同时观测到被测物体的彩色显微信息。

另外，在步骤S1中，具体为：控制器控制单色光源关闭，并打开彩照光源，彩照光源发射的光线通过第一非偏振分光器与聚光透镜，透过透明目标物或不透明目标物，照射入显微镜物镜，切换数字相机传感器为彩色传感器，物体光通过成像透镜在数字相机传感器上成像，以拍摄彩色二维显微图像。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种数字全息三维显微系统，包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。

2.根据权利要求1所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、聚光镜、透明目标物、显微镜物镜、第二非偏振分光器以及成像透镜，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述透明目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。

3.根据权利要求1所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。

4.根据权利要求1-3中任一项所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述单色光源与所述彩照光源电性连接有控制器，所述控制器包括可采集输入指令的采集模块，以及可将采集信号转化为控制指令的控制模块，所述采集模块电性连接所述控制模块，所述控制模块分别连接于所述单色光源和所述彩照光源，以控制单色光源和彩照光源的开关。

5.根据权利要求1-3中任一项所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述单色光源与所述分光单元之间设置有1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。

7.根据权利要求1所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述彩照光源为LED显微镜光源。