一種基于渦旋光照明的暗場數字全息顯微裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種暗場數字全息技術記錄禍旋光照明時小球的散射光與球面波參 考光的干設條紋，具體設及一種基于禍旋光照明的暗場數字全息顯微裝置及其方法，屬于 數字全息技術領域。
【背景技術】
[0002] 數字全息技術是計算機技術和傳統(tǒng)光學全息相結合的產物，采用數字化的記錄和 再現方法，能夠較為方便地獲取物體的振幅信息和相位信息，數字全息是用光電傳感器件 (如CCD或CMO巧代替干板記錄全息圖，然后將全息圖存入計算機，用計算機模擬光學衍射 過程來實現被記錄物體的全息再現和處理。數字全息與傳統(tǒng)光學全息相比具有制作成本 低，成像速度快，記錄和再現靈活等優(yōu)點。近年來，隨著計算機技術特別是高分辨率CCD制 造加工工藝的發(fā)展，數字全息技術及其應用受到越來越多的關注，其應用范圍已設及形貌 測量、變形測量、粒子場測試、數字顯微、防偽、S維圖像識別、醫(yī)學診斷等諸多領域。
[0003] 人們在數字全息技術的基礎上提出了一種暗場數字全息顯微成像技術。相對于 明場數字全息顯微成像技術而言，暗場數字全息顯微成像技術不僅可W增強顯微成像的 對比度，而且還可W提高成像的分辨率。因此，它可W很好地彌補明場顯微成像技術的不 足。Dubois等人從實驗角度驗證了暗場數字全息顯微成像技術可W提高成像的分辨率。 Faridian等人在暗場數字全息顯微成像技術中引入了變化的散斑場照明，通過多幅全息再 現疊加取均值的方法克服了散斑噪聲，增強了顯微成像的對比度，同樣也提高了成像分辨 率。W上幾種暗場數字全息顯微成像系統(tǒng)中均是通過采用制作特定尺寸的圓形掩膜或者利 用環(huán)形反射鏡，將擴束后的高斯光整形成環(huán)形光作為物體的照明光，使之匹配暗場顯微物 鏡。然而，高斯光束的能量主要集中在光斑中屯、區(qū)域，上述該些方法均只保留了其邊緣環(huán)形 部分，丟失大部分能量，致使照明光的強度減弱；而且，該些方法產生的照明光在傳播過程 中衍射產生旁瓣相對較強，容易受到管鏡內壁的反射產生雜散光，使得成像時產生背景噪 聲；同時，在對微小物體成像時產生較強的衍射效應。W上該些因素的存在降低了系統(tǒng)成像 的對比度和分辨率。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服W上現有技術的缺點，本發(fā)明提供了一種基于禍旋光照明的暗場數字全 息顯微裝置及其方法，可W有效地提高數字全息系統(tǒng)的分辨率，增強再現像的對比度。
[0005] 本發(fā)明的實現分為=步，首先利用禍旋光入射到暗場顯微物鏡后形成的環(huán)形光 錐照明物體，接著，數字全息技術將物體的散射光與參考光的干設條紋通過光電禪合器件 (CCD或CM0巧記錄到計算機中，最后再利用數字重構技術重構出物體的像。
[0006] 本發(fā)明裝置采用的技術方案如下：
[0007] 一種基于禍旋光照明的暗場數字全息顯微裝置，包括激光器、分光棱鏡I、分光棱 鏡II、平面反射鏡、顯微物鏡空間濾波器、顯微物鏡I、傅里葉透鏡、光闊、分光棱鏡III、空 間光調制器、暗場顯微物鏡、小球樣本、顯微物鏡II、分光棱鏡IV和光電禪合器件；其中，激 光器出射的激光照射在分光棱鏡I上，兩者的距離為0. 15-0. 2m ;分光棱鏡I、分光棱鏡II、 分光棱鏡III和分光棱鏡IV在光學平臺上構成一個矩形光路；分光棱鏡I與分光棱鏡II 在同一條水平線上，兩者的距離為1. 00-1. 10m ;分光棱鏡I與分光棱鏡III在同一條垂直 線上，分光棱鏡III與分光棱鏡IV在同一條水平線上，分光棱鏡II與分光棱鏡IV在同一 條垂直線上；
[000引分光棱鏡I與分光棱鏡III之間依次設有顯微物鏡空間濾波器、傅里葉透鏡和光 闊，傅里葉透鏡的前焦面位于顯微物鏡空間濾波器的出瞳位置，顯微物鏡空間濾波器與分 光棱鏡I之間的距離為0. 15-0. 20m，光闊與傅里葉透鏡之間的距離為0. 05-0. 08m，光闊與 分光棱鏡III之間的距離為0. 08-0. 15m ;所述空間光調制器設置在分光棱鏡III的后方， 兩者之間的距離為0. 15-0. 20m ;
[0009] 分光棱鏡III與分光棱鏡IV之間依次設有暗場顯微物鏡、小球樣本和顯微物鏡 II，小球樣本位于暗場顯微物鏡的后焦面上，顯微物鏡II的前焦面和小球樣本平面重合， 暗場顯微物鏡與分光棱鏡III之間的距離為0. 25-0. 30m ;所述光電禪合器件設置在分光 棱鏡IV的后方并與小球樣本為物像共輛關系，光電禪合器件與分光棱鏡IV之間的距離為 0. 1-0. 2m ；
[0010] 分光棱鏡II與分光棱鏡IV之間設有顯微物鏡I，顯微物鏡I與分光棱鏡II 之間的距離為0. 15-0. 20m;所述平面反射鏡設置在分光棱鏡II的后方，兩者的距離為 0. 15-0. 20m〇
[0011] 本發(fā)明利用上述裝置的方法，包括如下步驟：
[0012] A、搭建所述數字全息顯微裝置，打開激光器、空間光調制器和光電禪合器件的電 源；
[0013] B、激光器發(fā)出的激光通過分光棱鏡I后分為水平和垂直兩束，水平一路激光依次 通過分光棱鏡II和平面反射鏡反射到顯微物鏡I中；垂直一路激光由顯微物鏡空間濾波器 擴束濾波后由高斯光束變?yōu)榍蛎娌?，球面波經傅里葉透鏡準直變成平面波；
[0014] C、由傅里葉透鏡射出的平面波光束依次通過光闊、分光棱鏡III到達空間光調制 器的表面；
[0015] D、利用電腦驅動，在空間光調制器上加載一幅叉形光柵，W調制出禍旋光，由空間 光調制器調制成的禍旋光經過分光棱鏡III的反射，到達暗場顯微物鏡中；
[0016] E、禍旋光經過暗場顯微物鏡會聚后的環(huán)形光錐照明小球樣本，得到的小球的散射 光被顯微物鏡II接收成像在光電禪合器件表面，該一路為物光；
[0017] F、由顯微物鏡I發(fā)散的球面波經過分光棱鏡IV的反射后到達光電禪合器件的表 面，該一路為參考光；
[001引 G、在光電禪合器件表面，物光和參考光干設產生干設條紋，調節(jié)分光棱鏡IV對參 考光束的反射角度，使物光和參考光夾角合適，光電禪合器件表面上出現的干設條紋均勻 穩(wěn)定，并使用電腦驅動光電禪合器件將干設條紋記錄到磁盤驅動器；
[0019] H、將光電禪合器件記錄的干設條紋，即全息圖，讀入MTLAB軟件中，具體流程如 下；a)頻譜獲?。粚θD進行傅里葉變換，得到頻域中全息圖的正一級或者負一級頻譜； b)頻譜分離；為了消除零級項和共輛項的干擾，采用頻域濾波的方式提取頻域中正一級頻 譜或者負一級頻譜；c)數字再現：在MATLAB軟件中對提取出來的頻譜進行逆傅里葉變換得 到物光波的復振幅；d)瑞利判據；根據瑞利判據，判定小球樣本中相鄰的小球分辨情況，得 到能夠判定或者不能判定的結論，如果能判定出相鄰的兩個或多個小球則說明該系統(tǒng)分辨 率達到或超過小球樣本中小球的直徑，如果不能判定出相鄰的兩個或多個小球則說明該系 統(tǒng)分辨率無法達到小球樣本中小球的直徑；
[0020] I、更換不同尺寸直徑的小球樣本，重復G-H步驟，測定出該系統(tǒng)的最高分辨率。
[002U 本發(fā)明W數字全息技術手段，利用禍旋光環(huán)形照明原理和暗場顯微成像原理，采 用直徑為690nm的聚苯己締小球作為實驗樣品，使用改進型馬赫曾德干設儀獲取小球散射 光與球面波參考光的干設圖樣，然后在計算機中進行數值計算獲得小球的再現像；與傳統(tǒng) 的明場數字全息顯微成像方法相比，本發(fā)明具有高分辨率和高對比度等優(yōu)勢，適用于實驗 室中研究禍旋光束的性質、觀察微小相位物體等領域。本發(fā)明的有益效果在于：
[0022] (1)通過本發(fā)明的實施，在其他實驗器件不足或受限的情況下，可W利用實驗室中 常見的激光器、分光棱鏡、暗場顯微物鏡、反射鏡及光電禪合器件等就可W觀察微小相位物 體，為進一步觀察并研究微小相位物