基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量、成像技術(shù)，特別是一種基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式 顯微成像裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體器件、微光學(xué)元件、微光機(jī)電系統(tǒng)等微結(jié)構(gòu)元件的廣泛應(yīng)用，需要一 種具有高分辨率、高精度、非接觸、無(wú)損快捷等特性的測(cè)量手段對(duì)其進(jìn)行深入檢測(cè)，如物體 Ξ維形貌、表面缺陷、裂縫、面形誤差等方面。在物體表面形貌測(cè)量中，數(shù)字全息顯微術(shù)具 有非接觸、無(wú)損傷、高分辨率W及處理迅速等優(yōu)點(diǎn)尤其是隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展， CCD和CMOS性能的不斷提高，W及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字全息顯微術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān) 注，應(yīng)用前景也越來(lái)越廣泛。
[0003] 但由于數(shù)字全息術(shù)采用的是反正切函數(shù)來(lái)計(jì)算物體的相位分布，故受函數(shù)周期性 W及主值區(qū)間的限制，當(dāng)光通過物體后產(chǎn)生的最大光程差大于所用記錄光波波長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算 獲得的物體相位分布都是包裹在之間的，稱為包裹圖像，所W還需要進(jìn)行相位解包裹來(lái)恢 復(fù)被測(cè)物體的實(shí)際相位分布。但是當(dāng)前的相位解包裹算法大多存在一定的問題，尚未尋找 到一種誤差較小且廣泛適用的算法，運(yùn)使得物體表面形貌的測(cè)量具有一定難度，尤其是對(duì) 于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者表面梯度較大的物體。如果使用的記錄波長(zhǎng)大于最大光程差，就可W 直接展開相位，不再需要解包裹處理。但運(yùn)只適用于少數(shù)情況，大多數(shù)測(cè)量中并不存在如 此長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光器。隨著數(shù)字全息研究熱點(diǎn)的高漲，國(guó)外各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)相位解包裹 的理論和方法做了很多的研究工作。二維相位解包裹的研究始于20世紀(jì)70年代末，90年 代后，由于二維圖像處理的需要，二維相位解包裹技術(shù)得到迅速發(fā)展。二維相位去包裹 可W通過化keda提出的行列逐點(diǎn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是最早的二維相位去包裹算法，運(yùn)一算法 是根據(jù)相位解包裹的原始意圖得到的，即通過逐點(diǎn)積分實(shí)現(xiàn)的。但行列逐點(diǎn)算法只能對(duì)理 想無(wú)誤差的圖像正確快速地去包裹，對(duì)實(shí)際測(cè)量獲得的包裹圖處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真現(xiàn) 象。為此，國(guó)內(nèi)外經(jīng)過大量的研究，提出了針對(duì)各種情況的二維相位解包裹算法，迄今為止 算法的種類已經(jīng)不下40種。比如2006年西北工業(yè)大學(xué)的王軍等人提出了相位圖去包裹的 一種新的綜合方法（[1]王軍，趙建林，范埼等.相位圖去包裹的一種新的綜合方法.中 國(guó)激光.2006, 33化）：795-799)。建立了一個(gè)消除局部不連續(xù)點(diǎn)的模型，可有效地消除包裹 相位圖中的不連續(xù)點(diǎn)。國(guó)防科大的雷志輝等人提出一種基于雙頻投影條紋的全自動(dòng)相位 解包裹方法（[2]雷志輝，李健兵.基于雙頻投影條紋的全自動(dòng)相位解包裹方法.光學(xué)學(xué) 報(bào).2006, 26(1) :39-42)，推導(dǎo)了利用該雙頻條紋的相位主值獲取真實(shí)相位場(chǎng)的公式。在利 用公式進(jìn)行解包裹時(shí)，各點(diǎn)的相位求取都是單獨(dú)進(jìn)行的，因此不會(huì)出現(xiàn)誤差傳遞的現(xiàn)象，同 時(shí)求解的相位場(chǎng)保持了相移法求解的相位精度。但是運(yùn)些方法在相位精確解包裹的同時(shí)， 大多算法復(fù)雜，計(jì)算量大。如何實(shí)現(xiàn)精度又高速度又快的相位解包裹成為了數(shù)字全息顯微 成像中一項(xiàng)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置及 其方法，W解決數(shù)字全息顯微成像中快速相位解包裹問題。 陽(yáng)〇化]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微 成像裝置，包括第一激光器、第二激光器、第一分束鏡、第一集光鏡、第一聚光鏡針孔光闊、 第一聚光鏡、第一平面鏡、顯微物鏡、鏡筒透鏡、第二集光鏡、第二聚光鏡針孔光闊、第二聚 光鏡、衰減片、第二平面鏡、第二分束鏡、相機(jī)、第Ξ平面鏡，其中第一分束鏡將第一激光器 發(fā)出的激光分成兩路，其中一路激光經(jīng)過第一集光鏡匯聚到第一聚光鏡針孔光闊，光通過 第一聚光鏡針孔光闊發(fā)散后被第一聚光鏡收集變成平行光經(jīng)過第一平面鏡反射照射待測(cè) 樣品，透射過待測(cè)樣品的光被顯微物鏡收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡放大再次變成平行光經(jīng)過第 二分束鏡反射后垂直照射相機(jī)的成像平面，運(yùn)一路稱為物光；另一路激光經(jīng)過第二集光鏡 匯聚到第二聚光鏡針孔光闊，光通過第二聚光鏡針孔光闊發(fā)散后被第二聚光鏡收集變成平 行光，再經(jīng)過衰減片衰減和第二平面鏡反射后傾斜照射相機(jī)的成像平面，運(yùn)一路參考光與 物光干設(shè)，形成的干設(shè)圖由相機(jī)記錄下來(lái)；與此同時(shí)，第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第Ξ平面 鏡反射后經(jīng)過第一分束鏡被反射，然后和第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過相同的光路，在相機(jī) 成像平面形成干設(shè)圖并被記錄下來(lái)。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)采用了雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)，使用兩個(gè) 不同波長(zhǎng)的激光同時(shí)照射待測(cè)樣品，并用一個(gè)彩色相機(jī)在兩個(gè)不同顏色通道中同時(shí)采集到 兩幅全息干設(shè)圖，然后分別求出兩個(gè)波長(zhǎng)下的包裹相位圖，最終再用運(yùn)兩幅雙波長(zhǎng)包裹相 位圖光學(xué)解包裹，求出樣品的非包裹相位圖。（2)使用本發(fā)明進(jìn)行數(shù)字全息顯微成像，避免 了復(fù)雜的相位解包裹過程，降低了后期計(jì)算處理的復(fù)雜度，提高了相位重建精度。
[0007] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0008] 圖1 (a)-圖1化）為基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置的兩種等價(jià) 裝置的示意圖：圖1(a)是使用分束鏡進(jìn)行分光的一種基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式 顯微成像裝置的示意圖；圖1(b)是使用光纖與光纖分路器進(jìn)行分光的一種基于雙波長(zhǎng)數(shù) 字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置的示意圖。
[0009] 圖2 (a)-圖2 (f)為利用基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置對(duì)人體 巨隧細(xì)胞進(jìn)行數(shù)字全息顯微成像的結(jié)果：圖2(a)是彩色相機(jī)拍攝到的原始干設(shè)圖中紅色 通道的部分，即紅色激光形成的干設(shè)圖；圖2(b)是圖2(a)經(jīng)過傅立葉變換的頻譜，圖中用 小框框出的是+1級(jí)譜；圖2 (C)是+1級(jí)譜平移到頻譜中央后的結(jié)果；圖2 (d)是利用傅立葉 逆變換求出的物體在紅光下的包裹相位分布圖；圖2(e)是利用傅立葉逆變換求出的物體 在綠光下的包裹相位分布圖；圖2(f)是利用雙波長(zhǎng)光學(xué)解包裹求出的物體的非包裹相位 分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 如圖1(a)所示，本發(fā)明基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置，包括第 一激光器1、第二激光器17、第一分束鏡2、第一集光鏡3、第一聚光鏡針孔光闊4、第一聚光 鏡5、第一平面鏡6、顯微物鏡8、鏡筒透鏡9、第二集光鏡10、第二聚光鏡針孔光闊11、第二 聚光鏡12、衰減片13、第二平面鏡14、第二分束鏡15、相機(jī)16、第Ξ平面鏡18,其中第一分 束鏡2將第一激光器1發(fā)出的激光分成兩路，其中一路激光經(jīng)過第一集光鏡3匯聚到第一 聚光鏡針孔光闊4,光通過第一聚光鏡針孔光闊4發(fā)散后被第一聚光鏡5收集變成平行光經(jīng) 過第一平面鏡6反射照射待測(cè)樣品7,透射過待測(cè)樣品7的光被顯微物鏡8收集，并經(jīng)過鏡 筒透鏡9放大再次變成平行光經(jīng)過第二分束鏡15反射后垂直照射相機(jī)16的成像平面，運(yùn) 一路稱為物光；另一路激光經(jīng)過第二集光鏡10匯聚到第二聚光鏡針孔光闊11，光通過第二 聚光鏡針孔光闊11發(fā)散后被第二聚光鏡12收集變成平行光，再經(jīng)過衰減片13衰減和第二 平面鏡14反射后傾斜照射相機(jī)16的成像平面，運(yùn)一路參考光與物光干設(shè)，形成的干設(shè)圖由 相機(jī)16記錄下來(lái)；與此同時(shí)，第二激光器17發(fā)出的激光經(jīng)過第Ξ平面鏡18反射后經(jīng)過第 一分束鏡2被反射，然后和第一激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過相同的光路，在相機(jī)16成像平面 形成干設(shè)圖并被記錄下來(lái)。
[0011] 所述的第一聚光鏡針孔光闊4放置在第一集光鏡3的后焦面位置，同時(shí)也是第一 聚光鏡5的前焦面位置；第二聚光鏡針孔光闊11放置在第二集光鏡10的后焦面位置，同時(shí) 也是第二聚光鏡12的前焦面位置，運(yùn)樣保證了入射的激光經(jīng)過針孔濾波后出射的是平行 光。
[0012] 本發(fā)明基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置具有另外等價(jià)的光學(xué)結(jié) 構(gòu)，如圖1(b)所示，包括激光器1、第二激光器17、光纖分路器19、第一聚光鏡5、第一平面 鏡6、顯微物鏡8、鏡筒透鏡9、第二聚光鏡12、衰減片13、第二平面鏡14、第二分束鏡15與相 機(jī)16,其中第一激光器1和第二激光器17發(fā)出的激光通過光纖禪合進(jìn)入光纖分路器19,混 合并且分成兩路后再通過光纖禪合輸出，每一路光纖輸出都包含第一激光器1和第二激光 器17發(fā)出的激光，兩個(gè)輸出的光纖頭分別位于第一聚光鏡5、第二聚光鏡12的焦點(diǎn)位置，W 保證經(jīng)過第一聚光鏡5、第二聚光鏡12后出射的是平行光；在分成的兩路光中，一路激光經(jīng) 過第一平面鏡6反射后照射待測(cè)樣品7,透射過待測(cè)樣品7的光被顯微物鏡8收集，并經(jīng)過 鏡筒透鏡9放大后再次變成平行光經(jīng)過第二分束鏡15反射垂直照射相機(jī)16的成像平面， 運(yùn)一路稱為物光光路；另一路激光經(jīng)過衰減片13衰減和第二平面鏡14反射后傾斜照射相 機(jī)16的成像平面，運(yùn)一路參考光與物光干設(shè)，形成的干設(shè)圖由相機(jī)16記錄下來(lái)。
[0013] 本發(fā)明基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置的待測(cè)樣品7、顯微物鏡 8、鏡筒透鏡9與相機(jī)16構(gòu)成了遠(yuǎn)屯、光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中待測(cè)樣品7位于顯微物鏡8的前焦面位 置，同時(shí)顯微物鏡8的后焦面與鏡筒透鏡9的前焦面重合，該相機(jī)16位于鏡筒透鏡9的后焦 面位置。所有平面鏡的傾斜角度可自由調(diào)整，最后的傾斜角使反射的參考光與物光成3-8° 夾角，W實(shí)現(xiàn)罔軸干設(shè)。畏減片13使用一片中性畏減片或由多片中性畏減片組成，或者由 兩片線偏振片組成，其作用是衰減參考光光強(qiáng)，使其與物光光強(qiáng)匹配，W提高干設(shè)條紋的對(duì) 比度。
[0014] 本發(fā)明基于雙波長(zhǎng)數(shù)字全息技術(shù)的透射式顯微成像裝置的第一激光器1和第二 激光器17分別發(fā)出紅色和綠色的激光，兩束激光可選波長(zhǎng)范圍分別為620nm《λ 760nm, 500nm《λ2《560nm?？蒞選取兩束激