本发明涉及利用数字全息显微术对微流体折射率及浓度参数定量测量，更具体地说，本发明涉及一种测定微流体折射率及浓度参数的数字全息成像系统及方法。
背景技术
数字全息显微成像术作为一种新型三维数字成像技术，其记录和重构成像都涉及数字化过程。数字全息记录过程，将经由光电耦合型图像采集器(ccd或cmos)记录的全息图强度信息转变成数字信号存入计算机。采用马赫泽德干涉仪结构光路进行离轴数字全息记录，可以克服重构时孪生像的影响。离轴数字全息图记录时，不依靠由物体直接透射的光作为参考光波，而是引入另一光束作为参考光；参考光与物光成一定夹角传播，而不是共线传播；参考光与物光在图像采集器的感光面上干涉，记录下所形成的干涉条纹，就得到离轴数字全息图。数字全息的再现成像过程，使用计算机数值模拟衍射传播过程进行波前重构，进而获得物体真实的三维结构信息。
折射率是表征物体结构及组织特征的重要光学参数，通过待测物折射率分布情况就可以了解物质的光学性质、质量浓度以及生物组织结构等变化。目前，液体折射率测定的方法主要有阿贝折射仪法、分光仪法、牛顿环法、干涉仪法等，这些方法尚不能对生物组织内微流体折射率及液体溶度进行非标记实时测定。利用数字全息显微术的实时非接触检测及数字化重构成像的特点，可以实现对微流体折射率及液体浓度的非标记定量测量。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统及方法，特别是一种针对微流控芯片中不同浓度的溶液进行数字全息记录，通过再现算法重构得到其相位图，并由相位图计算出不同浓度溶液的折射率参数及标定溶液浓度的方法。
一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统，其特征在于采用双球面波干涉的离轴数字全息光路系统，包括：激光器1、扩束准直器2、光阑3、第一半波片4，偏振分光棱镜5、第二半波片6，第一反射镜7、第一显微物镜8、第二反射镜9、第二显微物镜10、分光棱镜11、微流控芯片12、图像采集器13，以及计算机14；其中，偏振分光棱镜5、第一反射镜7、第一显微物镜8、第二反射镜9、第二显微物镜10和分光棱镜11构成马赫泽德干涉仪光路，由偏振分光棱镜5的反射路、第一反射镜7、第一显微物镜8和分光棱镜11的透射路构成马赫泽德干涉仪结构的样品臂，由偏振分光棱镜5的透射路、第二反射镜9、第二显微物镜10和分光棱镜11的反射路构成马赫泽德干涉仪结构的参考臂。第一显微物镜8和第二显微物镜10的型号相同。
应用所述光路系统的方法包括：激光器1发出的光经扩束准直器2形成平面波光束，通过光阑3后，依次入射到第一半波片4、偏振分光棱镜5上，光阑3用于调整光斑大小，第一半波片4用于调节物光束与参考光束的光强比。光束由偏振分光棱镜5分为两束光束，其中反射光束为物光束，透射光束为参考光束。由偏振分光棱镜5反射后，物光束经第一反射镜7后入射到注有溶液的微流控芯片12上，物光束透过微流控芯片12后加载上待测溶液信息，通过第一显微物镜8后成为球面物光波，然后入射到分光棱镜11上并被透射。由偏振分光棱镜5透射后，参考光束通过第二半波片6，经第二反射镜9反射并通过第二显微物镜10后成为球面参考光波，入射到分光棱镜11上并被反射。经分光棱镜11反射的参考光与透射的物光之间形成一个物参夹角，并向前传播到图像采集器13的记录靶面上干涉，由所述图像采集器13记录下干涉图即为数字全息图，保存到计算机14中。第二半波片6用于将参考光束的偏振态调节为与物光束相同的偏振态；
所述光路系统其特征在于，微流控芯片12放置于第一反射镜7和第一显微物镜8之间，溶液样品是由微流控制器控制注入微流控芯片12中作为待测样品；调整第二显微物镜10的位置，使其和第一显微物镜8到分光棱镜11中心的距离相等，用以减小二次相位畸变；第一显微物镜8和第二显微物镜10分别用于产生球面波，球面参考光波和球面物光波入射到分光棱镜11上并以一定夹角向前传输；参考光和物光以一定夹角在图像采集器13的靶面处合束并干涉，形成包含样品信息的干涉图(称为全息图)，由图像采集器13记录数字全息图，并发送到计算机14进行数字全息成像重构处理。
本发明的一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量方法，包括三个步骤：记录注液微流控芯片的数字全息图，成像重构得到待测样品相位图，采用相位相减法获得待测溶液折射率。其特征在于，利用双球面波干涉记录注有溶液的微流控芯片的数字全息图；利用再现算法对所记录的数字全息图进行成像重构，获得注有基准溶液、待测溶液的微流控芯片的相位图并截取相位曲线图；采用相减法从重构的相位图中提取溶液相位信息，计算得到不同浓度溶液的折射率值。
所述记录注液微流控芯片数字全息图包括，应用所述光路系统的方法，采用双球面波干涉记录注有溶液的微流控芯片的数字全息图，将同一浓度的待测溶液从微流控芯片的入口注入，记录直通道处的数字全息图，图像采集器13用于记录注有溶液的微流控芯片的数字全息图。例如，在微流控芯片中注入不同浓度溶液，将纯水作为基准溶液，将不同质量浓度比(例如：5％、10％和20％等质量浓度比的盐溶液)溶液分别作为待测溶液，使用所述的双球面波离轴干涉数字全息光路系统，对分别注入上述基准溶液、不同浓度溶液的微流控芯片记录其数字全息图，图像采集器13将所记录的对应不同待测浓度溶液的数字全息图传送至计算机中进行成像重构。
所述重构得到注液微流控芯片的相位图并截取相位曲线图包括，利用重构算法获得包含所注溶液和微流控芯片整体相位信息的相位图，在基准溶液微流控芯片相位图和待测溶液微流控芯片相位图上沿着流道方向(x方向)的相同位置处，截取沿着垂直于流道方向(y方向)上注液微流控芯片的相位信息，得到注液微流控芯片的截取相位曲线图，包括注有基准溶液微流控芯片相位曲线和待测溶液微流控芯片相位曲线。不同浓度溶液对应的相位值不同，比较注液微流控芯片相位分布就可表征出溶液浓度信息。
所述计算溶液折射率的相位相减法包括，将注入微流控芯片的基准溶液(0％浓度溶液，例如纯水)作为折射率测量基准，注入微流控芯片的待测溶液(a％浓度溶液)的折射率n待测与基准折射率n基准满足相减关系：
式(1)中，n基准和
由于
实施所述的溶液折射率测量相减法，首先需要提取相位，在基准溶液和待测溶液(例如，质量浓度比a％)的相位曲线上，分别选取同一像素位置(y位置)上对应的相位值
综上，本发明的一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统及方法的特点是，采用数字全息显微术定量测得不同浓度溶液的折射率，拟合给出溶液折射率与浓度变化的关系，为不同浓度溶液的微流体特性研究提供一种实时相位成像测量手段。尤其是，可以利用微流控芯片进一步研究微流体在不同压强下的流速分布特性。该方法可以实时测量微流体的折射率分布，预期可以用于微流体流场研究的成像手段。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统及方法的有益效果是，提出利用微流控芯片特点的数字全息相位图相减方法实现不同浓度溶液折射率的高精度测量，避免了数字全息显微术无法测得折射率准确值的问题。采用已知标称折射率的基准溶液，结合使用微流控芯片，通过测量不同流速、浓度、压强条件下溶液的折射率值，可以直接描述这些特性分布，并且此方法简单、精度高、可实现动态实时测量。该系统具有光路结构简单，易于小型化的特点，选定具有标称折射率的基准溶液后，就可以方便测出结果，能够直接形成溶液折射率测定仪，具有推广及应用价值。
附图说明
图1为本发明的双球面波干涉的离轴数字全息光路系统示意图。
图2为本发明的测量溶液折射率方法的流程图。
图3为本发明实施例的注有纯水和质量浓度比分别为5％、10％、20％盐溶液的微流控芯片的重构相位图及其截取示意。
图4为本发明实施例的注有纯水和质量浓度比分别为5％、10％、20％盐溶液的微流控芯片的相位曲线图。
图5为本发明实施例的盐溶液折射率与其质量浓度比关系拟合曲线。
图中：1、激光器，2、扩束准直器，3、光阑，4、第一半波片，5、偏振分光棱镜，6、第二半波片，7、第一反射镜，8、第一显微物镜，9、第二反射镜，10、第二显微物镜，11、分光棱镜，12、微流控芯片，13、图像采集器，14、计算机。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统及方法的典型实施例。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。
根据本发明的一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量系统及方法，包括双球面波干涉的离轴数字全息记录系统，以及基于数字全息显微术的相位相减溶液折射率测量方法。
在典型实施例中，如图1所示，双球面波干涉的离轴数字全息光路系统包括：波长660nm的激光器1、扩束准直器2、光阑3、第一半波片4，偏振分光棱镜5、第二半波片6，第一反射镜7、第一显微物镜8、第二反射镜9、第二显微物镜10、分光棱镜11、微流控芯片12、图像采集器13，以及计算机14；其中，偏振分光棱镜5、第一反射镜7、第一显微物镜8、第二反射镜9、第二显微物镜10和分光棱镜11构成马赫泽德干涉仪光路，由偏振分光棱镜5的反射路、第一反射镜7、第一显微物镜8和分光棱镜11的透射路构成马赫泽德干涉仪结构的样品臂，由偏振分光棱镜5的透射路、第二反射镜9、第二显微物镜10和分光棱镜11的反射路构成马赫泽德干涉仪结构的参考臂。第一显微物镜8和第二显微物镜10的型号相同，其放大率为25×，数值孔径(na)为0.4。图像采集器13是像元尺寸为6.45μm×6.45μm、像素为1280×960pixels的ccd。
应用所述的双球面波离轴干涉数字全息光路系统包括，激光器1出射的光通过扩束准直器2扩束准直为平面波光束，入射到光阑3并经由光阑3调整光斑大小后，依次入射到第一半波片4、偏振分光棱镜5上，第一半波片4用于调节物光与参考光的光强比；光束由偏振分光棱镜5分为两束光，其中反射光为物光，透射光为参考光。微流控芯片12放置于第一反射镜7和第一显微物镜8之间，盐溶液由微流控制器注入微流控芯片中作为待测样品。由偏振分光棱镜5反射后，物光束经第一反射镜7反射后入射到注有溶液的微流控芯片12上，物光束透过微流控芯片12后加载上待测盐溶液的信息，通过第一显微物镜8后成为球面物光波，然后入射到分光棱镜11上并被透射。从偏振分光棱镜5透射后，参考光束经第二反射镜9反射并通过第二显微物镜10后成为球面参考光波，入射到分光棱镜11上并被反射。经由分光棱镜11透射的物光与反射的参考光以一个较小的物参夹角向前传播，在图像采集器13的记录靶面上合束并干涉，由图像采集器13记录下数字全息图，保存到计算机14中。
根据本发明的一种基于数字全息显微术的微流体折射率和浓度测量方法，如图2所示流程步骤，实施记录样品的数字全息图，成像重构得到样品相位图，以及采用相减法获得待测溶液折射率。
在典型实施例中，应用图1光路系统记录注有盐溶液的微流控芯片12的数字全息图。微流控芯片12上的微流通道宽度为100微米、深度为40微米，将同一浓度的盐溶液从微流控芯片12的入口注入，记录直通道处的数字全息图。在微流控芯片12中注入不同浓度盐溶液，将纯水作为基准溶液，将质量浓度比为5％、10％和20％的盐溶液分别作为待测溶液，使用所述的双球面波数字全息显微成像光路系统，对分别注入上述基准溶液、不同浓度盐溶液的微流控芯片12记录其数字全息图。图像采集器13将所记录的对应不同待测浓度溶液的数字全息图传送至计算机14中进行相位重构成像。
利用再现算法对所记录的数字全息图进行相位成像重构，分别获得注有纯水和不同浓度盐溶液的微流控芯片的相位图。对分别注有纯水(基准溶液)和质量浓度比为5％、10％和20％盐溶液的微流控芯片的数字全息图进行相位重构，得到其对应的相位图，如图3所示。在各相位图的通道方向(x方向)上某一相同位置，例如图3中的红线位置(即像素为x＝768的位置)，截取沿着垂直于通道方向(y方向)上注液芯片的相位信息，分别得到注有纯水和质量浓度比为5％、10％和20％盐溶液的微流控芯片的相位曲线图，如图4所示，纯水曲线上相位记为
利用本发明的溶液折射率测量相位相减法，在图4不同浓度盐溶液的相位曲线上，选取同一像素位置(y位置)上对应的各浓度相位值
在实施例中，采用已知标称折射率的纯水为基准溶液，这可以用于水溶性溶液，如果是其他溶剂的溶液，可以该溶剂作为基准溶液。由于在所述计算折射率的相位相减中，可以将注液芯片相位图中所包含的芯片结构相位有效减掉，采用此方法不需要考虑微流控芯片材质及其芯片结构(厚度)影响，因此其他类型结构和透明材质的注液芯片均可使用。
尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施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，存在变型例和修改例。