一种基于涡旋光照明的暗场数字全息显微装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种暗场数字全息技术记录祸旋光照明时小球的散射光与球面波参 考光的干设条纹，具体设及一种基于祸旋光照明的暗场数字全息显微装置及其方法，属于 数字全息技术领域。
【背景技术】
[0002] 数字全息技术是计算机技术和传统光学全息相结合的产物，采用数字化的记录和 再现方法，能够较为方便地获取物体的振幅信息和相位信息，数字全息是用光电传感器件 (如CCD或CMO巧代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射 过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本 低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来，随着计算机技术特别是高分辨率CCD制 造加工工艺的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已设及形貌 测量、变形测量、粒子场测试、数字显微、防伪、S维图像识别、医学诊断等诸多领域。
[0003] 人们在数字全息技术的基础上提出了一种暗场数字全息显微成像技术。相对于 明场数字全息显微成像技术而言，暗场数字全息显微成像技术不仅可W增强显微成像的 对比度，而且还可W提高成像的分辨率。因此，它可W很好地弥补明场显微成像技术的不 足。Dubois等人从实验角度验证了暗场数字全息显微成像技术可W提高成像的分辨率。 Faridian等人在暗场数字全息显微成像技术中引入了变化的散斑场照明，通过多幅全息再 现叠加取均值的方法克服了散斑噪声，增强了显微成像的对比度，同样也提高了成像分辨 率。W上几种暗场数字全息显微成像系统中均是通过采用制作特定尺寸的圆形掩膜或者利 用环形反射镜，将扩束后的高斯光整形成环形光作为物体的照明光，使之匹配暗场显微物 镜。然而，高斯光束的能量主要集中在光斑中屯、区域，上述该些方法均只保留了其边缘环形 部分，丢失大部分能量，致使照明光的强度减弱；而且，该些方法产生的照明光在传播过程 中衍射产生旁瓣相对较强，容易受到管镜内壁的反射产生杂散光，使得成像时产生背景噪 声；同时，在对微小物体成像时产生较强的衍射效应。W上该些因素的存在降低了系统成像 的对比度和分辨率。
【发明内容】
[0004] 为了克服W上现有技术的缺点，本发明提供了一种基于祸旋光照明的暗场数字全 息显微装置及其方法，可W有效地提高数字全息系统的分辨率，增强再现像的对比度。
[0005] 本发明的实现分为=步，首先利用祸旋光入射到暗场显微物镜后形成的环形光 锥照明物体，接着，数字全息技术将物体的散射光与参考光的干设条纹通过光电禪合器件 (CCD或CM0巧记录到计算机中，最后再利用数字重构技术重构出物体的像。
[0006] 本发明装置采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于祸旋光照明的暗场数字全息显微装置，包括激光器、分光棱镜I、分光棱 镜II、平面反射镜、显微物镜空间滤波器、显微物镜I、傅里叶透镜、光阔、分光棱镜III、空 间光调制器、暗场显微物镜、小球样本、显微物镜II、分光棱镜IV和光电禪合器件；其中，激 光器出射的激光照射在分光棱镜I上，两者的距离为0. 15-0. 2m ;分光棱镜I、分光棱镜II、 分光棱镜III和分光棱镜IV在光学平台上构成一个矩形光路；分光棱镜I与分光棱镜II 在同一条水平线上，两者的距离为1. 00-1. 10m ;分光棱镜I与分光棱镜III在同一条垂直 线上，分光棱镜III与分光棱镜IV在同一条水平线上，分光棱镜II与分光棱镜IV在同一 条垂直线上；
[000引分光棱镜I与分光棱镜III之间依次设有显微物镜空间滤波器、傅里叶透镜和光 阔，傅里叶透镜的前焦面位于显微物镜空间滤波器的出瞳位置，显微物镜空间滤波器与分 光棱镜I之间的距离为0. 15-0. 20m，光阔与傅里叶透镜之间的距离为0. 05-0. 08m，光阔与 分光棱镜III之间的距离为0. 08-0. 15m ;所述空间光调制器设置在分光棱镜III的后方， 两者之间的距离为0. 15-0. 20m ;
[0009] 分光棱镜III与分光棱镜IV之间依次设有暗场显微物镜、小球样本和显微物镜 II，小球样本位于暗场显微物镜的后焦面上，显微物镜II的前焦面和小球样本平面重合， 暗场显微物镜与分光棱镜III之间的距离为0. 25-0. 30m ;所述光电禪合器件设置在分光 棱镜IV的后方并与小球样本为物像共辆关系，光电禪合器件与分光棱镜IV之间的距离为 0. 1-0. 2m ；
[0010] 分光棱镜II与分光棱镜IV之间设有显微物镜I，显微物镜I与分光棱镜II 之间的距离为0. 15-0. 20m;所述平面反射镜设置在分光棱镜II的后方，两者的距离为 0. 15-0. 20m〇
[0011] 本发明利用上述装置的方法，包括如下步骤：
[0012] A、搭建所述数字全息显微装置，打开激光器、空间光调制器和光电禪合器件的电 源；
[0013] B、激光器发出的激光通过分光棱镜I后分为水平和垂直两束，水平一路激光依次 通过分光棱镜II和平面反射镜反射到显微物镜I中；垂直一路激光由显微物镜空间滤波器 扩束滤波后由高斯光束变为球面波，球面波经傅里叶透镜准直变成平面波；
[0014] C、由傅里叶透镜射出的平面波光束依次通过光阔、分光棱镜III到达空间光调制 器的表面；
[0015] D、利用电脑驱动，在空间光调制器上加载一幅叉形光栅，W调制出祸旋光，由空间 光调制器调制成的祸旋光经过分光棱镜III的反射，到达暗场显微物镜中；
[0016] E、祸旋光经过暗场显微物镜会聚后的环形光锥照明小球样本，得到的小球的散射 光被显微物镜II接收成像在光电禪合器件表面，该一路为物光；
[0017] F、由显微物镜I发散的球面波经过分光棱镜IV的反射后到达光电禪合器件的表 面，该一路为参考光；
[001引 G、在光电禪合器件表面，物光和参考光干设产生干设条纹，调节分光棱镜IV对参 考光束的反射角度，使物光和参考光夹角合适，光电禪合器件表面上出现的干设条纹均匀 稳定，并使用电脑驱动光电禪合器件将干设条纹记录到磁盘驱动器；
[0019] H、将光电禪合器件记录的干设条纹，即全息图，读入MTLAB软件中，具体流程如 下；a)频谱获取；对全息图进行傅里叶变换，得到频域中全息图的正一级或者负一级频谱； b)频谱分离；为了消除零级项和共辆项的干扰，采用频域滤波的方式提取频域中正一级频 谱或者负一级频谱；c)数字再现：在MATLAB软件中对提取出来的频谱进行逆傅里叶变换得 到物光波的复振幅；d)瑞利判据；根据瑞利判据，判定小球样本中相邻的小球分辨情况，得 到能够判定或者不能判定的结论，如果能判定出相邻的两个或多个小球则说明该系统分辨 率达到或超过小球样本中小球的直径，如果不能判定出相邻的两个或多个小球则说明该系 统分辨率无法达到小球样本中小球的直径；
[0020] I、更换不同尺寸直径的小球样本，重复G-H步骤，测定出该系统的最高分辨率。
[002U 本发明W数字全息技术手段，利用祸旋光环形照明原理和暗场显微成像原理，采 用直径为690nm的聚苯己締小球作为实验样品，使用改进型马赫曾德干设仪获取小球散射 光与球面波参考光的干设图样，然后在计算机中进行数值计算获得小球的再现像；与传统 的明场数字全息显微成像方法相比，本发明具有高分辨率和高对比度等优势，适用于实验 室中研究祸旋光束的性质、观察微小相位物体等领域。本发明的有益效果在于：
[0022] (1)通过本发明的实施，在其他实验器件不足或受限的情况下，可W利用实验室中 常见的激光器、分光棱镜、暗场显微物镜、反射镜及光电禪合器件等就可W观察微小相位物 体，为进一步观察并研究微小相位物