基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置的制作方法

本发明属于光学成像及测量技术领域，尤其涉及一种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置。

背景技术：

数字全息显微成像技术作为定量相位测量的一种重要手段，能够利用一幅全息图同时独立的获得物体定量的振幅信息和相位信息，实现实时动态、高分辨率、非侵入测量。该技术广泛应用在应力测量、活体细胞观测、微结构器件三维测量等方面。

数字全息显微技术由于引入了显微物镜，可以提高测量系统的横向分辨率。不同放大倍率显微物镜可应用在不同样品的测量中，大数值孔径的物镜虽然测量视场较小，但是能够观察到更多的样品的细节信息，可用于生物组织细胞的测量。反之，小数值孔径的物镜虽然不能得到样品更多细节的信息，但是能够获得较大的测量视场，可用于菲尼尔透镜等微阵列结构器件测量。所以，对于不同的待测透明样品，可以使用不同倍率的显微物镜。

然而，使用显微物镜，会在获取的相位信息中引入相位畸变，所以使用传统数字全息显微系统进行定量相位测量时，必须对此现象进行相位畸变校正，才能获得物体准确的相位信息。近年来，相位畸变校正已经成为国内外学者研究的热点。

数字全息显微成像中相位畸变校正方法，主要分为数值补偿法和物理补偿法两类。数值补偿法，即借用计算机，通过后期数值算法处理消除相位畸变，有课题组提出两次曝光法，这种方法是分别采集有样品和无样品时的两幅全息图，求得对应的相位相减就可以消除相位畸变，但是该方法需要采集两幅全息图，系统需要保持较高的稳定性。还有课题组提出相位掩膜、参考共轭全息图、泽尼克多项式拟合三种数值法来消除相位畸变。另外有人提出只采集一幅全息图，利用最小二乘曲面拟合法就能消除相位畸变。然而数值补偿法中需要曲线拟合、多项式拟合等数值计算，随着记录全息图尺寸增大，计算量也会增大。物理补偿法，即在测量系统中通过引入特定的光学元件来消除相位畸变，可用在Mach-Zehnder干涉结构、Linnik干涉结构。有人提出远心系统结构的方法,该方法是在物光光路中使用镜筒透镜，与显微物镜形成远心结构，从而消除相位畸变，但是在商业数字全息显微系统中，为了节省空间和保证系统紧凑性，常常不能满足远心结构的要求。有课题组提出一种方法，该方法在参考光路加入和物光光路相同的显微物镜，通过调节显微物镜位置实现球面参考光和球面物光曲率相同，消除相位畸变。还有一种方法是在参考光光路引入一个普通透镜，调节透镜的位置产生不同曲率球面波匹配显微物镜的曲率，但是上述两种方法都需要对透镜进行机械移动。

因此，在引入显微物镜的情况下，需要对透镜进行机械移动，来消除显微物镜带来的相位畸变；并且，在对不同样品进行测量时，一方面，需要手动切换不同倍率的物镜成像，另一方面，也需要对透镜进行机械移动，才能消除显微物镜带来的相位畸变，不能保证系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置，旨在通过切换不同倍率显微物镜来满足不同测量需求的同时，能够利用电控变焦透镜灵活的补偿不同倍率显微物镜带来的相位畸变，避免了光学元件的机械移动。

本发明提供了一种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置，包括：

激光器、第一分束镜、第一光路转向组件、第二光路转向组件、第二分束镜和相机；

其中，所述激光器用于发出激光，并经过所述第一分束镜；

所述第一分束镜用于将所述激光分离为物光和参考光，所述物光经过所述第一光路转向组件，产生物光球面波，所述参考光经过所述第二光路转向组件，产生参考光球面波；

所述第二分束镜，用于将所述物光球面波和所述参考光球面波输出至所述相机的成像平面；

所述相机，用于记录所述物光球面波和所述参考光球面波在所述相机的成像平面上干涉形成的干涉条纹图；

其中，所述第一光路转向组件包括显微物镜转盘和显微物镜，所述显微物镜置于所述显微物镜转盘中，所述显微物镜转盘用于根据待测透明样品切换不同倍率的显微物镜；

所述第二光路转向组件包括电控变焦透镜，所述电控变焦透镜用于根据切换的显微物镜的倍率来改变焦距，从而使参考光经过所述电控变焦透镜后形成的参考光球面波的曲率与所述物光球面波的曲率相同。

进一步地，所述第一光路转向组件还包括：第一平面镜；

所述第一平面镜与所述物光呈45度角放置，所述第一平面镜用于对物光进行反射，并且反射光依次经过待测透明样品和显微物镜后产生物光球面波。

进一步地，所述第二光路转向组件还包括：第二平面镜；

所述第二平面镜与所述参考光呈45度角放置，所述第二平面镜用于将所述参考光球面波反射到所述第二分束镜。

进一步地，所述第二光路转向组件还包括：衰减片；

所述衰减片置于所述第一分束镜和所述电控变焦透镜之间，用于使经过的参考光光路的光强发生衰减。

进一步地，所述透射式数字全息显微成像装置还包括：聚光镜；

所述聚光镜置于所述激光器和所述第一分束镜之间，用于使经过的激光变成平行光。

进一步地，所述第一分束镜分离的反射光作为物光，分离的透射光作为参考光。

进一步地，所述物光和参考光的比例为7：3。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置，一方面，在引入显微物镜的情况下，可以通过改变电控变焦透镜的焦距，来消除显微物镜带来的相位畸变，避免了光学元件的机械移动；另一方面，因为引入了显微物镜转盘，在针对不同的待测透明样品时，可以利用显微物镜转盘实现方便的切换不同倍率的显微物镜，满足不同的测量需求，并且，可以根据切换的显微物镜的倍率来改变电控变焦透镜的焦距，使参考光经过所述电控变焦透镜后形成的参考光球面波的曲率与所述物光球面波的曲率相同，从而消除相位畸变；切换不同倍率显微物镜时既不需要手动拆卸光路，特别是对于紧凑、笼式结构的数字全息显微测量系统，又不需要对透镜进行机械移动，满足了不同的测量需求，保证了系统的稳定性和实用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置的结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的无待测透明样品、无电控变焦透镜时采集的干涉条纹图；

图2b是图2a提供的干涉条纹图的频谱分布图；

图3a是本发明实施例提供的无待测透明样品、有电控变焦透镜时采集的干涉条纹图；

图3b是图3a提供的干涉条纹图的频谱分布图；

图4a是本发明实施例提供的待测的生物组织样品剑水蚤的图样；

图4b是采用4倍显微物镜对图4a中的大方框区域的成像相位恢复结果的示意图；

图4c是采用10倍显微物镜对图4a中的小方框区域的成像相位恢复结果的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的主要实现思想为：利用第一分束镜将射入的激光分离为物光和参考光，物光光路中光通过待测透明样品和显微物镜后，形成物光球面波；在参考光光路中，因为引入了电控变焦透镜，可以通过调节电流来调节电控变焦透镜的焦距，从而产生与物光球面波一样曲率的参考光球面波，这样物光球面波和参考光球面波在相机成像平面上形成干涉图，消除了相位畸变；并且，由于引入了电控变焦透镜，从而避免了物理补偿中光学元件需要的机械移动的操作。在物光光路中，由于引入了显微物镜转盘，可以根据待测透明样品切换不同倍率的显微物镜，以满足不同待测透明样品的需求。

下面具体介绍这种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置，如图1所示，包括：

激光器1、聚光镜2、第一分束镜3、第一光路转向组件4、第二光路转向组件5、第二分束镜6和相机7；

其中，所述激光器1用于发出激光，所述聚光镜2置于所述激光器1和所述第一分束镜3之间，用于使经过的激光变成平行光。

所述第一分束镜3，用于将经过所述聚光镜2后的平行激光分离为物光和参考光。

具体地，其中，以所述第一分束器3反射的光作为物光，反射光和从聚光镜射出的平行激光所成的夹角为90度，以所述第一分束器3透射的光作为参考光；所述物光和参考光的比例为7：3，设置成这样的比例，并结合衰减片可以更好的调整物参光光强比。

所述第一光路转向组件4包括第一平面镜41、显微物镜42和显微物镜转盘43，所述第一平面镜41与所述物光呈45度角放置，所述显微物镜42置于所述显微物镜转盘43中，所述显微物镜转盘43用于根据待测透明样品8切换不同倍率的显微物镜42；所述第一光路转向组件4，用于将物光经过所述显微物镜42后产生的物光球面波的传播方向引导至所述第二分束镜6；具体地，所述物光经过所述第一平面镜41反射，并依次经过待测透明样品8和显微物镜42后形成物光球面波，并射入所述第二分束镜6。

本发明采用显微物镜转盘来转动显微物镜，切换不同倍率的显微物镜成像时不需要手动拆卸光路，特别是对于紧凑、笼式结构的数字全息显微测量系统，使操作更简单。

进一步地，本发明适用的待测透明样品8为透明样品，比如，一些生物组织细胞等；物光被所述第一平面镜反射，并从所述透明样品透射后经过所述显微物镜，从而形成物光球面波。

所述第二光路转向组件5包括衰减片51、电控变焦透镜52和第二平面镜53，所述衰减片51置于所述第一分束镜3和所述电控变焦透镜52之间，用于使经过的参考光光路的光强发生衰减；具体地，可以通过更换不同透过率的衰减片51，来调整物参光光强比(即物光和参考光的光强比)，从而使得物光和参考光干涉时能得到较好对比度的干涉条纹。

所述电控变焦透镜52用于根据切换的显微物镜的倍率来改变焦距，从而使参考光光路经过所述电控变焦透镜52后形成的参考光球面波的曲率与所述物光球面波的曲率相同；所述第二光路转向组件5用于将所述参考光球面波的传播方向引导至所述第二分束镜6；具体地，所述第二平面镜53与所述参考光呈45度角放置，所述参考光经过所述电控变焦透镜52后形成参考光球面波，并经过所述第二平面镜53反射后射入所述第二分束镜6。

具体地，所述电控变焦透镜52的焦距可控；更具体地，是通过电控变焦透镜控制软件来控制其焦距的；更具体地，所述电控变焦透镜52不同于传统的玻璃和塑料透镜，它是一种焦距可变的透镜，使用光学透明的弹性薄膜将液体限制在腔体当中，通过改变对液体的压力控制薄膜面型的变化，不同压力产生不同形状，从而改变了电控变焦透镜52的曲率，电控变焦透镜52的焦距随之改变。在电控变焦透镜52的腔体外有一个电磁驱动器，将所述电控变焦透镜52通过USB线连接电脑，通过电脑中的电控变焦透镜控制软件来控制电磁驱动器的电流，通过改变流过电磁驱动器的电流，从而改变对液体的压力，最终使焦距发生改变。

所述第二分束镜6，用于将所述物光球面波和所述参考光球面波输出至所述相机的成像平面。

具体地，所述物光球面波经过所述第二分束镜6后垂直照射所述相机7的成像平面；所述参考光球面波经过所述第二分束镜6后倾斜照射所述相机7的成像平面，所述物光球面波和所述参考光球面波之间呈一定的夹角。

所述相机7即CCD，用于记录所述物光球面波和所述参考光球面波在所述相机7的成像平面上干涉形成的干涉条纹图。

本发明介绍的基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置的核心就在于采用了电控变焦透镜。物光光路中光通过待测透明样品和显微物镜后，形成物光球面波，为了消除显微物镜引入的相位误差，利用电控变焦透镜产生与物光球面波一样曲率的参考光球面波，这样物光球面波和参考光球面波在相机成像平面上形成干涉图，避免了传统参考光路使用普通透镜或者同等参数物镜等光学元件需要机械移动的操作，消除了显微物镜带来的相位畸变，大大提高了系统的准确度。并且由于使用了电控变焦透镜，可以根据需要改变电控变焦透镜的焦距，转动显微物镜转盘来切换不同倍率物镜时，不需要手动拆卸光路更换不同倍率显微物镜，特别是对于紧凑、笼式结构的数字全息显微测量系统，就可结合所述电控变焦透镜灵活补偿不同倍率显微物镜带来的相位畸变，满足了不同的测量需求，同时也保证了系统的稳定性和实用性。后期也不需要复杂的数值计算处理过程，提高了成像的速度。

下面具体介绍利用本发明提供的使用Mach-Zehnder干涉结构的一种基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置进行待测透明样品的干涉图像采集，并进行相关待测量数据重建的过程：

第一步：通过对装置进行调整，来补偿所选择倍率的显微物镜42造成的相位畸变；

具体地，物光经过显微物镜42后形成物光球面波，对于不同倍率的显微物镜42，利用电控变焦透镜控制软件，通过改变电流来改变电控变焦透镜52的焦距，从而产生与物光球面波相同曲率的参考光球面波，使得无待测物体时的干涉条纹图为直条纹。其中，确定电控变焦透镜52补偿的参数的方法，可以通过干涉条纹图的频谱形状来判断。

第二步：放置待测透明样品于该透射式数字全息显微成像装置中，利用所述相机7采集一幅干涉图图像I；

第三步：通过傅里叶变换求得所述干涉图图像I的频谱F；

第四步：选取频谱F中的+1级频谱；

第五步：找出+1级频谱中能量最大值位置作为+1级频谱的中心，然后将+1级频谱平移到整幅频谱中央，使得+1级频谱的中心与整幅频谱的中心重合；

第六步：对重合后的频谱进行傅里叶逆变换，得到待测透明样品8的振幅分布和相位分布信息。

结合图2-4所示，为了测试基于电控变焦透镜的透射式数字全息显微成像装置的有效性，对得到的干涉条纹图进行了分析，以及对生物组织样本剑水蚤进行了不同倍率观察的数字全息显微成像。

其中，图2a是无待测透明样品、无电控变焦透镜52时采集的干涉条纹图，出现了圆环条纹，可以看出显微物镜42引入相位误差造成的相位畸变；图2b是图2a的频谱分布。

图3a是无待测透明样品、有电控变焦透镜52时采集的干涉条纹图，为直条纹，可以看出利用电控变焦透镜52很好补偿了相位误差；图3b是图3a的频谱分布。

图4a是待测的生物组织样品剑水蚤的图样；图4b是采用4倍显微物镜42对图4a中的大方框区域的成像相位恢复结果；图4c是采用10倍显微物镜42对图4a中的小方框区域的成像相位恢复结果。

本发明基于电控变焦透镜，使得物光球面波和参考光球面波在相机成像平面上干涉形成干涉条纹图，避免了传统参考光路使用普通透镜或者同等参数物镜等光学元件需要机械移动的操作，消除了相位畸变，大大提高了系统的准确度。并且由于使用了电控变焦透镜，可以根据需要改变电控变焦透镜的焦距，转动显微物镜转盘来切换不同倍率时，不需要手动拆卸光路更换不同倍率显微物镜，特别是对于紧凑、笼式结构的数字全息显微测量系统，就可结合所述电控变焦透镜灵活补偿不同倍率显微物镜的相位畸变，满足了不同的测量需求，同时也保证了系统的稳定性和实用性，适用于动态测量。后期也不需要复杂的数值计算处理过程，提高了成像的速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。