[发明专利]一种非相干数字全息三维动态显微成像系统与方法

权利要求书

1.非相干数字全息三维动态显微成像系统，包括依次放置的白光光源（1），汇聚透镜（2），孔径光阑（3），滤波片（4），待测样品（5），准直透镜（6），分束棱镜或二向色分束棱镜（7），空间光调制器（8）；其特征在于：由白光光源(1）发出的入射光依次通过汇聚透镜（2）、孔径光阑（3）、滤波片（4），入射光照明待测样品（5），由待测样品（5）透射或反射的光波，经过准直透镜（6）准直后垂直入射分束棱镜或二向色分束棱镜（7）的表面，透射光垂直入射空间光调制器（8）并经过空间光调制器（8）的调制并反射后，沿原路返回分束棱镜或二向色分束棱镜（7），经分束棱镜或二向色分束棱镜（7）反射的光被图像传感器（9）接收，图像传感器（9）与空间光调制器（8）均与计算机（10）进行连接；

其中，为能使空间光调制器（8）起到一个衍射分光元件的作用，在计算机（10）中制作生成衍射分光的位相掩膜图样；为单次曝光同时记录多幅相移全息图，将空间光调制器（8）上的位相加载方法调整为分区域相移加载方式；图像传感器（9）接收到的干涉图样传入计算机（10）中；

所述光路中，滤波片（4）和待测样品（5）依次被装配在白光光源（1）的出射端，由待测样品（5）反射或透射的光波入射到与其距离等于焦距的准直透镜（6）前表面上，出射的准直光束与分束棱镜或二向色分束棱镜（7）垂直，分束棱镜的后方装配纯相位型空间光调制器（8），在经过空间光调制器（8以及分束棱镜或二向色分束棱镜（7）的反射光路上装配图像传感器（9）。

2.如权利要求1中所述的非相干数字全息三维动态显微成像系统，其特征在于：所述的白光光源（1）为宽带扩展的非相干光源，所述会聚透镜（2）对光源成像，所述孔径光阑（3）位于会聚透镜（2）形成的光源像面附近。

3.如权利要求1中所述的非相干数字全息三维动态显微成像系统，其特征在于：所述的滤光片（4）中心波长为633nm，带宽为10nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm。

4.如权利要求2-5任一权利要求中所述的非相干数字全息三维动态显微成像系统，其特征在于：所述空间调制器（6）采用分辨率为1920×1080像素，像元尺寸为8μm×8μm的纯相位空间调制器，其相位线性调制范围为0-2π；图像传感器7采用1920×1080像素，像元尺寸为8μm×8μm的CCD相机,空间光调制器（6）与图像传感器（7）之间满足1：1像素匹配。

5.非相干数字全息三维动态显微成像方法，其特征在于：该方法利用空间光调制器（8）纯相位的调制模式，加载衍射分光位相图样对入射光波分光，并通过加载分区域相移位相模式用于单次曝光同时记录多幅相移全息图；具体步骤如下：

1）通过改变或调换滤光片（4），控制滤波后的中心波长、带宽，控制光源的时间相干性；通过调整孔径光阑（3）的孔径大小，控制光源的空间相干性，以及在待测样品（5）表面产生的相干面积的尺寸，从而优选图像传感器（9）的记录位置，以便在图像传感器（9上）得到边缘条纹调制度大于0.2和直径5mm以上的全息图；

2）所述空间光调制器（8）为相位型反射式空间光调制器，并在空间光调制器（8）上分别随机选取一半像素加载一个平面波和一个球面波位相图样，形成一个对入射光波分光的衍射分光图样；

3）将空间光调制器（8）的幅面分成多个2×2像素的方形区域，根据每一个区域中加载平面波位相像素的位置，额外加载相移角度；方形区域左上，右上，左下，右下位置的像素分别对应0、π/2、π、3π/2四个相移角度；在图像传感器（9）对应的像素位置分别记录多幅相移全息图；

4）根据空间光调制器（8）上加载相移角度的位置分布，将图像传感器（9）采集的全息图中带有相同相移角度的像素分别提取出来，保持它们在全息图中的相对位置不变，分别填到四幅与全息图分辨率相同的空白图片中，得到四幅相移全息图；拆分得到的全息图通过在计算机（10）中进行四步相移运算，合成为一幅包含有物光波的复值全息图；

5）全息图的再现通过在计算机（10）中对全息图应用菲涅耳标量衍射传播方法获得。