[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

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于空间光调制器实现衍射分光和分区相移的非相干数字全息三维动态显微成像系统与方法，属于光学衍射成像和非相干数字全息技术领域。

背景技术

非相干光源照明的情形下，通光适当的光学技巧将来自同一点光源的光波分为两束，利用这两束光干涉记录下来的干涉图样成为子全息图，对于实际的扩展物体，可以认为是许多点源的集合，非相干光照明下物体可以认为是许多子全息图的叠加而成的，该全息图称为非相干全息图。G.Cochran等提出了三角干涉全息，T.Poon等提出荧光扫描全息，J.Rosen提出了菲涅耳非相干关联全息术，都可以实现非相干全息图的记录，但是都存在一定的局限。例如三角干涉全息光路实现相移困难、荧光全息必须扫描以及菲涅耳非相干关联全息术需要多次曝光记录多幅全息图等。为了兼顾光源的相干性、系统的结构和成像分辨率等性能，同轴系统作为记录非相干全息图的光路具有一定的优势，但是基于同轴共路拍摄得到的全息图的直流项和共轭像会与待测样品的像相互重叠，严重干扰待测样品的再现像，降低系统的成像质量。消除直流项和共轭像干扰的方法之一为相移技术，但是需要在拍摄过程中多次曝光来记录多幅相移全息图，从而不适于对动态样品或动态过程成像。目前用于解决这个问题的常用方法是单次曝光相移技术，并且已经有不同的实现单次曝光相移的方法提出，Awatsuji等人通过在图像传感器CCD前面装配一个周期性偏振的阵列器件，以达到同时记录多幅带有不同常数位相因子的相移全息图的目的。这种方法需要在光路中额外添加一个光学器件，会引入更多的畸变或噪声，而且这种器件的规格要求比较严格，制作难度大、成本高；Kimbrough等人提出了基于空间载波的方法记录的多幅相移全息图的方法，但是这种方法与离轴全息的记录方法类似，要求参考光与记录平面的法线呈一定的夹角，并且需要对参考光进行一定的位相编码。Araiza-Esquivel等人基于泰伯效应提出了一种同时记录多幅相移全息图的方法，这种方法也需要在参考光的光路上装配一个振幅型光阑，并要求光阑的参数符合图像传感器CCD的要求。可以看出，为了同时记录多幅相移全息图，需要一些特殊器件的辅助，这些器件在规格要求以及制作难度上往往都很高，并且多余的光学器件不仅会使成像系统复杂，也会增加光路的畸变和噪声。上述单次曝光相移的方法都是针对采用激光等良好相干光源的数字全息系统中。非相干数字全息系统中目前尚未有关于采用单次曝光相移的方法报道。

发明内容

为了使非相干全息术可以用于记录动态样品或动态过程，并且保证不增加系统的复杂性、不需要额外添加和制作辅助器件获取单次曝光多相移全息图，本发明提供了一种基于空间光调制器实现衍射分光和分区域相移的单曝光非相干数字全息三维动态显微成像的系统与方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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。

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。

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。