[发明专利]一种高分辨率数字全息衍射层析成像

说明书

一种高分辨率数字全息衍射层析成像，属于数字全息技术和衍射层析成像领域。由数字全息衍射层析成像装置，利用合成孔径方法得到N幅合成高分辨率全息图，进而获得被测样品的高分辨率三维折射率再现。为了提高系统的成像分辨率，将合成孔径方法引入到数字全息衍射层析成像系统中，利用二维电动平移台移动CCD，采集原始全息图周围的高频信息，当振镜角度为θ时，记录M×M(M≥3)幅子全息图，将M×M幅子全息图进行强度配准和图像错位亚像素微位移等处理，得到一幅合成高分辨率全息图。通过数字全息衍射层析方法和合成孔径方法相结合实现高分辨率的三维成像。数字全息衍射层析成像系统能够实现非接触、无标记、无损、三维层析成像测量。

技术领域

本发明属于数字全息技术和衍射层析成像领域，涉及一种高分辨率数字全息衍射层析成像方法，可实现物体的高分辨率三维层析成像。

背景技术

数字全息衍射层析是一种光学衍射层析成像技术，是数字全息技术与衍射层析技术的融合体。它的三维重建是由以下两个步骤组成的：1)数字全息图的记录及再现过程。即先通过数字全息的方法记录被测物体在多个方向上的全息图，然后采用频谱滤波等方法对其进行数值再现。2)采用衍射层析算法进行三维重建过程。以数字全息再现得到的数据为源数据，然后采用傅里叶衍射定理进行衍射层析重建。光学衍射层析成像的原理最早是由wolf提出，他从非均匀介质的波动方程出发，给出了光波透过样品之后的散射场和样品物体函数之间的关系。数字全息衍射层析技术可以实现被测物体三维轮廓及内部三维结构的测量，因此该方法可为工业检测、生物医学研究提供有效的成像手段。然而，受到CCD靶面尺寸的限制，在记录面记录全息图时，物光和参考光的干涉条纹所占面积往往大于CCD靶面尺寸，导致代表物体细节的高频信息缺失，降低了衍射层析系统的成像分辨率。

发明内容

为了获得更高的系统成像分辨率，就需要采集物体的更多高频信息，针对上述问题，本发明将合成孔径方法与衍射层析相结合，借助CCD的二维平移，等效于提高CCD的靶面尺寸，获得更多物体的高频信息。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高分辨率数字全息衍射层析成像装置及方法，由数字全息衍射层析成像装置，利用合成孔径方法得到N幅合成高分辨率全息图，并获取被测样品的复振幅分布、三维折射率分布来实现，其具体方法步骤如下：

一、在激光器的输出光路上依次垂直放置连续衰减片、分束棱镜，激光束通过分束棱镜后分为两束偏振光，一束光经过扩束滤波系统作为平行参考光照射到合束棱镜上，另一光束依次通过透镜A、透镜B、振镜、聚光透镜、样品、油浸显微物镜、透镜C，振镜可以改变照明光束的方向，两光束在合束棱镜的作用下以一定物参夹角在CCD靶面上相遇发生干涉，通过调整合束棱镜来控制物参夹角使其满足尼奎斯特抽样定理和再现像分离条件；CCD放置在二维电动平移台上用于记录全息图。

二、单幅合成高分辨率全息图的采集：数字全息成像过程中，光源照射样品后的物光与参考光干涉得到全息图，其中高频信息反映了样品再现复振幅的细节，低频信息代表了样品再现复振幅分布的轮廓。为了提高再现像的分辨率，引入合成孔径方法，本发明中，我们定义CCD直接采集到的全息图为原始全息图，原始全息图周围的全息图称为子全息图。合成孔径方法利用二维电动平移台移动CCD，当振镜角度为θ时，记录M×M(M≥3)幅子全息图，保证两幅子全息图之间有10％以上的交叠区域，完成原始全息图周围条纹的探测和采集，将M×M幅子全息图进行强度配准和图像错位亚像素微位移等处理，得到一幅合成高分辨率全息图。本发明中，通过LabView软件编写平移台控制程序，可设置平移台在水平和垂直方向上的步长间距、停留时间和运动速度等参数，通过软件控制平移台的移动，使CCD能够自动在不同位置探测M×M幅子全息图。

三、N幅合成高分辨率全息图的获取：当固定振镜的照明角度为θ时，记录子全息图，用上述合成孔径方法得到一个合成高分辨率全息图，当振镜照明角度分别为θ+nΔθ，其中Δθ为照明角度基本变化量，并且n＝0,1,2…N-1时，就得到N幅合成高分辨率全息图。