[发明专利]一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置

说明书

本发明涉及一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置，沿光路方向依次包括一维周期光栅、第四透镜、滤波器和成像探测器。携带有物体信息的平行光束经过一维周期光栅后发生衍射，在第四透镜的傅里叶频谱面上，采用滤波器滤出的0级衍射光和+1级衍射光在成像探测器靶面上生成离轴全息图，并由成像探测器记录；采用数字全息领域中熟知的数值重构算法对离轴全息图进行重构，即可得到被测物体的相位信息。本发明的装置结构简单紧凑，便于装调，可以直接作为商用光学显微镜的外接设备，对生物细胞等微纳结构物体进行定量显微成像，具有很强的市场应用前景。

技术领域

本发明属于数字全息显微成像领域，特别涉及一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置。

背景技术

生物细胞/组织具有三维分布特征，三维测量是了解组织结构和活动全部信息的必要条件。然而，细胞/组织培养过程中的大部分都是未染色的原态细胞/组织，表现出透明或者半透明性质，光透过后仅相位发生了变化，波长和光强(振幅)几乎不变。采用传统光学显微镜对细胞/组织进行观测时，只能看到光强(二维)信息，不能获得细胞/组织的相位(三维)信息。因此，能够对微小型生物组织实现快速、三维、相位定量成像是生物医学界追求的目标，也是光学测量领域学者所追求的目标。数字全息显微术是将数字全息技术和显微技术相结合的定量显微相位成像技术，只需要采用一幅离轴全息图即可精确地获取样品的相位信息和振幅信息，时间分辨率高。数字全息显微成像技术的主要特点体现在：1)能够实现对物体无接触、全场同时成像、无须对物体进行任何标记，不会对被观测物体造成任何损伤；2)能够以纳米量级的高精度实现对相位物体动态定量测量，且对环境要求相对较低；3)能够同时得到物体的光强信息和相位信息。

常用的离轴数字全息显微成像技术一般采用高时空相干光源(如，激光)进行照明，不可避免会产生无法消除的激光散斑噪声和寄生条纹，影响检测分辨率的进一步提高。针对这些问题，研究人员通常会采用部分相干光源(例如LED)进行照明。需要注意的是，由于部分相干光源的相干长度非常短，以LED光源为例，其相干长度通常在二十几个微米左右。当使用传统非共光路离轴数字全息干涉光路(如，迈克尔逊干涉光路)进行记录时，由于参考光和物光发生干涉时的区域非常有限，因此不能实现全视场的显微成像。与此同时，由于物光和参考光两路光在空间中传播的路径不同，导致整个光路结构对振动比较敏感，光路的装调非常繁琐和困难。Zhuo Wang等人提出的空间光干涉显微技术(Spatial lightinterference microscopy(SLIM),Optics Express,2011,19(2):1016-1026)通过采用白光作为光源，有效克服了散斑效应，但是该技术需要采集四副具有不同相位差的Gabor全息图才能定量恢复出物体的相位信息，实时性相对较差。

发明内容

本发明提出了一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置，可以用来对如生物细胞/组织等微小物体进行定量相位检测，本发明解决了现有光学显微镜只能获得物体二维光强信息的局限性，克服了传统相干光照明或部分相干光照明数字全息成像系统存在相干噪音高和光路调整困难等技术问题，同时能够实现高动态的实时性测量。

本发明的技术解决方案为：

一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13，其特征在于：

沿光路方向依次包括一维周期光栅9，第四透镜10，滤波器11和成像探测器12。

所述一维周期光栅9设置在第四透镜10的前焦面上；

所述的滤波器11为加工在金属薄片上可以使+1衍射光频谱全部通过的大孔和仅使0级低频通过的微米级小孔，其位于第四透镜10的后焦面上；

一种外置型共光路离轴数字全息显微成像装置13的工作原理如下：