[发明专利]高速多方向线共焦数字全息三维显微成像方法及装置

说明书

本发明公开了一种高速多方向线共焦数字全息三维显微成像方法及装置，光信号经起偏、扩束和聚焦后分为参考光信号和探测光信号；将参考光信号中继至全反射镜并接收参考返回光信号；将探测光信号中继至样品平台并接收探测扫描光信号；参考返回光信号和探测扫描光信号合束后滤除杂散光，再中继到高速线阵相机的光敏面，得到多帧一维线共焦干涉图；多帧一维线共焦干涉图经过采集和叠加生成多个扫描方向的重建干涉场，再进行处理实现样品平台的物光频谱拓展，然后对拓展后的物光频谱做处理，重建物光波场的三维相位分布。本发明可以有效地实现高速多方向线共焦数字全息显微成像，具有分辨率高的优点。

技术领域

本发明涉及三维显微成像技术领域，特别涉及高速多方向线共焦数字全息三维显微成像方法及装置。

背景技术

数字全息三维成像技术沿袭了光学全息记录理论，利用光电探测器代替普通全息记录介质记录干涉图，通过计算机数值计算取代光学衍射来再现所记录的物光波场，同时获得物光波场的振幅信息和相位信息，整个记录和再现过程都数字化，是一种无接触、无破坏且具有较高分辨率的测量介质中相位变化的3D成像技术，有望成为3D微纳成像领域研究的有力工具。

空间分辨率是评价数字全息三维显微成像系统的重要指标，由成像系统的数值孔径(NA)和记录波长共同确定。在数值孔径一定时，采用深紫外波长记录光也可以有效提高记录系统的分辨率，但是对波长要求较高，同时记录光可能会对样品产生影响；在波长一定时，使用大数值孔径的成像物镜可以有效提高记录系统的分辨率，但是大数值孔径的成像物镜却有着工作距离和焦深短以及视场小的缺点，而且成像物镜的像差对再现质量造成的影响也难以消除。另外还受到记录器件(如CCD,CMOS)有限的光敏面尺寸及像元尺寸的限制，这在很大程度上影响了数字全息三维显微技术的进一步发展及应用。

为了突破数字全息中成像系统空间带宽积的限制，研究人员提出了光栅调制数字全息、合成孔径数字全息、结构光照明数字全息、倾斜照明数字全息等方法。

从空间频域角度出发，再现像的横向分辨率由数字全息显微系统所能记录下的物体衍射的最高空间频率决定。光栅调制数字全息三维成像技术通过在物体和线阵相机光敏面之间放置衍射光栅，记录过程中利用光栅的衍射将物体衍射的高频光波再次衍射到线阵相机光敏面的靶面上，压缩物体的空间频率，在数值再现过程中加入“数字光栅”，实现横向超分辨的再现成像。但是尚不能应用于高速的数字全息成像。

合成孔径数字全息三维成像技术是一种不需要在记录系统中使用显微放大系统即可获得高分辨率再现像的技术，能突破由数值孔径决定的系统分辨率极限，但是由于传统方法需要移动成像器件或者被测物体，在记录过程中会耗费大量的时间，而且对系统的稳定性要求也会很高。

结构光照明数字全息三维成像技术，采用类似于莫尔条纹原理，通过对宽场显微镜照明的预先余弦调制，拓展接收系统频域带宽，提高截止频率，能够使系统横向分辨率提高到原来的2倍。但是在记录过程中，需要在2π范围内准确移动调制光的相位获得多幅图像，将获取的各幅干涉图像进行快速傅里叶变换。同时为了实现分辨率的各向同性，需要在多个方向上对称地采用结构光照明。在提高成像分辨率的同时却增加了物体记录与再现方面的复杂性。