[发明专利]高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法

摘要

一种高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法,该装置是在普通全息装置的基础上做了改进,在小孔光阑和成像设备之间加入一块分布已知的随机相位板，从而在加入待测样品后能够将更多的物光信息散射到成像设备的靶面。采集一组全息数据先用滤波法处理得到在成像设备靶面的物体衍射光斑分布,再利用改进的类似于相干衍射成像的迭代恢复算法对衍射光斑进行处理,最终恢复出分辨率比普通全息图像高的多的重构图像。本发明为改善目前的低分辨率数字全息显微成像提供了一种解决方案。

主权项

一种高分辨率数字全息显微成像装置的成像方法，该高分辨率数字全息显微成像的装置,包括氦氖激光器(1)，沿该氦氖激光器(1)的激光束方向放置分束器(2)，该分束器(2)将光束分成反射光束和透射光束，沿反射光束方向依次是第一光学衰减片(3)、第一反射镜(4)、第一空间滤波器(5)、第一准直透镜(6)、聚焦透镜(7)、小孔光阑(8)、分光棱镜(10)和成像设备(11)，沿所述的透射光束方向依次是第二光学衰减片(12)、第二空间滤波器(13)、第二准直透镜(14)、第二反射镜(15)和分光棱镜(10)，特征在于在所述的小孔光阑(8)和分光棱镜(10)之间设有随机相位板(9)，该随机相位板的相位分布已知，所述的第一反射镜(4)、第二反射镜(15)、第一空间滤波器(5)、第二空间滤波器(13)、第一准直透镜(6)、第二准直透镜(14)、聚焦透镜(7)、小孔光阑(8)、和分光棱镜(10)均与激光束垂直且中心保持在光轴上，其特征在于该方法包括以下步骤：1)将待测样品紧贴在所述的小孔光阑(8)的入射光面，打开所述的氦氖激光器(1)，所述的成像设备(11)记录一组全息数据：保留物光束和参考光束记录一幅全息干涉图，强度标记为IH；只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑图，强度标记为IO；只保留参考光束记录一幅参考光强图，强度标记为IR；2)记录的全息数据用滤波法计算出在成像设备(11)靶面处的待测样品衍射光斑分布，具体计算过程如下：a)为了消除零频的影响，先对全息干涉图进行滤波处理，滤波后的全息干涉图光强为IFH＝IH‑IO‑IR；b)对滤波后的全息干涉图进行傅里叶变换，表示对IFH进行傅里叶变换，fFH为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱fFH1和‑1级频谱fFH2；c)设定一个零矩阵f，矩阵大小与IFH相同，将+1级频谱fFH1从fFH中取出，在f中心区域范围大小与fFH1相同的区域用fFH1替代，得到更新的频谱矩阵f；d)对所述的频谱矩阵f进行逆傅里叶变换，得出在成像设备(11)靶面处的物体衍射光斑分布diffccd，表示对f进行逆傅里叶变换；3)通过计算机按下列步骤计算出高分辨率的数字全息重构图像：①设定一个大的零矩阵Diffccd，中心区域范围大小与diffccd相同的区域的值用diffccd替代，设定一个初始猜测的待测样品的透过率函数O0用于迭代；②经过n次迭代计算后的待测样品的透过率函数为；On+1＝O'n·Shole+(On‑αO'n)·(1‑Shole)On和O'n分别对应在n次迭代的更新前和更新后的待测样品的透过率函数，α为反馈常量取值限定在[0.5,1]之间，Shole在小孔光阑范围内取值为1，其他区域取值为0；③将物体透过率函数On+1传输到随机相位板(9)平面，对应的待测样品的衍射光斑分布为ψn+1；经由随机相位板(9)调制后得到出射波函数Ψn+1，Ψn+1＝ψn+1·t，其中t为已知的随机相位板分布函数；④再将出射波函数Ψn+1传输到成像设备(11)靶面，在成像设备(11)靶面形成计算出的新的衍射光斑分布Diffn+1；⑤对Diffn+1进行更新，将Diffn+1中心区域范围大小与diffccd相同的更新为diffccd，同时保持其他区域的值不变，从而得到更新的待测样品的衍射光斑分布Diff'n+1；Diff'n+1边缘区域的几个像素值设定为0，以消除傅里叶重复运算带来的噪声；⑥逆向传播Diff'n+1经过随机相位板(9)平面后到达待测待测样品平面，最终得到更新的待测样品的透过率函数分布O'n+1；在随机相位板(9)平面，引入了类似于Wigner‑filter的方程来消除随机相位板(9)对照明光的影响，方程如下：ψn+1′=ψn+1+|t||tmax|t*(|t|2+β)·(Ψn+1′-Ψn+1)]]>其中Ψ'n+1是更新后的出射波函数，ψ'n+1是在随机相位板(9)平面上更新的衍射光斑，引入β常量用来消除公式中分母出现0的情形；⑦引入均方根误差评估函数E0(n)，其中I(r)是成像设备(11)实际测得的待测样品的衍射光斑光强，即I(r)＝IO，In(r)是经过n次迭代计算后在成像设备(11)处的物体的衍射光斑光强；⑧重复步骤①到⑦，直到均方根误差E0(n)在可以接受的范围以内，并且随着迭代次数的增加，待测样品的透过率函数的准确度也在提高。