基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，包括全息圖自動采集控制模塊，數(shù)字全息圖記錄模塊，數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊，全息圖數(shù)值分析和處理模塊，相襯圖像顯示模塊。其中，全息圖自動采集控制模塊利用Labview軟件控制曝光時間、圖像采集速度；數(shù)字全息圖記錄模塊包括激光器、待測樣品以及完成全息圖形成的光學(xué)器件，其中的待測樣品進行前期微球鋪置，可利用丙酮或水對微球體進行稀釋，將稀釋好的微球體溶液用滴管將少量溶液滴到待測樣品上，靜置至丙酮或水揮發(fā)完畢，完成微球體的單層鋪置。本發(fā)明采用微球體和顯微物鏡對微細結(jié)構(gòu)進行兩次放大，可實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維相襯成像，橫向分辨率可突破衍射極限，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
【專利說明】基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)屬于高分辨率成像和數(shù)字全息【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種超分辨率數(shù)字全息成像裝置，特別是基于微球體收集近場倏逝波的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，微加工工藝和微納元件得到了廣泛應(yīng)用，為了對微細結(jié)構(gòu)進行定量的檢測和評估，迫切需求與之配套的高精度微納結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)。與傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法相比較，數(shù)字全息顯微成像具有全視場、非接觸、無損傷和定量檢測的獨特優(yōu)勢，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓毥Y(jié)構(gòu)檢測方法。由于當(dāng)前數(shù)字全息光路設(shè)計，(XD、CM0S等圖像成像器件的感光尺寸和像元尺寸的限制，這大大降低了數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)的分辨率，因此如何提高數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)的分辨率已經(jīng)成為數(shù)字全息成像領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題之一。
[0003]針對此問題，目前已經(jīng)提出了多種超分辨率數(shù)字全息成像方法，I)空間復(fù)用技術(shù):采用CCD掃描的方法獲取衍射光不同位置的信息，然后將不同位置的全息圖進行合成再現(xiàn)，或者將CCD移動亞像素級的距離記錄多幅全息圖，通過數(shù)據(jù)融合分析降低了 CCD像素的有效尺寸，達到提高分辨率的目的。2)多光束照明技術(shù):利用物體頻移與傾斜照明光的關(guān)系，通過改變照明光波的入射方向依次記錄一系列的數(shù)字全息圖，將他們按一定方式合成進行再現(xiàn)。3)光柵技術(shù):將原本落在CCD之外的高頻譜利用光柵收集起來，然后將再現(xiàn)的不同衍射級合成再現(xiàn)提高分辨率。雖然這些超分辨率方法均有效地提高了系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，但這些方法的出發(fā)點都是如何更多的收集遠場的高頻信息，而沒有有效的利用蘊含亞波長信息的近場倏逝波，因此目前的成像系統(tǒng)不能實現(xiàn)亞波長的成像分辨率。2011年Wang等人在 Nature Communicaitions 期干丨J上發(fā)表了題為 “Optical virtual imaging at50nmlateral resolution with a white-lightnanscope” 的論文,利用透明微球體實現(xiàn)了突破白光衍射極限的成像，其橫向分辨率達到SOnm15Hao等人2011年在AppliedPhysicsLetters期干丨J 上發(fā)表了 題為“Microsphere basedmicroscope with optical super-resolutioncapacity”的論文,利用角譜理論和散射理論解釋微球體成像問題。然而Wang和Hao等人均將微球體超級透鏡與普通的光學(xué)顯微鏡相結(jié)合獲取了亞波長的橫向分辨率，但不能檢測物體的軸向信息，即這些方法不能反映物體的三維形貌信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像裝置，可實現(xiàn)待測樣品的三維相襯成像，且其橫向分辨率可以突破衍射極限，具有成像分辨率高，實現(xiàn)簡單，價格低廉的優(yōu)勢。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計了一種基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，由全息圖自動采集控制模塊、數(shù)字全息圖記錄模塊、數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊、全息圖數(shù)值分析和處理模塊、相襯圖像顯示模塊組成，其中，
[0006]所述全息圖自動采集控制模塊17利用Labview軟件輸出控制信號b控制曝光時間、圖像采集速度；
[0007]所述數(shù)字全息圖記錄模塊包括激光器，半波片，偏振分束棱鏡，光纖耦合器，光纖跳線兩個，光纖衰減器，光纖準(zhǔn)直鏡，已經(jīng)鋪置了微球體的測試樣品，三維調(diào)整架，手動可調(diào)放大倍率顯微物鏡，反射鏡，衰減器，擴束準(zhǔn)直單元，顯微物鏡，合束棱鏡，圖像采集單元，其中，激光器I發(fā)射激光束al，半波片2和偏振分束棱鏡3聯(lián)合控制從偏振分束棱鏡3出射的光波a2和光波a7的光強比例,光束a2通過光纖稱合器4進第一光纖跳線5輸出光束a3,光束a3輸入光纖衰減器6，經(jīng)光纖衰減器6調(diào)節(jié)光強輸出光束a4，光束a4輸入第二光纖跳線7，第二光纖跳線7與光纖準(zhǔn)直鏡8連接，輸出平行光束a5，該平行光束照明待測樣品9輸出光束a6，待測樣品9已經(jīng)進行了前期微球鋪置工作18，待測樣品放置在三維調(diào)整架19上，以便調(diào)整待測視場和物距，光束a6入射顯微物鏡10輸出光束a7，光束a7即為經(jīng)過顯微物鏡放大的物光波；偏振分束棱鏡3出射的光束a8經(jīng)過反射鏡11入射衰減器12輸出光束a9，并經(jīng)過由顯微物鏡和透鏡構(gòu)成的擴束準(zhǔn)直單元13得到平行光束alO，利用反用的顯微物鏡14獲得球面參考光all ;物光波a7和參考光all入射合束棱鏡15，由圖像傳感器16在全息圖自動采集控制模塊17輸出的控制信號b的控制下定時記錄全息圖至全息圖自動采集控制模塊17，得到數(shù)字全息圖數(shù)據(jù)c ；
[0008]所述數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊對全息圖自動采集控制模塊17中的數(shù)字全息圖數(shù)據(jù)c進行預(yù)處理，利用切趾濾波降低邊緣衍射效應(yīng)，提高圖像信噪比；
[0009]所述全息圖數(shù)值分析和處理模塊對預(yù)處理后的數(shù)字全息圖進行數(shù)值再現(xiàn)等處理實現(xiàn)三維相襯成像，利用Labview軟件自動進行操作,流程如下:
[0010]S1:利用頻譜濾波法獲取正I級像；
[0011]S2:利用角譜法再現(xiàn)在不同再現(xiàn)距離處Ul平面處的再現(xiàn)圖像；
[0012]S3:采用自動數(shù)字對焦算法查找在d±d’范圍內(nèi)再現(xiàn)時圖像最清晰的再現(xiàn)距離，獲得物體在Ul平面的準(zhǔn)確再現(xiàn)振幅像，其中，d為記錄距離，d’為最大測量誤差。
[0013]S4:采用曲面擬合方法去除相位畸變，得到Ul平面準(zhǔn)確再現(xiàn)相位像；
[0014]S5:利用微球體成像關(guān)系獲得物體的三維相襯像；
[0015]所述相襯圖像顯示模塊利用Labview軟件對數(shù)字全息圖進行數(shù)值處理后得到的三維像結(jié)果進行顯示。
[0016]所述已經(jīng)鋪置了微球體的測試樣品采用如下方法得到，利用丙酮或水對微球體進行稀釋，將稀釋好的微球體溶液用滴管將少量溶液滴到待測樣品上，靜置至丙酮或水揮發(fā)完畢，完成微球體的單層鋪置。
[0017]所述激光器采用532nm單縱模激光器MSL-1 I 1-532nm-50mw,出光孔光斑直徑約為2mm,功率穩(wěn)定性為3%。。
[0018]本發(fā)明的工作原理為:激光器發(fā)出的激光經(jīng)過分束、耦合、衰減和擴束準(zhǔn)直獲得平行光束，該平行光束照明經(jīng)過微球體鋪置的待測樣品，利用微球體收集待測樣品的微納結(jié)構(gòu)的近場倏逝波，并將其轉(zhuǎn)換為可以遠場傳播的光波，這里微球體的功能是對待測樣品進行首次放大。該遠場傳播的放大的物光波通過顯微物鏡再次放大，并記錄經(jīng)過二次放大后的物光波與參考光波的干涉圖樣，得到數(shù)字全息圖，此全息圖已經(jīng)記錄下了蘊含近場倏逝波的亞波長信息。再利用全息圖預(yù)處理、數(shù)值再現(xiàn)、相位去畸變算法可以計算得到一次放大后的光場分布，再結(jié)合微球體的成像特性可獲取物體三維相襯像，進而獲取物體的三維微納結(jié)構(gòu)信息。
[0019]本發(fā)明由于采用如上技術(shù)方案，其具有以下特點:1、本發(fā)明采用微球體和顯微物鏡對微細結(jié)構(gòu)進行兩次放大，可以基于數(shù)字全息顯微成像裝置記錄蘊含近場倏逝波的微細結(jié)構(gòu)信息，進而使該數(shù)字全息成像裝置突破衍射極限，實現(xiàn)亞波長的橫向分辨率，同時利用數(shù)字全息系統(tǒng)還可記錄下物體的軸向信息，可以通過數(shù)值分析和處理定量獲得物體的軸向信息，從而本發(fā)明的成像裝置可以實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維相襯成像，且其橫向分辨率高達亞波長量級。2、本發(fā)明實現(xiàn)超分辨率的關(guān)鍵是對待測樣品進行微球體單層鋪置，并沒有大大增加數(shù)字全息顯微成像裝置的復(fù)雜度，且微球體價格低廉，與其他超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:通過將微球體收集近場倏逝波的功能與數(shù)字全息可實現(xiàn)三維相襯成像優(yōu)勢融合起來，對微納結(jié)構(gòu)進行二次放大，并結(jié)合數(shù)值再現(xiàn)、自動對焦、相位畸變校正算法和微球體成像理論，使得該超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)實現(xiàn)無損定量的三維相襯成像，且其橫向分辨率突破傳統(tǒng)的衍射極限，達到亞微米量級，該方法將為日益微型化的微納元件、微流控芯片等元件的微細結(jié)構(gòu)檢測提供一種超衍射極限分辨率、全視場的檢測方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)的數(shù)字全息圖記錄模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)中全息圖數(shù)值分析和處理模塊的流程圖。
[0024]圖中:1_激光器；2_半波片；3_偏振分束棱鏡；4_光纖f禹合器；5_第一光纖跳線；6-光纖衰減器；7_第二光纖跳線7 ；8-光纖準(zhǔn)直鏡；9_待測樣品；10_三維調(diào)整架；11-反射鏡；12-衰減器；13-擴束準(zhǔn)直單元；14-顯微物鏡；15-合束棱鏡；16_圖像傳感器；17_全息圖自動采集控制模塊；18_前期微球鋪置工作。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細的描述說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明包括全息圖自動采集控制模塊、數(shù)字全息圖記錄模塊、數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊、全息圖數(shù)值分析和處理模塊、相襯圖像顯示模塊，且全息圖記錄模塊中的待測樣品需要進行前期微球鋪置18。其中，全息圖自動采集控制模塊控制數(shù)字全息圖記錄模塊對待測樣品的全息圖定時記錄，并采集全息圖數(shù)據(jù)信息；數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊對全息圖數(shù)據(jù)信息進行切趾濾波降低邊緣衍射效應(yīng)，提高圖像信噪比；全息圖數(shù)值分析和處理模塊對預(yù)處理后的數(shù)字全息圖進行數(shù)值分析，得到三維相襯像；相襯圖像顯示模塊將三維相襯像顯示出來，直觀地顯示出待測樣品的三維信息。
[0027]如圖2所示，在本發(fā)明的數(shù)字全息圖記錄模塊中，激光器I發(fā)射激光束al，半波片2和偏振分束棱鏡3聯(lián)合控制從偏振分束棱鏡3出射的兩束光波a2和a7的光強比例，光束a2通過光纖稱合器4進第一光纖跳線5輸出光束a3,光束a3輸入光纖衰減器6,經(jīng)光纖衰減器6調(diào)節(jié)光強輸出光束a4,光束a4輸入第二光纖跳線7,第二光纖跳線7與光纖準(zhǔn)直鏡8連接，輸出平行光束a5，該平行光束照明待測樣品9輸出光束a6，待測樣品9已經(jīng)進行了前期微球鋪置工作18，待測樣品放置在三維調(diào)整架19上，以便調(diào)整待測視場和物距，光束a6入射顯微物鏡10輸出光束a7，光束a7即為經(jīng)過顯微物鏡放大的物光波；偏振分束棱鏡3出射的光束a8經(jīng)過反射鏡11入射衰減器12輸出光束a9，并經(jīng)過由顯微物鏡和透鏡構(gòu)成的擴束準(zhǔn)直單元13得到平行光束alO，利用反用的顯微物鏡14獲得球面參考光all ;物光波a7和參考光all入射合束棱鏡15，由圖像傳感器16在全息圖自動采集控制模塊17輸出的控制信號b的控制下定時記錄全息圖，該全息圖數(shù)據(jù)通過USB接口與計算機相連，采集到全息圖自動采集控制模塊17，得到數(shù)字全息圖數(shù)據(jù)C。
[0028]所述數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊:利用Labview軟件切趾濾波降低邊緣衍射效應(yīng)，提高圖像信噪比。
[0029]如圖3所示，本發(fā)明的全息圖數(shù)值分析和處理模塊的流程如下:
[0030]S1:利用頻譜濾波法獲取正I級像c2 ；
[0031]S2:設(shè)在記錄光路中實驗測量的記錄距離為d，根據(jù)測量工具的精度確定最大測量誤差d’，物體通過微球體成像在Ul平面上，利用角譜法再現(xiàn)在不同再現(xiàn)距離處Ul平面處的一系列再現(xiàn)圖像c3 ；
[0032]S3:采用自動數(shù)字對焦算法查找在d±d’范圍內(nèi)再現(xiàn)時圖像最清晰的再現(xiàn)距離，獲得物體在Ul平面的準(zhǔn)確再現(xiàn)振幅像c4。
[0033]S4:采用曲面擬合方法去除相位畸變，得到Ul平面準(zhǔn)確的再現(xiàn)相位像c5 ；
[0034]S5:利用微球體成像關(guān)系獲得物體的三維相襯像d。
[0035]S6:顯示三維相襯像d。
[0036]所述全息圖數(shù)值分析和處理模塊利用Labview軟件自動進行操作。
[0037]所述相襯圖像顯示模塊在計算機中利用Labview軟件，對數(shù)字全息圖進行三維相襯處理后的像進行顯示，直觀地顯示出待測樣品的三維信息。
[0038]以具有微納結(jié)構(gòu)的光柵作為待測樣品為例，利用水或者丙酮對微球體進行稀釋，將稀釋好的微球體溶液用滴管將少量溶液滴到光柵上，靜置至水或丙酮揮發(fā)完畢，即可完成微球體的單層鋪置。
[0039]上述實施中，激光器采用532nm單縱模激光器MSL-1 I 1-532nm-50mw,出光孔光斑直徑約為2mm,功率穩(wěn)定性為3%。米用與激光器對應(yīng)的傳輸波段光纖跳線532±3.2 μ m、光纖耦合器HPUC-23AF-532-3.9AS-2和光纖準(zhǔn)直徑鏡，滿足數(shù)字全息系統(tǒng)的相干長度和圖像傳感器的靈敏度對光功率的要求。
[0040]上述實施中，從三個方面調(diào)節(jié)物光波和參考光波的光強對比度，一方面，采用半波片2和偏振分束棱鏡3聯(lián)合控制偏振分束棱鏡3出射的兩束光波a2和a8的光強比例，一方面，可以采用光纖衰減器6調(diào)節(jié)物光波的光強，另一方面采用衰減器13調(diào)節(jié)參考光波的光強，達到既可以控制物光波a7和參考光波all的總光強，又可以控制物光波a7和參考光波all的光強比例，更容易提高全息圖的質(zhì)量，并滿足圖像采集傳感器對光功率范圍的要求。
[0041]本發(fā)明所涉及的基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，采用微球體收集近場倏逝波，利用預(yù)放大數(shù)字全息成像系統(tǒng)獲取物體的軸向信息，可以實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維無損定量相襯成像，且其橫向分辨率可以突破衍射極限。該發(fā)明將為微納元件、微流控芯片等元件的微細結(jié)構(gòu)檢測提供一種超衍射極限分辨率、全視場的檢測方法，可無損定量地獲取微納結(jié)構(gòu)表面的粗糙度、輪廓、動態(tài)特性等三維信息。
【權(quán)利要求】
1.基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，由全息圖自動采集控制模塊、數(shù)字全息圖記錄模塊、數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊、全息圖數(shù)值分析和處理模塊、相襯圖像顯示模塊組成，其特征在于:其中， 所述全息圖自動采集控制模塊(17)利用Labview軟件輸出控制信號(b)控制曝光時間、圖像采集速度； 所述數(shù)字全息圖記錄模塊包括激光器，半波片，偏振分束棱鏡，光纖耦合器，光纖跳線兩個，光纖衰減器，光纖準(zhǔn)直鏡，已經(jīng)鋪置了微球體的測試樣品，三維調(diào)整架，手動可調(diào)放大倍率顯微物鏡，反射鏡，衰減器，擴束準(zhǔn)直單元，顯微物鏡，合束棱鏡，圖像采集單元，其中，激光器(I)發(fā)射激光束al，半波片(2 )和偏振分束棱鏡(3 )聯(lián)合控制從偏振分束棱鏡(3 )出射的光波a2和光波a7的光強比例,光束a2通過光纖稱合器(4)進第一光纖跳線(5)輸出光束a3，光束a3輸入光纖衰減器6，經(jīng)光纖衰減器(6)調(diào)節(jié)光強輸出光束a4，光束a4輸入第二光纖跳線(7)，第二光纖跳線(7)與光纖準(zhǔn)直鏡(8)連接，輸出平行光束a5，該平行光束照明待測樣品(9)輸出光束a6，待測樣品(9)已經(jīng)進行了前期微球鋪置工作(18)，待測樣品放置在三維調(diào)整架(19)上，以便調(diào)整待測視場和物距，光束a6入射顯微物鏡(10)輸出光束a7，光束a7即為經(jīng)過顯微物鏡放大的物光波；偏振分束棱鏡(3)出射的光束a8經(jīng)過反射鏡(11)入射衰減器(12)輸出光束a9，并經(jīng)過由顯微物鏡和透鏡構(gòu)成的擴束準(zhǔn)直單元(13)得到平行光束alO，利用反用的顯微物鏡(14)獲得球面參考光all ;物光波a7和參考光all入射合束棱鏡(15)，由圖像傳感器(16)在全息圖自動采集控制模塊(17)輸出的控制信號b的控制下定時記錄全息圖至全息圖自動采集控制模塊(17)，得到數(shù)字全息圖數(shù)據(jù)c ； 所述數(shù)字全息圖預(yù)處理模塊對全息圖自動采集控制模塊(17)中的數(shù)字全息圖數(shù)據(jù)(c)進行預(yù)處理，利用切趾濾波降低邊緣衍射效應(yīng)，提高圖像信噪比； 所述全息圖數(shù)值分析和處理模塊對預(yù)處理后的數(shù)字全息圖進行數(shù)值再現(xiàn)等處理實現(xiàn)三維相襯成像，利用Labview軟件自動進行操作,流程如下: 51:利用頻譜濾波法獲取正I級像； 52:利用角譜法再現(xiàn)在不同再現(xiàn)距離處Ul平面處的再現(xiàn)圖像； 53:采用自動數(shù)字對焦算法查找在d±d’范圍內(nèi)再現(xiàn)時圖像最清晰的再現(xiàn)距離，獲得物體在Ul平面的準(zhǔn)確再現(xiàn)振幅像，其中，d為記錄距離，d’為最大測量誤差。 54:采用曲面擬合方法去除相位畸變，得到Ul平面準(zhǔn)確再現(xiàn)相位像； 55:利用微球體成像關(guān)系獲得物體的三維相襯像； 所述相襯圖像顯示模塊利用Labview軟件對數(shù)字全息圖進行數(shù)值處理后得到的三維像結(jié)果進行顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，其特征在于:所述已經(jīng)鋪置了微球體的測試樣品采用如下方法得到，利用丙酮或水對微球體進行稀釋，將稀釋好的微球體溶液用滴管將少量溶液滴到待測樣品上，靜置至丙酮或水揮發(fā)完畢，完成微球體的單層鋪置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于微球體的亞波長超分辨率數(shù)字全息成像系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器采用532nm單縱模激光器MSL-1 I 1-532nm-50mw,出光孔光斑直徑約為2mm,功率穩(wěn)定性為3%。
【文檔編號】G03H1/22GK103823353SQ201410085752
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】王云新, 王大勇, 戎路, 江竹青, 萬玉紅 申請人:北京工業(yè)大學(xué)