本發(fā)明屬于光學(xué)成像及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置。

背景技術(shù)：

數(shù)字全息顯微成像技術(shù)作為定量相位測量的一種重要手段，能夠利用一幅全息圖同時獨立的獲得物體定量的振幅信息和相位信息，實現(xiàn)實時動態(tài)、高分辨率、非侵入測量。該技術(shù)廣泛應(yīng)用在應(yīng)力測量、活體細(xì)胞觀測、微結(jié)構(gòu)器件三維測量等方面。

數(shù)字全息顯微技術(shù)由于引入了顯微物鏡，可以提高測量系統(tǒng)的橫向分辨率。不同放大倍率顯微物鏡可應(yīng)用在不同樣品的測量中，大數(shù)值孔徑的物鏡雖然測量視場較小，但是能夠觀察到更多的樣品的細(xì)節(jié)信息，可用于生物組織細(xì)胞的測量。反之，小數(shù)值孔徑的物鏡雖然不能得到樣品更多細(xì)節(jié)的信息，但是能夠獲得較大的測量視場，可用于菲尼爾透鏡等微陣列結(jié)構(gòu)器件測量。所以，對于不同的待測透明樣品，可以使用不同倍率的顯微物鏡。

然而，使用顯微物鏡，會在獲取的相位信息中引入相位畸變，所以使用傳統(tǒng)數(shù)字全息顯微系統(tǒng)進(jìn)行定量相位測量時，必須對此現(xiàn)象進(jìn)行相位畸變校正，才能獲得物體準(zhǔn)確的相位信息。近年來，相位畸變校正已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。

數(shù)字全息顯微成像中相位畸變校正方法，主要分為數(shù)值補(bǔ)償法和物理補(bǔ)償法兩類。數(shù)值補(bǔ)償法，即借用計算機(jī)，通過后期數(shù)值算法處理消除相位畸變，有課題組提出兩次曝光法，這種方法是分別采集有樣品和無樣品時的兩幅全息圖，求得對應(yīng)的相位相減就可以消除相位畸變，但是該方法需要采集兩幅全息圖，系統(tǒng)需要保持較高的穩(wěn)定性。還有課題組提出相位掩膜、參考共軛全息圖、澤尼克多項式擬合三種數(shù)值法來消除相位畸變。另外有人提出只采集一幅全息圖，利用最小二乘曲面擬合法就能消除相位畸變。然而數(shù)值補(bǔ)償法中需要曲線擬合、多項式擬合等數(shù)值計算，隨著記錄全息圖尺寸增大，計算量也會增大。物理補(bǔ)償法，即在測量系統(tǒng)中通過引入特定的光學(xué)元件來消除相位畸變，可用在Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)、Linnik干涉結(jié)構(gòu)。有人提出遠(yuǎn)心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法,該方法是在物光光路中使用鏡筒透鏡，與顯微物鏡形成遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，從而消除相位畸變，但是在商業(yè)數(shù)字全息顯微系統(tǒng)中，為了節(jié)省空間和保證系統(tǒng)緊湊性，常常不能滿足遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的要求。有課題組提出一種方法，該方法在參考光路加入和物光光路相同的顯微物鏡，通過調(diào)節(jié)顯微物鏡位置實現(xiàn)球面參考光和球面物光曲率相同，消除相位畸變。還有一種方法是在參考光光路引入一個普通透鏡，調(diào)節(jié)透鏡的位置產(chǎn)生不同曲率球面波匹配顯微物鏡的曲率，但是上述兩種方法都需要對透鏡進(jìn)行機(jī)械移動。

因此，在引入顯微物鏡的情況下，需要對透鏡進(jìn)行機(jī)械移動，來消除顯微物鏡帶來的相位畸變；并且，在對不同樣品進(jìn)行測量時，一方面，需要手動切換不同倍率的物鏡成像，另一方面，也需要對透鏡進(jìn)行機(jī)械移動，才能消除顯微物鏡帶來的相位畸變，不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置，旨在通過切換不同倍率顯微物鏡來滿足不同測量需求的同時，能夠利用電控變焦透鏡靈活的補(bǔ)償不同倍率顯微物鏡帶來的相位畸變，避免了光學(xué)元件的機(jī)械移動。

本發(fā)明提供了一種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置，包括：

激光器、第一分束鏡、第一光路轉(zhuǎn)向組件、第二光路轉(zhuǎn)向組件、第二分束鏡和相機(jī)；

其中，所述激光器用于發(fā)出激光，并經(jīng)過所述第一分束鏡；

所述第一分束鏡用于將所述激光分離為物光和參考光，所述物光經(jīng)過所述第一光路轉(zhuǎn)向組件，產(chǎn)生物光球面波，所述參考光經(jīng)過所述第二光路轉(zhuǎn)向組件，產(chǎn)生參考光球面波；

所述第二分束鏡，用于將所述物光球面波和所述參考光球面波輸出至所述相機(jī)的成像平面；

所述相機(jī)，用于記錄所述物光球面波和所述參考光球面波在所述相機(jī)的成像平面上干涉形成的干涉條紋圖；

其中，所述第一光路轉(zhuǎn)向組件包括顯微物鏡轉(zhuǎn)盤和顯微物鏡，所述顯微物鏡置于所述顯微物鏡轉(zhuǎn)盤中，所述顯微物鏡轉(zhuǎn)盤用于根據(jù)待測透明樣品切換不同倍率的顯微物鏡；

所述第二光路轉(zhuǎn)向組件包括電控變焦透鏡，所述電控變焦透鏡用于根據(jù)切換的顯微物鏡的倍率來改變焦距，從而使參考光經(jīng)過所述電控變焦透鏡后形成的參考光球面波的曲率與所述物光球面波的曲率相同。

進(jìn)一步地，所述第一光路轉(zhuǎn)向組件還包括：第一平面鏡；

所述第一平面鏡與所述物光呈45度角放置，所述第一平面鏡用于對物光進(jìn)行反射，并且反射光依次經(jīng)過待測透明樣品和顯微物鏡后產(chǎn)生物光球面波。

進(jìn)一步地，所述第二光路轉(zhuǎn)向組件還包括：第二平面鏡；

所述第二平面鏡與所述參考光呈45度角放置，所述第二平面鏡用于將所述參考光球面波反射到所述第二分束鏡。

進(jìn)一步地，所述第二光路轉(zhuǎn)向組件還包括：衰減片；

所述衰減片置于所述第一分束鏡和所述電控變焦透鏡之間，用于使經(jīng)過的參考光光路的光強(qiáng)發(fā)生衰減。

進(jìn)一步地，所述透射式數(shù)字全息顯微成像裝置還包括：聚光鏡；

所述聚光鏡置于所述激光器和所述第一分束鏡之間，用于使經(jīng)過的激光變成平行光。

進(jìn)一步地，所述第一分束鏡分離的反射光作為物光，分離的透射光作為參考光。

進(jìn)一步地，所述物光和參考光的比例為7：3。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明提供的一種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置，一方面，在引入顯微物鏡的情況下，可以通過改變電控變焦透鏡的焦距，來消除顯微物鏡帶來的相位畸變，避免了光學(xué)元件的機(jī)械移動；另一方面，因為引入了顯微物鏡轉(zhuǎn)盤，在針對不同的待測透明樣品時，可以利用顯微物鏡轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)方便的切換不同倍率的顯微物鏡，滿足不同的測量需求，并且，可以根據(jù)切換的顯微物鏡的倍率來改變電控變焦透鏡的焦距，使參考光經(jīng)過所述電控變焦透鏡后形成的參考光球面波的曲率與所述物光球面波的曲率相同，從而消除相位畸變；切換不同倍率顯微物鏡時既不需要手動拆卸光路，特別是對于緊湊、籠式結(jié)構(gòu)的數(shù)字全息顯微測量系統(tǒng)，又不需要對透鏡進(jìn)行機(jī)械移動，滿足了不同的測量需求，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a是本發(fā)明實施例提供的無待測透明樣品、無電控變焦透鏡時采集的干涉條紋圖；

圖2b是圖2a提供的干涉條紋圖的頻譜分布圖；

圖3a是本發(fā)明實施例提供的無待測透明樣品、有電控變焦透鏡時采集的干涉條紋圖；

圖3b是圖3a提供的干涉條紋圖的頻譜分布圖；

圖4a是本發(fā)明實施例提供的待測的生物組織樣品劍水蚤的圖樣；

圖4b是采用4倍顯微物鏡對圖4a中的大方框區(qū)域的成像相位恢復(fù)結(jié)果的示意圖；

圖4c是采用10倍顯微物鏡對圖4a中的小方框區(qū)域的成像相位恢復(fù)結(jié)果的示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的主要實現(xiàn)思想為：利用第一分束鏡將射入的激光分離為物光和參考光，物光光路中光通過待測透明樣品和顯微物鏡后，形成物光球面波；在參考光光路中，因為引入了電控變焦透鏡，可以通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)電控變焦透鏡的焦距，從而產(chǎn)生與物光球面波一樣曲率的參考光球面波，這樣物光球面波和參考光球面波在相機(jī)成像平面上形成干涉圖，消除了相位畸變；并且，由于引入了電控變焦透鏡，從而避免了物理補(bǔ)償中光學(xué)元件需要的機(jī)械移動的操作。在物光光路中，由于引入了顯微物鏡轉(zhuǎn)盤，可以根據(jù)待測透明樣品切換不同倍率的顯微物鏡，以滿足不同待測透明樣品的需求。

下面具體介紹這種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置，如圖1所示，包括：

激光器1、聚光鏡2、第一分束鏡3、第一光路轉(zhuǎn)向組件4、第二光路轉(zhuǎn)向組件5、第二分束鏡6和相機(jī)7；

其中，所述激光器1用于發(fā)出激光，所述聚光鏡2置于所述激光器1和所述第一分束鏡3之間，用于使經(jīng)過的激光變成平行光。

所述第一分束鏡3，用于將經(jīng)過所述聚光鏡2后的平行激光分離為物光和參考光。

具體地，其中，以所述第一分束器3反射的光作為物光，反射光和從聚光鏡射出的平行激光所成的夾角為90度，以所述第一分束器3透射的光作為參考光；所述物光和參考光的比例為7：3，設(shè)置成這樣的比例，并結(jié)合衰減片可以更好的調(diào)整物參光光強(qiáng)比。

所述第一光路轉(zhuǎn)向組件4包括第一平面鏡41、顯微物鏡42和顯微物鏡轉(zhuǎn)盤43，所述第一平面鏡41與所述物光呈45度角放置，所述顯微物鏡42置于所述顯微物鏡轉(zhuǎn)盤43中，所述顯微物鏡轉(zhuǎn)盤43用于根據(jù)待測透明樣品8切換不同倍率的顯微物鏡42；所述第一光路轉(zhuǎn)向組件4，用于將物光經(jīng)過所述顯微物鏡42后產(chǎn)生的物光球面波的傳播方向引導(dǎo)至所述第二分束鏡6；具體地，所述物光經(jīng)過所述第一平面鏡41反射，并依次經(jīng)過待測透明樣品8和顯微物鏡42后形成物光球面波，并射入所述第二分束鏡6。

本發(fā)明采用顯微物鏡轉(zhuǎn)盤來轉(zhuǎn)動顯微物鏡，切換不同倍率的顯微物鏡成像時不需要手動拆卸光路，特別是對于緊湊、籠式結(jié)構(gòu)的數(shù)字全息顯微測量系統(tǒng)，使操作更簡單。

進(jìn)一步地，本發(fā)明適用的待測透明樣品8為透明樣品，比如，一些生物組織細(xì)胞等；物光被所述第一平面鏡反射，并從所述透明樣品透射后經(jīng)過所述顯微物鏡，從而形成物光球面波。

所述第二光路轉(zhuǎn)向組件5包括衰減片51、電控變焦透鏡52和第二平面鏡53，所述衰減片51置于所述第一分束鏡3和所述電控變焦透鏡52之間，用于使經(jīng)過的參考光光路的光強(qiáng)發(fā)生衰減；具體地，可以通過更換不同透過率的衰減片51，來調(diào)整物參光光強(qiáng)比(即物光和參考光的光強(qiáng)比)，從而使得物光和參考光干涉時能得到較好對比度的干涉條紋。

所述電控變焦透鏡52用于根據(jù)切換的顯微物鏡的倍率來改變焦距，從而使參考光光路經(jīng)過所述電控變焦透鏡52后形成的參考光球面波的曲率與所述物光球面波的曲率相同；所述第二光路轉(zhuǎn)向組件5用于將所述參考光球面波的傳播方向引導(dǎo)至所述第二分束鏡6；具體地，所述第二平面鏡53與所述參考光呈45度角放置，所述參考光經(jīng)過所述電控變焦透鏡52后形成參考光球面波，并經(jīng)過所述第二平面鏡53反射后射入所述第二分束鏡6。

具體地，所述電控變焦透鏡52的焦距可控；更具體地，是通過電控變焦透鏡控制軟件來控制其焦距的；更具體地，所述電控變焦透鏡52不同于傳統(tǒng)的玻璃和塑料透鏡，它是一種焦距可變的透鏡，使用光學(xué)透明的彈性薄膜將液體限制在腔體當(dāng)中，通過改變對液體的壓力控制薄膜面型的變化，不同壓力產(chǎn)生不同形狀，從而改變了電控變焦透鏡52的曲率，電控變焦透鏡52的焦距隨之改變。在電控變焦透鏡52的腔體外有一個電磁驅(qū)動器，將所述電控變焦透鏡52通過USB線連接電腦，通過電腦中的電控變焦透鏡控制軟件來控制電磁驅(qū)動器的電流，通過改變流過電磁驅(qū)動器的電流，從而改變對液體的壓力，最終使焦距發(fā)生改變。

所述第二分束鏡6，用于將所述物光球面波和所述參考光球面波輸出至所述相機(jī)的成像平面。

具體地，所述物光球面波經(jīng)過所述第二分束鏡6后垂直照射所述相機(jī)7的成像平面；所述參考光球面波經(jīng)過所述第二分束鏡6后傾斜照射所述相機(jī)7的成像平面，所述物光球面波和所述參考光球面波之間呈一定的夾角。

所述相機(jī)7即CCD，用于記錄所述物光球面波和所述參考光球面波在所述相機(jī)7的成像平面上干涉形成的干涉條紋圖。

本發(fā)明介紹的基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置的核心就在于采用了電控變焦透鏡。物光光路中光通過待測透明樣品和顯微物鏡后，形成物光球面波，為了消除顯微物鏡引入的相位誤差，利用電控變焦透鏡產(chǎn)生與物光球面波一樣曲率的參考光球面波，這樣物光球面波和參考光球面波在相機(jī)成像平面上形成干涉圖，避免了傳統(tǒng)參考光路使用普通透鏡或者同等參數(shù)物鏡等光學(xué)元件需要機(jī)械移動的操作，消除了顯微物鏡帶來的相位畸變，大大提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。并且由于使用了電控變焦透鏡，可以根據(jù)需要改變電控變焦透鏡的焦距，轉(zhuǎn)動顯微物鏡轉(zhuǎn)盤來切換不同倍率物鏡時，不需要手動拆卸光路更換不同倍率顯微物鏡，特別是對于緊湊、籠式結(jié)構(gòu)的數(shù)字全息顯微測量系統(tǒng)，就可結(jié)合所述電控變焦透鏡靈活補(bǔ)償不同倍率顯微物鏡帶來的相位畸變，滿足了不同的測量需求，同時也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。后期也不需要復(fù)雜的數(shù)值計算處理過程，提高了成像的速度。

下面具體介紹利用本發(fā)明提供的使用Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)的一種基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置進(jìn)行待測透明樣品的干涉圖像采集，并進(jìn)行相關(guān)待測量數(shù)據(jù)重建的過程：

第一步：通過對裝置進(jìn)行調(diào)整，來補(bǔ)償所選擇倍率的顯微物鏡42造成的相位畸變；

具體地，物光經(jīng)過顯微物鏡42后形成物光球面波，對于不同倍率的顯微物鏡42，利用電控變焦透鏡控制軟件，通過改變電流來改變電控變焦透鏡52的焦距，從而產(chǎn)生與物光球面波相同曲率的參考光球面波，使得無待測物體時的干涉條紋圖為直條紋。其中，確定電控變焦透鏡52補(bǔ)償?shù)膮?shù)的方法，可以通過干涉條紋圖的頻譜形狀來判斷。

第二步：放置待測透明樣品于該透射式數(shù)字全息顯微成像裝置中，利用所述相機(jī)7采集一幅干涉圖圖像I；

第三步：通過傅里葉變換求得所述干涉圖圖像I的頻譜F；

第四步：選取頻譜F中的+1級頻譜；

第五步：找出+1級頻譜中能量最大值位置作為+1級頻譜的中心，然后將+1級頻譜平移到整幅頻譜中央，使得+1級頻譜的中心與整幅頻譜的中心重合；

第六步：對重合后的頻譜進(jìn)行傅里葉逆變換，得到待測透明樣品8的振幅分布和相位分布信息。

結(jié)合圖2-4所示，為了測試基于電控變焦透鏡的透射式數(shù)字全息顯微成像裝置的有效性，對得到的干涉條紋圖進(jìn)行了分析，以及對生物組織樣本劍水蚤進(jìn)行了不同倍率觀察的數(shù)字全息顯微成像。

其中，圖2a是無待測透明樣品、無電控變焦透鏡52時采集的干涉條紋圖，出現(xiàn)了圓環(huán)條紋，可以看出顯微物鏡42引入相位誤差造成的相位畸變；圖2b是圖2a的頻譜分布。

圖3a是無待測透明樣品、有電控變焦透鏡52時采集的干涉條紋圖，為直條紋，可以看出利用電控變焦透鏡52很好補(bǔ)償了相位誤差；圖3b是圖3a的頻譜分布。

圖4a是待測的生物組織樣品劍水蚤的圖樣；圖4b是采用4倍顯微物鏡42對圖4a中的大方框區(qū)域的成像相位恢復(fù)結(jié)果；圖4c是采用10倍顯微物鏡42對圖4a中的小方框區(qū)域的成像相位恢復(fù)結(jié)果。

本發(fā)明基于電控變焦透鏡，使得物光球面波和參考光球面波在相機(jī)成像平面上干涉形成干涉條紋圖，避免了傳統(tǒng)參考光路使用普通透鏡或者同等參數(shù)物鏡等光學(xué)元件需要機(jī)械移動的操作，消除了相位畸變，大大提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。并且由于使用了電控變焦透鏡，可以根據(jù)需要改變電控變焦透鏡的焦距，轉(zhuǎn)動顯微物鏡轉(zhuǎn)盤來切換不同倍率時，不需要手動拆卸光路更換不同倍率顯微物鏡，特別是對于緊湊、籠式結(jié)構(gòu)的數(shù)字全息顯微測量系統(tǒng)，就可結(jié)合所述電控變焦透鏡靈活補(bǔ)償不同倍率顯微物鏡的相位畸變，滿足了不同的測量需求，同時也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，適用于動態(tài)測量。后期也不需要復(fù)雜的數(shù)值計算處理過程，提高了成像的速度。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。