基于渦旋圓艾里光照明的暗場數(shù)字全息顯微裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種暗場數(shù)字全息技術記錄禍旋圓艾里光照明時樣品的散射光與球 面波參考光的干設條紋，具體設及一種基于禍旋圓艾里光照明的暗場數(shù)字全息顯微裝置和 方法，屬于數(shù)字全息技術領域。
【背景技術】
[0002] 數(shù)字全息技術是計算機技術和傳統(tǒng)光學全息相結合的產物，采用數(shù)字化的記錄和 再現(xiàn)方法，能夠較為方便地獲取物體的振幅信息和相位信息，而相位信息是恢復物體=維 形貌的重要參數(shù)。數(shù)字全息顯微成像主要分兩步進行；首先利用光學顯微鏡對被測物體預 放大，并用CCD記錄數(shù)字化全息圖；然后數(shù)字再現(xiàn)物體的=維圖像信息。當前數(shù)字全息顯微 成像光路多采用馬赫澤德干設光路。
[0003] 暗場顯微成像技術作為一種新興的成像技術，相對于明場顯微成像技術而言，具 有提高顯微成像分辨率、增強成像對比度、成像過程非接觸性和非破壞性等優(yōu)點。它多應用 于對無染色的透明活體細胞進行成像，可達到方便快捷地對一些病理細胞進行醫(yī)學診斷和 研究的目的。
[0004] 然而，相對于傳統(tǒng)的明場顯微成像技術而言，暗場數(shù)字全息顯微成像技術不僅可 W同時記錄物體的振幅和相位信息，而且還具有提高顯微成像的分辨率等優(yōu)點。實驗已經(jīng) 證明，相對于普通高斯光照明的暗場數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)而言，基于禍旋光照明的暗場 數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)中，由于禍旋光具有準無衍射特性、光斑尺寸可調節(jié)、有效利用率高 等優(yōu)點，使得系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于690nm，同時也提高了成像對比度。然而，雖然禍旋光具有準 無衍射特型，但是禍旋光在傳播的過程中，光斑環(huán)帶還是會隨傳播距離的增加產生一定的 展寬，同時光斑能量將不會集中在主環(huán)，隨著環(huán)帶展寬而擴散，該在某種程度上導致了系統(tǒng) 分辨率的降低，同時也增加了背景噪聲。與禍旋光相比，圓艾里光不僅具有無衍射特性，它 還具有自聚焦、自修復等特性。它的自聚焦特性使得它在傳播過程中光斑相對變小，能量相 對集中在主環(huán)上，光斑環(huán)帶幾乎無展寬，且聚焦后的光斑相對較小、焦深較長，該使得其不 僅可W進一步提高成像分辨率，同時進一步提高成像對比度。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明提供一種基于禍旋圓艾里光照明的暗場數(shù)字全 息顯微裝置及其方法，可W有效地提高數(shù)字全息系統(tǒng)的分辨率，增強再現(xiàn)像的對比度。
[0006] 本發(fā)明的實現(xiàn)分為S步，首先利用禍旋圓艾里光入射到暗場顯微物鏡后形成的環(huán) 形光錐照明物體，接著，數(shù)字全息技術將物體的散射光與參考光的干設條紋通過光電禪合 器件（CCD或CMO巧記錄到計算機中，最后再利用數(shù)字重構技術重構出物體的像。
[0007] 本發(fā)明裝置采用的技術方案如下：
[000引一種基于禍旋光照明的暗場數(shù)字全息顯微裝置，包括激光器、分光棱鏡I、分光棱 鏡II、平面反射鏡、顯微物鏡空間濾波器、顯微物鏡I、傅里葉透鏡、光闊、分光棱鏡III、空 間光調制器、暗場顯微物鏡、小球樣本、顯微物鏡II、分光棱鏡IV和光電禪合器件；其中， 激光器出射的激光照射在分光棱鏡I上，兩者的距離為0. 10-0. 15m ;分光棱鏡I、分光棱鏡 II、分光棱鏡III和分光棱鏡IV在光學平臺上構成一個矩形光路；分光棱鏡I與分光棱鏡 II在同一條水平線上，兩者的距離為1. 10-1. 20m ;分光棱鏡I與分光棱鏡III在同一條垂 直線上，分光棱鏡III與分光棱鏡IV在同一條水平線上，分光棱鏡II與分光棱鏡IV在同 一條垂直線上；
[0009] 分光棱鏡I與分光棱鏡III之間依次設有顯微物鏡空間濾波器、傅里葉透鏡和光 闊，傅里葉透鏡的前焦面位于顯微物鏡空間濾波器的出瞳位置，顯微物鏡空間濾波器與分 光棱鏡I之間的距離為0. 15-0. 20m，光闊與傅里葉透鏡之間的距離為0. 25-0. 30m，光闊與 分光棱鏡III之間的距離為0. 20-0. 25m ;所述空間光調制器設置在分光棱鏡III的后方， 兩者之間的距離為0. 12-0. 14m ;
[0010] 分光棱鏡III與分光棱鏡IV之間依次設有暗場顯微物鏡、小球樣本和顯微物鏡 II，小球樣本位于暗場顯微物鏡的后焦面上，顯微物鏡II的前焦面和小球樣本平面重合， 暗場顯微物鏡與分光棱鏡III之間的距離為0. 70-0. 75m ;所述光電禪合器件設置在分光 棱鏡IV的后方并與小球樣本為物像共輛關系，光電禪合器件與分光棱鏡IV之間的距離為 0. 12-0. 15m ；
[0011] 分光棱鏡II與分光棱鏡IV之間設有顯微物鏡I，顯微物鏡I與分光棱鏡II 之間的距離為0. 10-0. 15m ;所述平面反射鏡設置在分光棱鏡II的后方，兩者的距離為 0. 12-0. 14m。
[0012] 本發(fā)明利用上述裝置的方法，包括如下步驟：
[0013] A、搭建所述數(shù)字全息顯微裝置，打開激光器、空間光調制器和光電禪合器件的電 源；
[0014] B、激光器發(fā)出的激光通過分光棱鏡I后分為水平和垂直兩束，水平一路激光依次 通過分光棱鏡II和平面反射鏡反射到顯微物鏡I中；垂直一路激光經(jīng)顯微物鏡空間濾波器 擴束濾波后由高斯光束變?yōu)榍蛎娌?，球面波?jīng)傅里葉透鏡準直變成平面波；
[0015] C、由傅里葉透鏡發(fā)射出的平面波依次通過光闊、分光棱鏡III到達空間光調制器 的表面；
[0016] D、利用電腦驅動，在空間光調制器上加載一幅相位圖樣，W調制出禍旋圓艾里光 束，由空間光調制器調制成的禍旋圓艾里光經(jīng)過分光棱鏡III的反射，到達暗場顯微物鏡 中；
[0017] E、禍旋圓艾里光經(jīng)過暗場顯微物鏡會聚后環(huán)形光錐照明小球樣本，得到的小球的 散射光被顯微物鏡II接收，成像在光電禪合器件表面，該一路為物光；
[001引 F、由顯微物鏡I射出的球面波經(jīng)過分光棱鏡IV的反射后到達光電禪合器件的表 面，該一路為參考光；
[0019] G、在光電禪合器件表面，物光和參考光發(fā)生干設，產生干設條紋，調節(jié)分光棱鏡IV 對參考光束的反射角度，使物光和參考光夾角合適，光電禪合器件表面出現(xiàn)的干設條紋均 勻穩(wěn)定，并使用電腦驅動光電禪合器件將干設條紋記錄到磁盤驅動器；
[0020] H、將光電禪合器件記錄的干設條紋，即全息圖，讀入MTLAB軟件中，具體流程如 下：
[0021] a)頻譜獲取；對全息圖進行傅里葉變換，得到頻域中全息圖的正一級或者負一級 頻譜；b)頻譜分離；為了消除零級項和共輛項的干擾，采用頻域濾波的方式提取頻域中正 一級頻譜或者負一級頻譜；C)數(shù)字再現(xiàn)：在MTLAB軟件中對提取出來的頻譜進行逆傅里葉 變換得到物光波的復振幅；d)瑞利判據(jù)；根據(jù)瑞利判據(jù)，判定小球樣本中相鄰的小球分辨 情況，得到能夠判定或者不能判定的結論，如果能判定出相鄰的兩個或多個小球則說明該 系統(tǒng)分辨率達到或超過小球樣本中小球的直徑，如果不能判定出相鄰的兩個或多個小球則 說明該系統(tǒng)分辨率無法達到小球樣本中小球的直徑；
[002引I、更換不同尺寸直徑的小球樣本（12)，重復G-H步驟，測定出該系統(tǒng)的最高分辨 率。
[002引本發(fā)明W數(shù)字全息技術手段，利用禍旋圓艾里光環(huán)形照明和暗場顯微成像原理， 采用直徑為500nm或390nm的聚苯己締小球作為實驗樣本，使用改進的馬赫曾德干設儀獲 取樣品從暗場顯微物鏡中的散射光與球面波參考光的干設圖樣，然后在計算機中進行數(shù)值 計算獲得樣品的再現(xiàn)像。與基于禍旋光照明的暗場數(shù)字全息顯微方法相比，本發(fā)明具有更 高的分辨率和對比度，適用于實驗室中研究禍旋圓艾里光束的性質、觀察微小相位物體等 領域。本發(fā)明具有的有益效果在于：
[0024] (1)通過本發(fā)明的實施，在其他實驗器件不足或受限的情況下，可W利用實驗室中 常見的激光器、分光棱鏡、暗場顯微物鏡、反射鏡及光電禪合器件等就可W觀察微小相位物 體，為進一步觀察并研究微小相位物體提供便利；
[0025] (2)本發(fā)明可W形成暗背景下的亮物體的像，從而