一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统的制作方法

本发明设计一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统，属于数字全息显微术(dhm)领域。

背景技术：

数字全息显微术是近些年发展起来的一种新的显微成像技术，己在生物细胞成像、mems器件和微光学器件的检测、微小物体的变形和振动测量领域中得到了广泛的应用。

数字全息显微术具有如下优点:(1)不需要对物体进行扫描，利用复振幅信息直接可以得到三维数据信息，因而三维分布信息的获取速度较快:(2)通过数字调焦技术，可获得待测样品各个层面的分布，不需要对物体进行切片:(3)对测量环境没有特殊要求，而且可以直接对活体生物进行成像，不需要在物体表面镀膜或者对物体染色:(4)测量范围较宽可以从毫米到亚微米。通过十几年的发展，数字全息显微术逐步向产品化、商业化发展。瑞士lynceetec公司开发了世界上第一部数字全息显微镜，借助它可以完成微小物体的实时记录。

然而，数字全息显微术的分辨率和传统光学显微系统一样，取决于显微物镜的数值孔径(na)以及光源的波长。2006年，有人提出的飞秒数字全息记录系统虽然可以突破ccd的帧频限制，达到飞秒量级的时间分辨率，但是这些系统的空间分辨率没有突破显微镜的分辨极限，而且它不是实时采集，只能获取几个时间点的信息。2011年，又有学者提出的一种新的方法，该虽然可以提高一定的分辨率实现实时记录，但是系统设计单一，体积较大，不能实现同轴离轴的切换和透射、反射一体。

技术实现要素：

本发明的目的是解决数字全息显微系统不能同时具有高时间分辨率、高空间分辨率等缺点，以达到同轴离轴可切换，透射、反射一体的目的。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统，其特征在于:主要包括第一光源系统、第二光源系统、光传播系统、旋转工作台和图像处理系统。

所述光传播系统包括立方分束棱镜i、立方分束棱镜ii、立方分束棱镜iii、反射镜i、反射镜ii和色散棱镜。

所述第一光源系统的激光器i发出的光束和第二光源系统的激光器ii发出的光束呈90°。这两个光束分别入射立方分束棱镜i的两个相邻面。

所述光传播系统包括立方分束棱镜i、立方分束棱镜ii、立方分束棱镜iii、反射镜i、反射镜ii和色散棱镜

从立方分束棱镜i出射的两路光束相互呈90°，一路射向立方分束棱镜ii、另外一路射向色散棱镜。

从立方分束棱镜ii出射的两路光束相互呈90°，一路穿过第一测试位置并入射立方分束棱镜iii、另外一路射向反射镜i。

所述旋转工作台可旋转到第一测试位置，也可离开第一测试位置。当旋转工作台处于第一测试位置时，穿过第一测试位置的光束依次穿过旋转工作台上的非线性晶体i、样品、消色差显微物镜i和消色差透镜i，此时，反射镜i反射光束也射向非线性晶体i，以增强照射样品的物光。

色散棱镜的出射光射向反射镜ii后，被反射向机械开关ii。若机械开关ii打开，该路光线入射立方分束棱镜iii，且与立方分束棱镜ii射向射立方分束棱镜iii的光呈90°。

所述立方分束棱镜iii出射的两路光束相互呈90°，一路射向图像传感器(ccd)、另外一路射向机械开关i。若机械开关i打开，穿过机械开关i的光线依次穿过第二测试位置上的非线性晶体ii、消色差透镜ii、消色差显微物镜ii和样品。

测试时：

1〕离轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关i，打开机械开关ii，旋转工作台处于第一测试位置。照射样品的光束和经过的机械开关ii参考光均射向立方合束棱镜iii，形成干涉图后由ccd记录下来。

2〕同轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关i，关闭机械开关ii，旋转工作台处于第一测试位置。照射样品的光束射入立方合束棱镜iii后，再射入ccd中。

3〕反射式数字全息显微实时检测：打开机械开关i，打开机械开关ii，旋转工作台离开第一测试位置。此时，反射镜i的反射光束不再射向非线性晶体i，而是射向非线性晶体i，用于增强照射样品的物光。样品被物光照射后，其反射光回到立方分束棱镜iii中，最终成像到ccd上，形成双波长复合全息图。

基于上述系统，本专利公开一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测方法。该方法中，将双波长复合全息图输入gpu中，输出重建的全息图。该方法利用非线性晶体(nl)和gpu并行计算，可以实现多平面的并行计算，提高光强，增加纵向深度，以达到高空间分辨率。该方法同时实现高时间分辨率与高空间分辨率。利用gpu并行计算，可以实现快速的计算，以达到高时间分辨率。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

1)光路设置中既有同轴部分也有离轴部分，利用内置机械开光可进行同轴、离轴光路的切换

2)透射式、反射式为一体，可以进行多类样品的观测，不仅限于透明物体的检测，也可以适用于非透明物体表面形貌检测。

3)利用gpu并行计算提高运算速度，实现实时检测。

4)利用旋转式衰减片对物光和参考光进行设置，可以定量调节物参比。

5)立方分束棱镜底座可以进行三个方向的微调，其调节精度较高，可以实现入射光角度的调节。

6)可采用双波长数字全息显微进行样品的观测，具有快速、全视场、非接触和定量相衬成像的优点。

7)光路设置比较简单，操作方便。

8)系统的集成度高，科学应用领域广泛。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统状态及光路图；

图2为本发明实施例2的系统状态及光路图；

图3为本发明实施例3的系统状态及光路图；

图4为本发明实施例4的系统构架图。

图中：第一光源系统：激光器--101、空间滤波器--102、旋转式衰减片--103、扩束准直器—104；

第二光源系统：激光器i--201、空间滤波器i--202、旋转式衰减片i--203、扩束准直器i—204；

光传播系统：立方分束棱镜i--301、立方分束棱镜--302、立方分束棱镜iii--303、反射镜i--304、反射镜ii--305、色散棱镜306；

图像处理系统：图像传感器ccd；

机械开关i--4、机械开关ii--5、旋转工作台6、非线性晶体i--601、消色差显微物镜i--602、消色差透镜i—603、样品7、非线性晶体ii--801、消色差显微物镜ii--802、消色差透镜ii—803、样品9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1～3，本实施例公开一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统，其特征在于:主要包括第一光源系统、第二光源系统、光传播系统、旋转工作台6和图像处理系统。

所述光传播系统包括立方分束棱镜301、立方分束棱镜302、立方分束棱镜303、反射镜304、反射镜305和色散棱镜306。

所述第一光源系统的激光器101发出的光束和第二光源系统的激光器201发出的光束呈90°。这两个光束分别入射立方分束棱镜301的两个相邻面。

所述光传播系统包括立方分束棱镜301、立方分束棱镜302、立方分束棱镜303、反射镜304、反射镜305和色散棱镜306

从立方分束棱镜301出射的两路光束相互呈90°，一路射向立方分束棱镜302、另外一路射向色散棱镜306。

从立方分束棱镜302出射的两路光束相互呈90°，一路穿过第一测试位置并入射立方分束棱镜303、另外一路射向反射镜304。

所述旋转工作台6可旋转到第一测试位置，也可离开第一测试位置。当旋转工作台6处于第一测试位置时，穿过第一测试位置的光束依次穿过旋转工作台6上的非线性晶体601、样品7、消色差显微物镜602和消色差透镜603，此时，反射镜304反射光束也射向非线性晶体601，以增强照射样品7的物光。

色散棱镜306的出射光射向反射镜305后，被反射向机械开关5。若机械开关5打开，该路光线入射立方分束棱镜303，且与立方分束棱镜302射向射立方分束棱镜303的光呈90°。

所述立方分束棱镜303出射的两路光束相互呈90°，一路射向图像传感器ccd、另外一路射向机械开关4。若机械开关4打开，穿过机械开关4的光线依次穿过第二测试位置上的非线性晶体801、消色差透镜803、消色差显微物镜802和样品9。

表1：

实施例中，采用的样品7是：洋葱表皮细胞

采用的样品9是：300～500μm单颗粒金刚钻

实施例1：

参见图1，离轴透射式数字全息显微系统：关闭机械开关4，打开机械开关5，旋转工作台6处于第一测试位置。照射样品7的光束和经过的机械开关5参考光均射向立方合束棱镜303，形成干涉图后由ccd记录下来。

实施例2：

参见图2，同轴透射式数字全息显微系统：

关闭机械开关4，关闭机械开关5，旋转工作台6处于第一测试位置。照射样品7的光束射入立方合束棱镜303后，再射入ccd中。

实施例3：

参见图3，反射式数字全息显微实时检测：打开机械开关4，打开机械开关5，旋转工作台6离开第一测试位置。此时，反射镜304的反射光束不再射向非线性晶体601，而是射向非线性晶体601，用于增强照射样品9的物光。样品9被物光照射后，其反射光回到立方分束棱镜303中，最终成像到ccd上，形成双波长复合全息图。

实施例4：

本实施例公开一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测方法。该方法中，将双波长复合全息图输入gpu中，输出重建的全息图。

参见图4，本实施例采用的gpu型号为teslak80，其具体参数如下：

表2：

值得说明的是，teslak80作为nvidiakepler系列中最高端的产品，它具有以下特性：

(1)动态调整

teslak80支持gpu在运行过程中，根据负载情况，进行主频的动态调整、超频，将程序的执行效率发挥到最大化。

(2)共享内存和寄存器文件容量翻倍

相比较于k20x和k10，k80的共享内存和寄存器文件增加了一倍，有效改善了流处理器阵列内的有效数据带宽。

(3)zero-power模式

在gpu没有加速工作负载的情况下，通过关闭闲置gpu(设置gpu为zero-power模式)，来进一步提高数据中心的能源利用效率。

(4)多gpu的hyper-q模式

通过多个cpu核心能够同时利用单个keplergpu，可大幅缩减cpu闲置时间，大大提升了可编程性与效率。

(5)系统监控管理

支持在gpu集群/网格系统中，对gpu芯片进行监控管理。

(6)支持ecc校验

内存和外部ddr5的dram的ecc校验，保障了超级计算中心和数据中心的计算精度和可靠性。

本实施例所述方法利用非线性晶体(nl)和gpu并行计算，可以实现多平面的并行计算，提高光强，增加纵向深度，以达到高空间分辨率。该方法同时实现高时间分辨率与高空间分辨率。利用gpu并行计算，可以实现快速的计算，以达到高时间分辨率。