基于涡旋圆艾里光照明的暗场数字全息显微装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种暗场数字全息技术记录祸旋圆艾里光照明时样品的散射光与球 面波参考光的干设条纹，具体设及一种基于祸旋圆艾里光照明的暗场数字全息显微装置和 方法，属于数字全息技术领域。
【背景技术】
[0002] 数字全息技术是计算机技术和传统光学全息相结合的产物，采用数字化的记录和 再现方法，能够较为方便地获取物体的振幅信息和相位信息，而相位信息是恢复物体=维 形貌的重要参数。数字全息显微成像主要分两步进行；首先利用光学显微镜对被测物体预 放大，并用CCD记录数字化全息图；然后数字再现物体的=维图像信息。当前数字全息显微 成像光路多采用马赫泽德干设光路。
[0003] 暗场显微成像技术作为一种新兴的成像技术，相对于明场显微成像技术而言，具 有提高显微成像分辨率、增强成像对比度、成像过程非接触性和非破坏性等优点。它多应用 于对无染色的透明活体细胞进行成像，可达到方便快捷地对一些病理细胞进行医学诊断和 研究的目的。
[0004] 然而，相对于传统的明场显微成像技术而言，暗场数字全息显微成像技术不仅可 W同时记录物体的振幅和相位信息，而且还具有提高显微成像的分辨率等优点。实验已经 证明，相对于普通高斯光照明的暗场数字全息显微成像系统而言，基于祸旋光照明的暗场 数字全息显微成像系统中，由于祸旋光具有准无衍射特性、光斑尺寸可调节、有效利用率高 等优点，使得系统的分辨率优于690nm，同时也提高了成像对比度。然而，虽然祸旋光具有准 无衍射特型，但是祸旋光在传播的过程中，光斑环带还是会随传播距离的增加产生一定的 展宽，同时光斑能量将不会集中在主环，随着环带展宽而扩散，该在某种程度上导致了系统 分辨率的降低，同时也增加了背景噪声。与祸旋光相比，圆艾里光不仅具有无衍射特性，它 还具有自聚焦、自修复等特性。它的自聚焦特性使得它在传播过程中光斑相对变小，能量相 对集中在主环上，光斑环带几乎无展宽，且聚焦后的光斑相对较小、焦深较长，该使得其不 仅可W进一步提高成像分辨率，同时进一步提高成像对比度。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种基于祸旋圆艾里光照明的暗场数字全 息显微装置及其方法，可W有效地提高数字全息系统的分辨率，增强再现像的对比度。
[0006] 本发明的实现分为S步，首先利用祸旋圆艾里光入射到暗场显微物镜后形成的环 形光锥照明物体，接着，数字全息技术将物体的散射光与参考光的干设条纹通过光电禪合 器件（CCD或CMO巧记录到计算机中，最后再利用数字重构技术重构出物体的像。
[0007] 本发明装置采用的技术方案如下：
[000引一种基于祸旋光照明的暗场数字全息显微装置，包括激光器、分光棱镜I、分光棱 镜II、平面反射镜、显微物镜空间滤波器、显微物镜I、傅里叶透镜、光阔、分光棱镜III、空 间光调制器、暗场显微物镜、小球样本、显微物镜II、分光棱镜IV和光电禪合器件；其中， 激光器出射的激光照射在分光棱镜I上，两者的距离为0. 10-0. 15m ;分光棱镜I、分光棱镜 II、分光棱镜III和分光棱镜IV在光学平台上构成一个矩形光路；分光棱镜I与分光棱镜 II在同一条水平线上，两者的距离为1. 10-1. 20m ;分光棱镜I与分光棱镜III在同一条垂 直线上，分光棱镜III与分光棱镜IV在同一条水平线上，分光棱镜II与分光棱镜IV在同 一条垂直线上；
[0009] 分光棱镜I与分光棱镜III之间依次设有显微物镜空间滤波器、傅里叶透镜和光 阔，傅里叶透镜的前焦面位于显微物镜空间滤波器的出瞳位置，显微物镜空间滤波器与分 光棱镜I之间的距离为0. 15-0. 20m，光阔与傅里叶透镜之间的距离为0. 25-0. 30m，光阔与 分光棱镜III之间的距离为0. 20-0. 25m ;所述空间光调制器设置在分光棱镜III的后方， 两者之间的距离为0. 12-0. 14m ;
[0010] 分光棱镜III与分光棱镜IV之间依次设有暗场显微物镜、小球样本和显微物镜 II，小球样本位于暗场显微物镜的后焦面上，显微物镜II的前焦面和小球样本平面重合， 暗场显微物镜与分光棱镜III之间的距离为0. 70-0. 75m ;所述光电禪合器件设置在分光 棱镜IV的后方并与小球样本为物像共辆关系，光电禪合器件与分光棱镜IV之间的距离为 0. 12-0. 15m ；
[0011] 分光棱镜II与分光棱镜IV之间设有显微物镜I，显微物镜I与分光棱镜II 之间的距离为0. 10-0. 15m ;所述平面反射镜设置在分光棱镜II的后方，两者的距离为 0. 12-0. 14m。
[0012] 本发明利用上述装置的方法，包括如下步骤：
[0013] A、搭建所述数字全息显微装置，打开激光器、空间光调制器和光电禪合器件的电 源；
[0014] B、激光器发出的激光通过分光棱镜I后分为水平和垂直两束，水平一路激光依次 通过分光棱镜II和平面反射镜反射到显微物镜I中；垂直一路激光经显微物镜空间滤波器 扩束滤波后由高斯光束变为球面波，球面波经傅里叶透镜准直变成平面波；
[0015] C、由傅里叶透镜发射出的平面波依次通过光阔、分光棱镜III到达空间光调制器 的表面；
[0016] D、利用电脑驱动，在空间光调制器上加载一幅相位图样，W调制出祸旋圆艾里光 束，由空间光调制器调制成的祸旋圆艾里光经过分光棱镜III的反射，到达暗场显微物镜 中；
[0017] E、祸旋圆艾里光经过暗场显微物镜会聚后环形光锥照明小球样本，得到的小球的 散射光被显微物镜II接收，成像在光电禪合器件表面，该一路为物光；
[001引 F、由显微物镜I射出的球面波经过分光棱镜IV的反射后到达光电禪合器件的表 面，该一路为参考光；
[0019] G、在光电禪合器件表面，物光和参考光发生干设，产生干设条纹，调节分光棱镜IV 对参考光束的反射角度，使物光和参考光夹角合适，光电禪合器件表面出现的干设条纹均 匀稳定，并使用电脑驱动光电禪合器件将干设条纹记录到磁盘驱动器；
[0020] H、将光电禪合器件记录的干设条纹，即全息图，读入MTLAB软件中，具体流程如 下：
[0021] a)频谱获取；对全息图进行傅里叶变换，得到频域中全息图的正一级或者负一级 频谱；b)频谱分离；为了消除零级项和共辆项的干扰，采用频域滤波的方式提取频域中正 一级频谱或者负一级频谱；C)数字再现：在MTLAB软件中对提取出来的频谱进行逆傅里叶 变换得到物光波的复振幅；d)瑞利判据；根据瑞利判据，判定小球样本中相邻的小球分辨 情况，得到能够判定或者不能判定的结论，如果能判定出相邻的两个或多个小球则说明该 系统分辨率达到或超过小球样本中小球的直径，如果不能判定出相邻的两个或多个小球则 说明该系统分辨率无法达到小球样本中小球的直径；
[002引I、更换不同尺寸直径的小球样本（12)，重复G-H步骤，测定出该系统的最高分辨 率。
[002引本发明W数字全息技术手段，利用祸旋圆艾里光环形照明和暗场显微成像原理， 采用直径为500nm或390nm的聚苯己締小球作为实验样本，使用改进的马赫曾德干设仪获 取样品从暗场显微物镜中的散射光与球面波参考光的干设图样，然后在计算机中进行数值 计算获得样品的再现像。与基于祸旋光照明的暗场数字全息显微方法相比，本发明具有更 高的分辨率和对比度，适用于实验室中研究祸旋圆艾里光束的性质、观察微小相位物体等 领域。本发明具有的有益效果在于：
[0024] (1)通过本发明的实施，在其他实验器件不足或受限的情况下，可W利用实验室中 常见的激光器、分光棱镜、暗场显微物镜、反射镜及光电禪合器件等就可W观察微小相位物 体，为进一步观察并研究微小相位物体提供便利；
[0025] (2)本发明可W形成暗背景下的亮物体的像，从而