CN118999343B - 一种全息显微测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息显微测量方法及装置，涉及光学成像和数字全息技术领域。用于解决现有的数字全息测量方法检测模式单一，二维和三维检测不能同时进行，而现有的多模式检测装置需要分时或多个探测器进行测量导致测量效率低、数据同步性差和系统复杂性高等问题。包括：第一矩形光阑，其用于对第一透射光进行整形，使得第一透射光形成矩形光束；第二分光部分，用于将第一透射光分为具有间距的物光和参考光；第二矩形光阑，用于对物光和参考光进行截取，得到未重叠的部分参考光、部分物光和部分参考光重叠的重叠部分；图像探测器，其用于采集重叠部分形成的离轴全息图以及未重叠的部分参考光形成的显微图。

Description

一种全息显微测量方法及装置

技术领域

本发明涉及光学成像和数字全息技术领域，更具体的涉及一种全息显微测量方法及装置。

背景技术

显微技术通过成像和定量测量方式，提供了对微小尺度样品的二维和三维观测手段，其横向分辨率可以达到微米到纳米量级。数字全息测量技术的核心在于通过记录和重构光场的相位和振幅信息，从而实现对物体三维形貌的精确测量，具有非接触、全场和快速等优点，其广泛应用于生物细胞观测、粒子场测试和微结构测量等领域。然而，现有技术面临一些限制，使数字全息测量技术在实际应用中受到约束。特别是，现有数字全息测量技术通常只能在单一模式下工作，即只能进行三维测量。这限制了其在需要同时获得二维图像和三维形貌信息的场景中的应用，例如在生物细胞动态监测中，需要同时获取细胞的二维图像和三维结构变化信息。

专利《一种共光路相移数字全息显微测量装置》，其利用平面平晶实现共光路相移全息，但是需要压电陶瓷驱动实现相移；专利《一种剪切量可调的共光路离轴数字全息显微装置》，其通过扩束准直器和等腰三角棱镜调节，实现共光路离轴全息，但其光路结构比较复杂；专利《一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量装置》，通过普通显微成像组件也能得到相应的显微图，但是该装置需要四个探测器分别采集图像来获取这三种测量结果；某论文提供了《一种相位和荧光双模式显微测量装置》，利用该装置可以获得待测样品的相位和荧光双模式图像信息，但是该装置需要两个探测器分别采集定量相位图像和荧光图像以实现双模式检测。现有的数字全息测量方法要么仅能进行三维检测，要么是分时或分区域实现二维和三维两种模式的检测，这意味着需要先进行二维测量，再切换到三维测量模式，或者需要多个探测器同时进行。这些测量方法存在测量效率低、数据同步性差和系统复杂性高等问题。

综上所述，现有的数字全息测量方法存在检测模式单一，二维和三维检测不能同时进行，且多模式检测装置需要分时或多个探测器进行测量，导致测量效率低、数据同步性差和系统复杂性高等问题。

发明内容

本发明实施例提供一种全息显微测量方法及装置，用于现有的数字全息测量方法存在检测模式单一，二维和三维检测不能同时进行，且多模式检测装置需要分时或多个探测器进行测量，导致测量效率低、数据同步性差和系统复杂性高等问题。

本发明实施例提供一种全息显微测量装置，包括：

光源部分，其用于向第一分光部分提供平行光束；

第一分光部分，其用于将来自光源部分的平行光束进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光经过显微物镜和待测样品反射后形成第二反射光，所述第二反射光经过所述第一分光部分形成第一透射光，所述第一透射光携带待测样品表面信息；

第一矩形光阑，其位于所述第一分光部分的透射光一侧，用于对所述第一透射光进行整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；

第二分光部分，其位于所述第一矩形光阑的出光侧，用于将所述第一透射光分为具有间距的物光和参考光；

第二矩形光阑，其位于所述第二分光部分的出光侧，用于对所述物光和所述参考光进行截取，得到未重叠的部分参考光、部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；

图像探测器，其用于采集所述重叠部分形成的离轴全息图和未重叠的部分参考光形成的显微图。

优选地，所述第二分光部分为双折射晶体，所述第一透射光通过所述双折射晶体形成两束偏振态正交且传播方向相互平行的物光和参考光；或者

所述第二分光部分为双偏振光栅，所述第一透射光通过所述双偏振光栅形成两束偏振方向相互垂直且传播方向相互平行的物光和参考光；或者

所述第二分光部分为平行平板，所述第一透射光通过所述平行平板形成两束相互平行但位置不同的物光和参考光。

优选地，所述光源部分包括激光光源、依次位于所述激光光源和所述第一分光部分之间的扩束镜、小孔光阑和准直镜。

优选地，所述第一分光部分为分光棱镜。

本发明实施例提供了一种全息显微测量方法，包括：

通过第一分光部分携带有待测样品表面信息的第一透射光被第一矩形光阑整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；

所述第一透射光经过第二分光部分形成具有间距的物光和参考光，所述物光和所述参考光通过第二矩形光阑被截取，得到未重叠的部分参考光、部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；

所述未重叠的部分参考光以及所述重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图。

优选地，所述未重叠的部分参考光以及所述重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图之后，还包括：所述显微图作为所述离轴全息图的聚焦参考，与所述离轴全息图同时被图像探测器采集。

本发明实施例提供本发明实施例提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述任意一项所述全息显微测量方法。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述任意一项所述全息显微测量方法。

本发明实施例提供一种全息显微测量方法及装置，该装置包括光源部分，其用于向第一分光部分提供平行光束；第一分光部分，其用于将来自光源部分的平行光束进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光经过显微物镜和待测样品反射后形成第二反射光，所述第二反射光经过所述第一分光部分形成第一透射光，所述第一透射光携带待测样品表面信息；第一矩形光阑，其位于所述第一分光部分的透射光一侧，用于对所述第一透射光进行整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；第二分光部分，其位于所述第一矩形光阑的出光侧，用于将所述第一透射光分为具有间距的物光和参考光；第二矩形光阑，其位于所述第二分光部分的出光侧，用于对所述物光和所述参考光进行截取，得到未重叠的部分参考光、部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；图像探测器，其用于采集所述重叠部分形成的离轴全息图和未重叠的部分参考光形成的显微图。该装置通过第二分光部分可以将携带有待测样品表面信息的第一透射光分为物光和参考光，通过采集单幅图像即可同时得到显微图和离轴全息图两种模式的检测结果，实现了同步双模式检测，大大提高了检测效率，实现共光路干涉的同时，可以增加测量装置的抗干扰能力；再者，该全息显微测量装置中可以将未重叠的部分参考光所形成的显微图作为部分物体和部分参考光重叠后形成的离轴全息图的聚焦参考，有利于找到聚焦位置。该装置解决了现有的数字全息测量方法检测模式单一、二维和三维检测不能同时进行的问题，解决了多模式检测装置需要分时或多个探测器进行测量的缺陷，提高了测量效率、数据同步性以及减少了系统复杂性高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全息显微测量装置结构示意图；

图2为现有技术中未采用第一矩形光阑进行光束截取后的光束示意图；

图3为本发明实施例提供的第一矩形光阑进行光束截取后的光束示意图；

图4为本发明实施例提供的双折射晶体实现光束剪切和复制的示意图；

图5为本发明实施例提供的双偏振光栅实现光束剪切和复制的示意图；

图6为本发明实施例提供的使用双偏振光栅的全息显微测量装置结构示意图；

图7为本发明实施例提供的平行平板实现光束剪切和复制的示意图；

图8为本发明实施例提供的使用平行平板的全息显微测量装置结构示意图；

图9为本发明实施例提供的物光和参考光重叠后形成的光斑形状示意图；

图10为本发明实施例提供的第二矩形光阑进行光束截取后的光束示意图；

其中，1~激光光源、2~扩束镜、3~小孔光阑、4~准直镜、5~平面反射镜、6~待测样品、7~显微物镜、8~第一分光部分、9~第一矩形光阑、10-1~双折射晶体、10-2~双偏振光栅，10-3~平行平板、11~偏振片、12~第二矩形光阑、13~成像透镜、14~图像探测器、15~计算机、20~第一偏振光栅、21~第二偏振光栅、30~重叠部分、31~参考光、32~未重叠的部分参考光、33~物光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合图1~图10，详细介绍本发明实施例提供的全息显微测量装置。

如图1所示，该装置主要包括：光源部分，第一分光部分8，第一矩形光阑9，第二分光部分，第二矩形光阑12和图像探测器14。具体地，光源部分用于向第一分光部分8提供平行光束；第一分光部分8用于将来自光源部分的平行光束进行反射，形成第一反射光，进一步地，第一反射光通过显微物镜7照射到待测样品6的表面上，经过待测样品6反射后形成第二反射光，第二反射光通过显微镜和第一分光部分8，形成第一透射光，在本发明实施例中，第一透射光携带有待测样品6的表面信息。

在实际应用中，来自光源部分的平行光束为圆形光束，当圆形光束得到的离轴全息图和显微图进入到图像探测器之后，离轴全息图的占比会大于显微图的占比，如图2所示，圆形光束未通过第一矩形光阑截取所形成的两个图像的占比，当两束光的占比不相等时，一方面不利于图像探测器的靶面利用率，另一方面不利于离轴全息图和显微图的分开处理；在本发明实施例中，为了解决上述问题，优选地，在第一分光部分的透射光侧设置第一矩形光阑，通过第一矩形光阑对第一透射光进行整形，将圆形光束的第一透射光整形成矩形光束，整形后的矩形光束后续形成的离轴全息图和显微图，其占比为1：1，如图3所示，圆形光束通过第一矩形光阑后得到的两个图像的占比为1：1，本发明实施例中通过设置第一矩形光阑，既增加了图像探测器靶面的利用率，又便于后续显微图与全息图的分离和处理。

需要说明的是，本发明实施例提供的第一分光部分为分光棱镜。

在本发明实施例中，第一透射光在通过第一矩形光阑之后，虽然被第一矩形光阑9整形成矩形光束，但其本质还是第一透射光，所以将通过第一矩形光阑9被整形成矩形光束的第一透射光仍称为第一透射光。

进一步地，为了能够得到对第一透射光进行剪切和复制，即第一透射光被分为物光和参考光，优选地，在第一矩形光阑的出光侧设置第二分光部分，第二分光部分可以将第一透射光分光成两部分，得到具有间距的物光和参考光。

在本发明实施例中，基于第二分光部分可以将第一透射光分为具有间距的物光和参考光，基于第二矩形光阑可以对物光和参考光的截取，得到未重叠的部分参考光以及部分物光和部分参考光重叠的重叠部分，未重叠的部分参考光以及部分物光和部分参考光重叠的重叠部分通过成像透镜分别形成显微图和离轴全息图，图像探测器可以同时采集到显微图和离轴全息图，通过上述设置即实现了共光路干涉，又增加了光学系统的稳定性和抗干扰能力。

示例地，本发明实施例提供的第二分光部分可以是双折射晶体，如图4所示，当第一透射光进入双折射晶体10-1时，由于双折射晶体10-1的各向异性，第一透射光会被分解为O光和E光，由于O光和E光具有不同的折射率，它们在双折射晶体10-1中传播时会沿不同的路径传播。具体地，第一透射光进入双折射晶体10-1后，通常会分裂成两束独立的光束，这两束光彼此平行但稍微分开，且偏振方向相互垂直，在本发明实施例中，第一透射光将被双折射晶体10-1分成两束光，分别为物光和参考光，即通过双折射晶体10-1实现光束剪切和复制。

需要说明的是，图1所示的全息显微测量装置中的第二分光部分为双折射晶体10-1。

示例地，本发明实施例提供的第二分光部分可以是双偏振光栅，双偏振光栅具有衍射特性和偏振特性，可以将第一透射光分成两束不同角度和方向的物光和参考光，实现了光束的剪切和复制。具体地，如图5所示，物光通过第一偏振光栅20后，被分成两束不同角度和方向的圆偏振光，然后经过第二偏振光栅21，形成两束偏振方向相互垂直且传播方向相互平行的光束，实现了光束的剪切和复制。图6所示的全息显微测量装置中的第二分光部分为双偏振光栅10-2，双偏振光栅10-2包括第一偏振光栅20和第二偏振光栅21。

示例地，本发明实施例提供的第二分光部分可以是平行平板，平行平板通过折射和反射引起的光束偏移，实现了光束的剪切和复制。如图7所示，第一透射光经过平行平板10-3的多次反射和折射后，会产生两束相互平行但位置不同的物光和参考光。图8所示的全息显微测量装置中的第二分光部分为平行平板10-3。

进一步地，如图1所示，设置在第二分光部分出光侧的偏振片11用于两束正交偏振的物光和参考光变成振动方向相同的物光和参考光。

在本发明实施例中，振动方向相同的物光和参考光进入第二矩形光阑之前，由于部分物光和部分参考光会重叠，所以物光和参考光重叠后所形成光斑包括三部分，如图9所示，三部分分别为：部分物光和部分参考光重叠的重叠部分30、未重叠的部分参考光32和未重叠的部分物光。在本发明实施例中，为了能够只得到部分物光和部分参考光重叠的重叠部分30和未重叠的部分参考光32，优选地，在第二分光部分的出光侧设置第二矩形光阑12，物光33和参考光31通过第二矩形光阑12之后，可以将未重叠的部分物光截取掉，只保留部分物光和部分参考光重叠的重叠部分30和未重叠的部分参考光32，通过第二矩形光阑12截取后的物光和参考光所形成的图案如图10所示。

进一步地，被第二矩形光阑截取后保留的部分物光和部分参考光重叠的重叠部分以及未重叠的部分参考光，其同时通过成像透镜之后被图像探测器的靶面接收，即图像探测器接收到由重叠部分形成的离轴全息图以及未重叠的部分参考光形成的显微图。

需要说明的是，本发明实施例提供的光源部分，如图1所示，其主要包括激光光源1、依次位于激光光源1和第一分光部分8之间的扩束镜2、小孔光阑3和准直镜4。需要说明的是，若第一分光部分8和激光光源1并非设置在同一条直线上时，光源部分还包括平面反射镜5，通过平面反射镜5可以改变准直光束的传播方向，在此，对平面反射镜5的数量不做限定。

需要说明的是，本发明实施例提供的全息显微测量装置，如图1所示，其还包括计算机15，计算机15分别与光源部分和图像探测器14电连接。在图像探测器14前和设置有成像透镜13；在待测样品6前还设置有显微物镜7。

为了更清楚的介绍本发明实施例提供的全息显微测量装置，下面介绍基于全息显微测量装置的全息显微测量方法，具体的，该方法包括下列步骤：

步骤101，通过第一分光部分携带有待测样品表面信息的第一透射光被第一矩形光阑整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；

步骤102，所述透射光经过第二分光部分形成具有间距的物光和参考光，所述物光和所述参考光通过第二矩形光阑并被截取后，得到未重叠的部分所述参考光以及部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；

步骤103，未重叠的部分所述参考光以及所述重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图。

需要说明的是，在步骤101之前，来自激光光源的光束经过扩束镜、小孔光阑和准直镜之后形成准直光，准直光通过第一分光部分的反射后，形成第一反射光，第一反射光通过显微物镜和待测样品的反射后，形成第二反射光，第二反射光沿远路返回，透射过第一分光部分形成第一透射光，这里的第一透射光携带有待测样品表面信息。

在步骤101中，第一透射光通过第一矩形光阑形成矩形光束，这里第一矩形光阑设置在第一分光部分的透射光出光侧。

在步骤102中，第一透射光经过第二分光部分形成具有间距的物光和参考光，物光和参考光通过偏振片后形成振动方向相同的物光和参考光，进一步地，物光和参考光通过第二矩形光阑后，将未重叠的部分物光截取掉，得到未重叠的部分参考光以及部分物体和部分参考光重叠的重叠部分。

步骤103，未重叠的部分参考光以及重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图，同时被图像探测器采集，即在图像探测器的靶面形成显微图和离轴全息图。

综上所述，本发明实施例提供一种全息显微测量方法及装置，该装置包括光源部分，其用于向第一分光部分提供平行光束；第一分光部分，其用于将来自光源部分的平行光束进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光经过显微物镜和待测样品反射后形成第二反射光，所述第二反射光经过所述第一分光部分形成第一透射光，所述第一透射光携带待测样品表面信息；第一矩形光阑，其位于所述第一分光部分的透射光一侧，用于对所述第一透射光进行整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；第二分光部分，其位于所述第一矩形光阑的出光侧，所述第一透射光通过所述第二分光部分后形成具有间距的物光和参考光；第二矩形光阑，其位于所述第二分光部分的出光侧，用于对所述物光和所述参考光进行截取，得到未重叠的部分所述参考光以及部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；图像探测器，其用于采集所述重叠部分形成的离轴全息图以及未重叠的部分所述参考光形成的显微图。该装置通过第二分光部分可以将携带有待测样品表面信息的第一透射光分为物光和参考光，通过采集单幅图像即可同时得到显微图和离轴全息图两种模式的检测结果，实现了同步双模式检测，大大提高了检测效率，实现共光路干涉的同时，因测量装置结构简单，可以增加测量装置的抗干扰能力；再者，该全息显微测量装置中可以将未重叠的部分参考光所形成的显微图作为部分物体和部分参考光重叠后形成的离轴全息图的聚焦参考，有利于找到聚焦位置。该装置解决了现有的数字全息测量方法检测模式单一、二维和三维检测不能同时进行的问题，解决了多模式检测装置需要分时或多个探测器进行测量的缺陷，提高了测量效率、数据同步性以及减少了系统复杂性高等问题。

本发明另一实施例还提供一种计算机设备，计算机设备包括：处理器和存储器；所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令；当所述处理器执行所述计算机指令时，所述电子设备执行上述方法实施例所示的全息显微测量方法的各个步骤。

本发明另一实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机指令，当计算机指令在计算机设备上运行时，使得计算机设备执行上述方法实施例所示的全息显微测量方法各个步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种全息显微测量装置，其特征在于，包括：

光源部分，其用于向第一分光部分提供平行光束；

第一分光部分，其用于将来自光源部分的平行光束进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光经过显微物镜和待测样品反射后形成第二反射光，所述第二反射光经过所述第一分光部分形成第一透射光，所述第一透射光携带待测样品表面信息；

第一矩形光阑，其位于所述第一分光部分的透射光一侧，用于对所述第一透射光进行整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；

第二分光部分，其位于所述第一矩形光阑的出光侧，用于将所述第一透射光复制和剪切形成具有间距的物光和参考光，所述物光和所述参考光均携带待测样品表面信息；

第二矩形光阑，其位于所述第二分光部分的出光侧，用于对所述物光和所述参考光进行截取，得到未重叠的部分参考光、部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；

图像探测器，其用于采集所述重叠部分形成的离轴全息图和未重叠的部分参考光形成的显微图；

其中，所述光源部分包括激光光源、依次位于所述激光光源和所述第一分光部分之间的扩束镜、小孔光阑和准直镜；来自激光光源的光束经过扩束镜、小孔光阑和准直镜之后形成准直光，准直光通过第一分光部分的反射后，形成第一反射光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二分光部分为双折射晶体，所述第一透射光通过所述双折射晶体形成两束偏振态正交且传播方向相互平行的物光和参考光；或者

所述第二分光部分为双偏振光栅，所述第一透射光通过所述双偏振光栅形成两束偏振方向相互垂直且传播方向相互平行的物光和参考光；或者

所述第二分光部分为平行平板，所述第一透射光通过所述平行平板形成两束相互平行但位置不同的物光和参考光。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一分光部分为分光棱镜。

4.一种基于权利要求1～3任意一项所述全息显微测量装置的检测方法，其特征在于，包括：

通过第一分光部分携带有待测样品表面信息的第一透射光被第一矩形光阑整形，使得所述第一透射光形成矩形光束；

所述第一透射光经过第二分光部分复制和剪切形成具有间距的物光和参考光，所述物光和所述参考光均携带待测样品表面信息；所述物光和所述参考光通过第二矩形光阑被截取，得到未重叠的部分参考光、部分所述物光和部分所述参考光重叠的重叠部分；

所述未重叠的部分参考光以及所述重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图；

其中，来自激光光源的光束经过扩束镜、小孔光阑和准直镜之后形成准直光，准直光通过第一分光部分的反射后，形成第一反射光，第一反射光通过显微物镜和待测样品的反射后，形成第二反射光，第二反射光沿远路返回，透射过第一分光部分形成第一透射光。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述未重叠的部分参考光以及所述重叠部分通过成像透镜后形成显微图和离轴全息图之后，还包括：所述显微图作为所述离轴全息图的聚焦参考，与所述离轴全息图同时被图像探测器采集。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求4-5任意一项所述检测方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求4-5任意一项所述检测方法。