[發明專利]基于微球體的亞波長超分辨率數字全息成像系統

有效

• 申請號: 201410085752.2
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103823353A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 王云新;王大勇;戎路;江竹青;萬玉紅
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G03H1/12
• 分類號: G03H1/12;G03H1/22
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

基于微球體的亞波長超分辨率數字全息成像系統屬于高分辨率成像和數字全息技術領域，涉及一種超分辨率數字全息成像裝置，特別是基于微球體收集近場倏逝波的亞波長超分辨率數字全息成像裝置。

背景技術

隨著納米科學和微電子技術的快速發展，微加工工藝和微納元件得到了廣泛應用，為了對微細結構進行定量的檢測和評估，迫切需求與之配套的高精度微納結構檢測技術。與傳統的光學成像方法相比較，數字全息顯微成像具有全視場、非接觸、無損傷和定量檢測的獨特優勢，是一種具有發展潛力的微細結構檢測方法。由于當前數字全息光路設計，CCD、CMOS等圖像成像器件的感光尺寸和像元尺寸的限制，這大大降低了數字全息顯微成像系統的分辨率，因此如何提高數字全息顯微成像系統的分辨率已經成為數字全息成像領域中的關鍵問題之一。

針對此問題，目前已經提出了多種超分辨率數字全息成像方法，1）空間復用技術：采用CCD掃描的方法獲取衍射光不同位置的信息，然后將不同位置的全息圖進行合成再現，或者將CCD移動亞像素級的距離記錄多幅全息圖，通過數據融合分析降低了CCD像素的有效尺寸，達到提高分辨率的目的。2）多光束照明技術：利用物體頻移與傾斜照明光的關系，通過改變照明光波的入射方向依次記錄一系列的數字全息圖，將他們按一定方式合成進行再現。3）光柵技術：將原本落在CCD之外的高頻譜利用光柵收集起來，然后將再現的不同衍射級合成再現提高分辨率。雖然這些超分辨率方法均有效地提高了系統的數值孔徑，但這些方法的出發點都是如何更多的收集遠場的高頻信息，而沒有有效的利用蘊含亞波長信息的近場倏逝波，因此目前的成像系統不能實現亞波長的成像分辨率。2011年Wang等人在Nature?Communicaitions期刊上發表了題為“Optical?virtual?imaging?at50nm?lateral?resolution?with?a?white-lightnanscope”的論文，利用透明微球體實現了突破白光衍射極限的成像，其橫向分辨率達到50nm。Hao等人2011年在AppliedPhysicsLetters期刊上發表了題為“Microsphere?basedmicroscope?with?optical?super-resolution?capacity”的論文，利用角譜理論和散射理論解釋微球體成像問題。然而Wang和Hao等人均將微球體超級透鏡與普通的光學顯微鏡相結合獲取了亞波長的橫向分辨率，但不能檢測物體的軸向信息，即這些方法不能反映物體的三維形貌信息。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于微球體的亞波長超分辨率數字全息成像裝置，可實現待測樣品的三維相襯成像，且其橫向分辨率可以突破衍射極限，具有成像分辨率高，實現簡單，價格低廉的優勢。

為了實現上述目的，本發明設計了一種基于微球體的亞波長超分辨率數字全息成像系統，由全息圖自動采集控制模塊、數字全息圖記錄模塊、數字全息圖預處理模塊、全息圖數值分析和處理模塊、相襯圖像顯示模塊組成，其中，

所述全息圖自動采集控制模塊17利用Labview軟件輸出控制信號b控制曝光時間、圖像采集速度；

所述數字全息圖記錄模塊包括激光器，半波片，偏振分束棱鏡，光纖耦合器，光纖跳線兩個，光纖衰減器，光纖準直鏡，已經鋪置了微球體的測試樣品，三維調整架，手動可調放大倍率顯微物鏡，反射鏡，衰減器，擴束準直單元，顯微物鏡，合束棱鏡，圖像采集單元，其中，激光器1發射激光束a1，半波片2和偏振分束棱鏡3聯合控制從偏振分束棱鏡3出射的光波a2和光波a7的光強比例，光束a2通過光纖耦合器4進第一光纖跳線5輸出光束a3，光束a3輸入光纖衰減器6，經光纖衰減器6調節光強輸出光束a4，光束a4輸入第二光纖跳線7，第二光纖跳線7與光纖準直鏡8連接，輸出平行光束a5，該平行光束照明待測樣品9輸出光束a6，待測樣品9已經進行了前期微球鋪置工作18，待測樣品放置在三維調整架19上，以便調整待測視場和物距，光束a6入射顯微物鏡10輸出光束a7，光束a7即為經過顯微物鏡放大的物光波；偏振分束棱鏡3出射的光束a8經過反射鏡11入射衰減器12輸出光束a9，并經過由顯微物鏡和透鏡構成的擴束準直單元13得到平行光束a10，利用反用的顯微物鏡14獲得球面參考光a11；物光波a7和參考光a11入射合束棱鏡15，由圖像傳感器16在全息圖自動采集控制模塊17輸出的控制信號b的控制下定時記錄全息圖至全息圖自動采集控制模塊17，得到數字全息圖數據c；