[發(fā)明專利]高速雙光束正交線共焦數(shù)字全息三維顯微成像方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110340717.0
• 申請(qǐng)日: 2021-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN113075871B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 職亞楠;鄒瑜;徐弼軍;田克漢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江科技學(xué)院
• 主分類號(hào): G03H1/00
• 分類號(hào): G03H1/00;G03H1/26;G03H1/04;G03H1/08
• 代理公司: 杭州萬(wàn)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33294
• 代理人: 丁海華;萬(wàn)珠明

本發(fā)明公開了一種高速雙光束正交線共焦數(shù)字全息三維顯微成像方法及裝置，激光信號(hào)通過(guò)正交線偏振態(tài)的高速切換，再經(jīng)擴(kuò)束和矩形光闌后，由偏振分束棱鏡分束為時(shí)間交替產(chǎn)生的正交線偏振兩支路；每個(gè)支路再分為參考光信號(hào)和探測(cè)光信號(hào)；將參考光信號(hào)中繼至全反射鏡并接收參考返回光信號(hào)；將探測(cè)光信號(hào)中繼至樣品平臺(tái)并接收探測(cè)掃描光信號(hào)；參考返回光信號(hào)和探測(cè)掃描光信號(hào)合束后中繼到光敏面，得到的多幀一維線共焦干涉圖經(jīng)過(guò)采集和疊加分別生成兩個(gè)方向的重建干涉場(chǎng)，再通過(guò)處理實(shí)現(xiàn)樣品平面的物光頻譜拓展，然后做角譜后向傳輸算法處理，重建物光波場(chǎng)的三維相位分布。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了橫向分辨率兩個(gè)方向的各向同性，處理算法相對(duì)簡(jiǎn)單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三維顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高速雙光束正交線共焦數(shù)字全息三維顯微成像方法及裝置。

背景技術(shù)

共焦成像技術(shù)將光源經(jīng)過(guò)物鏡聚焦后照射樣品平面，并實(shí)現(xiàn)橫向掃描，接收端采用針孔濾除非聚焦面的雜散光，提高了圖像橫向分辨率；通過(guò)軸向掃描，判斷光強(qiáng)出現(xiàn)最大值的位置即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品的軸向測(cè)量，進(jìn)而結(jié)合橫向測(cè)量結(jié)果可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的高分辨率三維掃描成像。在生命科學(xué)、半導(dǎo)體檢測(cè)和材料科學(xué)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。

目前高速共焦成像領(lǐng)域主要有以下幾類方法：基于Nipkow盤式的點(diǎn)掃描共焦成像方法，基于柱面透鏡的線掃描共焦成像方法，基于微透鏡陣列的并行共焦成像方法，基于光纖陣列的并行共焦成像方法等。基于Nipkow盤式的點(diǎn)掃描共焦成像方法采用Nipkow盤來(lái)實(shí)現(xiàn)高速掃描，速度快是此方法的最大的優(yōu)勢(shì)，但由于Nipkow盤是通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)不可避免的會(huì)引入震動(dòng)，機(jī)械震動(dòng)在高速成像的時(shí)候很難消除，因此對(duì)成像的精度有很大的影響；基于柱面鏡的線掃描共焦成像方法減小了一個(gè)維度的掃描，每次參與成像的為一條聚焦線上的所有點(diǎn)，因此成像速度也較普通的單點(diǎn)探測(cè)的有較大的優(yōu)勢(shì)。但是狹縫的引入只能抑制一個(gè)方向的雜散光束干擾，柱面透鏡軸向方向上的并非處在共焦模式上，因此在成像分辨率存在不同方向存在不同的分辨率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維橫向分辨率的各向同性；基于微透鏡陣列的并行共焦成像方法通過(guò)引入微透鏡陣列，將原來(lái)的單個(gè)點(diǎn)光源拓展為點(diǎn)光源陣列，可以認(rèn)為同一時(shí)刻很多個(gè)共焦系統(tǒng)在工作，但是微透鏡陣列的點(diǎn)光源陣列光強(qiáng)分布不均，且接收的復(fù)雜性；基于光纖陣列的并行共焦成像系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是靈活，使用范圍大，缺點(diǎn)在于陣列光纖耦合器需要較高的耦合精度與耦合一致性，對(duì)于陣列光纖的排布也有較為嚴(yán)格的要求，同時(shí)受限于目前光纖束的制造工藝，光纖束的密度也無(wú)法做很小，限制了應(yīng)用。

數(shù)字全息三維成像技術(shù)沿襲了光學(xué)全息記錄理論，利用光電探測(cè)器代替普通全息記錄介質(zhì)記錄干涉圖，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算取代光學(xué)衍射來(lái)再現(xiàn)所記錄的物光波場(chǎng)，同時(shí)獲得物光波場(chǎng)的振幅信息和相位信息，整個(gè)記錄和再現(xiàn)過(guò)程都數(shù)字化，是一種無(wú)接觸、無(wú)破壞且具有較高分辨率的測(cè)量介質(zhì)中相位變化的3D成像技術(shù)，有望成為3D微納成像領(lǐng)域研究的有力工具。

空間分辨率是評(píng)價(jià)數(shù)字全息三維顯微成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)，由成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)和記錄波長(zhǎng)共同確定。在數(shù)值孔徑一定時(shí)，采用深紫外波長(zhǎng)記錄光也可以有效提高記錄系統(tǒng)的分辨率，但是對(duì)波長(zhǎng)要求較高，同時(shí)記錄光可能會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生影響；在波長(zhǎng)一定時(shí)，使用大數(shù)值孔徑的成像物鏡可以有效提高記錄系統(tǒng)的分辨率，但是大數(shù)值孔徑的成像物鏡卻有著工作距離和焦深短以及視場(chǎng)小的缺點(diǎn)，而且成像物鏡的像差對(duì)再現(xiàn)質(zhì)量造成的影響也難以消除。另外還受到記錄器件(如CCD,CMOS)有限的光敏面尺寸及像元尺寸的限制，這在很大程度上影響了數(shù)字全息三維顯微技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。