利用綜合復用技術(shù)拓展數(shù)字全息顯微系統(tǒng)中的記錄視場*

吳永麗 楊勇? 翟宏琛 馬忠洪 蓋琦 鄧麗軍

1)(南開大學現(xiàn)代光學研究所,光學信息技術(shù)科學教育部重點實驗室,天津 300071)

2)(天津理工大學中環(huán)信息學院,天津 300380)

(2012年10月9日收到;2012年11月16日收到修改稿)

1 引言

數(shù)字全息顯微術(shù)被廣泛應(yīng)用于諸如生物樣品分析[1,2]、微結(jié)構(gòu)成像[3,4]和三維顯微成像等很多領(lǐng)域[5,6].但在通常的數(shù)字全息顯微系統(tǒng)中,高分辨率與大記錄視場往往無法同時兼得.為了提高探測分辨率,可在實驗中采用大數(shù)值孔徑的放大系統(tǒng).但由于記錄全息圖的電荷耦合元件(CCD)的靶面尺寸和像元尺寸(分辨率)的限制,該系統(tǒng)會無法同時實現(xiàn)大視場的記錄.為了解決這個問題,Alexandrov等[7]提出采用綜合孔徑全息顯微技術(shù),可在提高探測分辨率的同時,增加探測視場.但該類方法大多需要采用精確的掃描裝置[8],因而不能用來記錄動態(tài)被測樣品.文獻[9]提出了一種在被測樣品后放置透鏡陣列的方法.該方法通過減小物光與參考光的夾角來增加干涉的空間頻率,從而實現(xiàn)大視場的探測.文獻[10]將數(shù)字微透鏡陣列(DMD)引入到共軸數(shù)字全息顯微光路中,并利用其改變點光源的大小和位置,實現(xiàn)掃描的探測.上述拓展記錄視場的方法均需要移動CCD[8]、光源[10]、樣品[7,11]或使用特殊的光學器件[9,10],因而對記錄系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比較高,而且不能用來記錄動態(tài)被測樣品.記錄同樣大小的視場,在成像效率上與掃描式的方法相比,本文所提方法所需時間一般在毫秒量級,而掃描式所需時間取決于機械掃描機構(gòu)的響應(yīng)時間,一般為秒量級.雖然文獻[12]給出了一種采用光學非線性材料的方法實現(xiàn)了記錄視場的拓展,但該方法僅拓展了原視場的30%.

本文提出一種拓展數(shù)字全息顯微系統(tǒng)記錄視場的新方法.在該方法中,綜合運用了波長復用、偏振復用和角分復用技術(shù),無需任何形式的掃描,可同時實現(xiàn)四路被測樣品不同區(qū)域信息的記錄,并可在不犧牲分辨率的前提下,將記錄視場增大將近四倍.

2 原理

采用本文所提出的技術(shù)實現(xiàn)大視場記錄的原理為：分別利用互不相干的多束物光同時照射被測樣品的相鄰的不同區(qū)域,并使被測樣品上不同區(qū)域的信息以全息圖的方式同時被記錄在CCD的一幀畫面上.這樣無需改變系統(tǒng)的原放大率,即在不降低系統(tǒng)橫向探測分辨率的情況下,實現(xiàn)了大記錄視場的全息記錄.由于記錄過程無需掃描,記錄一幀所需時間最快可達到0.01 ms(CCD的型號為CMLN-13S2M/C),因此采用本方法適用于測量一些粒子場的分布[13]等一些動態(tài)過程.

圖1 立體角分復用技術(shù)原理示意圖

為了在CCD一幀畫面上實現(xiàn)多幅全息圖的同時記錄與分離,本文同時采用了波長復用技術(shù)[14]、偏振復用技術(shù)[15]和立體角分復用技術(shù)[16],其原理如圖1所示.其中,X0Y0平面為物平面,XHYH平面為記錄全息圖的CCD光敏面.用波長分別為λ1和λ2的兩束線偏振相干光作為光源,分別將每個波長的線偏振光分束為偏振態(tài)相互垂直的兩束光,從而獲得四束相互不相干的線偏光Oλ1,Oλ′1,Oλ2,Oλ′2.其中,Oλ1和Oλ′1為波長為λ1,且偏振態(tài)相互垂直的兩束物光;Oλ2和Oλ′2為波長同為λ2,且偏振態(tài)相互垂直的兩束物光.分別將這四束光作為探測物光,并以一定的角度照射樣品的相鄰區(qū)域,則其透射光線均可照射在CCD的光敏面XHYH平面上.采用同樣的方法,可以獲得四束互不相干的參考光,分別為Rλ1,Rλ′1,Rλ2,Rλ′2,在記錄平面上的立體角如表1所示.其中,Rλ1和Rλ′1的波長均為λ1,且其偏振態(tài)分別與Oλ1和Oλ′1相同;Rλ2和Rλ′2的波長均為λ2,且其偏振態(tài)分別與Oλ2和Oλ′2相同.由上述四組物光與參考光分別干涉形成的全息圖會在CCD的一幀圖像上以非相干的方式疊加,形成一幅復合全息圖.而且上述復合全息圖的四幅子全息圖的頻譜會因參考光的角度不同在空間上互相分離.

表1 參考光在記錄平面上與坐標軸所成角度

設(shè)Rλ,Rλ′,Rλ,Rλ′與XH軸的夾角分別為α1,1122α1′,α2,α2′;與YH軸的夾角分別為 β1,β1′,β2,β2′;物光Oλ1,Oλ′1,Oλ2,Oλ′2通過被測樣品后的復振幅分別用Dλ1,Dλ′1,Dλ2,Dλ′2表示.則包含四張子全息圖的復合全息圖的光強為||||

對上式做傅里葉變換可得

其中U(fx,fy)為I(x,y)的傅里葉變換;fx和 fy分別為x,y方向的空間頻率;U0(fx,fy)為零級項;Uλ1(fx+fα1,fy+fβ1) 和 Uλ1(fx-fα1,fy-fβ1)分別為波長λ1的物光與參考光所形成的全息 圖 的 正 負 一 級 頻 譜;Uλ′1(fx+fα1′,fy+fβ1′)和Uλ′1(fx-fα1′,fy-fβ1′)分別 是 波 長仍 為 λ1但偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°的物光與參考光所形成的全息圖的正負一級頻譜.同理,Uλ2(fx+fα2,fy+fβ2)和 Uλ2(fx-fα2,fy-fβ2) 分別是波長為 λ2的物光與參考光所形成的全息圖的正負一級頻譜;Uλ′2(fx+fα2′,fy+fβ2′)和Uλ′2(fx-fα2′,fy-fβ2′)分別為波長仍為λ2,但其偏振態(tài)為旋轉(zhuǎn)90°后的物光與參考光所形成的全息圖的正負一級頻譜.

圖2 復合全息圖頻譜分布示意圖

由(2)式的結(jié)果可以看出,因四張子全息圖的物光與參考光夾角不同,使每幅子全息圖的正負一級頻譜在頻譜空間中的位置不同,如圖2所示.通過選擇不同的濾波窗口,可將上述四幅全息圖的一級頻譜分離,并可經(jīng)相應(yīng)的再現(xiàn)衍射光場的數(shù)字計算,重構(gòu)被測樣品不同區(qū)域的振幅和相位分布圖像.最后,通過圖像拼接和圖像融合技術(shù),可實現(xiàn)接近原記錄視場四倍的大視場數(shù)字全息顯微記錄與再現(xiàn).

3 實驗系統(tǒng)

根據(jù)本文所提出的大視場記錄原理,搭建的實驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示.其中采用輸出的波長分別為λ1(632.8 nm)和λ2(532 nm)的兩臺激光器分別經(jīng)過擴束準直后由BS1耦合到同一光路中,并經(jīng)偏振分光棱鏡PBS后,使每個波長的光分別分束為兩路光偏振態(tài)互相垂直的線偏振光.此后,其分別經(jīng)BS2和BS3后被分為Rλ1,Rλ2,Oλ1,Oλ2和Rλ′1,Rλ′,Oλ′,Oλ′的八路光.其中,字母 “O”代表物光,212字母 “R”代表參考光,下標 “λ1”和 “λ2”分別代表不同的波長;上標′代表了偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了90°.所以可以分別獲得四路物光Oλ,Oλ′,Oλ,Oλ′和相應(yīng)1122的四路參考光Rλ1,Rλ′1,Rλ2,Rλ′2,且四路物光之間及四路參考光之間均互不相干.四路物光分別經(jīng)BS5,M3和BS6,M4后,照射在被測樣品的四個相鄰區(qū)域,如圖3中的物體上方圖像所示,采用濾光片F(xiàn)r和Fg可選擇出所需要的波長的物光.從樣品投射的物光與參考光經(jīng)BS7后在CCD感光面上分別干涉,從而在CCD的同一幀圖像上形成四幅相互重疊的子全息圖.

圖3 實驗系統(tǒng)圖 BE,擴束器;BS,分光棱鏡;λ/2,半波片;PBS,偏振分光棱鏡;M,反射鏡;Fr,紅光濾光片;Fg,綠光濾光片

根據(jù)采樣定理,參考光與物光的角度θ需滿足公式sinθ＜λ/2p[17],其中p為CCD的光敏單元尺寸,針對不同入射波長的光,將 p=3.75μm和λ1=632.8 nm,λ2=532 nm分別代入上式得因此,在光路設(shè)計中物光和參考光的夾角需滿足(1)式條件.而且為保證再現(xiàn)樣品的連續(xù)性,需調(diào)節(jié)物光入射角度和再現(xiàn)距離d,使物光通過樣品的相鄰區(qū)域且在CCD靶面上與參考光干涉.實驗中所拍攝的物體為Newport公司的NSAF-1951分辨率板.其拍攝區(qū)域如圖3所示.接收裝置為像元尺寸為3.75μm的1280(H)×960(V)的CMLN-13S2M/C型號CCD,與樣品的距離d為60 mm.

4 實驗結(jié)果與分析

采用圖3的實驗系統(tǒng)記錄的復合全息圖如圖4(a)所示,其傅里葉變換后的頻譜分布如圖4(b)所示.為了保證紅光與綠光的頻譜互相分離,可以調(diào)整圖3中的M1使四束參考光以不同的角度入射到CCD靶面.圖4(b)中頻譜的標注與圖3光路中的相對應(yīng).其頻譜Fλ1,Fλ′1Fλ2,Fλ′2分別對應(yīng)物光Oλ1,Oλ′1Oλ2,Oλ′2.應(yīng)用數(shù)字濾波的方法分別濾出四路光的頻譜,然后對頻譜做傅里葉變換和菲涅爾衍射光場的計算,可得到四幅子全息圖的再現(xiàn)像如圖5所示.

圖5(a)—(d)分別為Fλ1,F′λ1,Fλ2,F′λ2的再現(xiàn)像;(e)為拼接之后的圖像.其中,從圖5(d)可看出此系統(tǒng)可分辨USAF分辨率版的第5組第5單元,分辨率為50 lp/mm(20μm).圖6為在相同的實驗條件下的單路離軸記錄的全息圖、單路頻譜圖和再現(xiàn)像.其中物光為正入射,參考光與XH和YH夾角分別為87°和93°.由圖6(c)可知單路的分辨率可達到50 lp/mm(20μm),與拓展后的分辨率一致.可見本文提出的拓展視場的方法不會犧牲原光路系統(tǒng)的分辨率.分別將四幅子全息圖的再現(xiàn)像按順序拼接之后可得到大視場的重構(gòu)圖像如圖5(e)所示.考慮到再現(xiàn)像之間的重疊,通過本文提出的拓展視場的方法進行記錄和再現(xiàn)之后,可以將記錄視場拓展將近四倍,相當于將CCD的像素點數(shù)增加了將近四倍.

圖4 四路復合全息圖及傅里葉頻譜分布 (a)全息圖;(b)頻譜圖

圖5 四幅子全息圖的再現(xiàn)像及最后拼接圖像(a)—(d)分別為Fλ1,F′λ1,Fλ2,F′λ2的再現(xiàn)像;(e)拼接之后的圖像

5 結(jié)論

在數(shù)字全息顯微系統(tǒng)中,大記錄視場和高分辨率一直是人們追求的永恒目標.本文提出了一種綜合復用技術(shù)的記錄視場的方法,可在不犧牲分辨率的前提下拓展數(shù)字全息顯微記錄視場的方法.該方法無需移動CCD、樣品和光源,單次曝光即可實現(xiàn),且實驗裝置簡單,沒有復雜的數(shù)據(jù)處理過程,可用于動態(tài)樣品的實時記錄.由于沒有限制拍攝樣品,所以該方法也可用于記錄復雜的相位物體.實驗表明,該方法可以在保證原系統(tǒng)分辨率不降低的前提下,將記錄視場拓展接近四倍.

圖6 單路離軸的全息圖、頻譜和再現(xiàn)象 (a)全息圖;(b)單路頻譜圖;(c)單路再現(xiàn)圖像

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