一种图像记录系统及方法技术方案

本申请涉及一种显微图像记录系统及记录方法。该记录系统通过将激光器发出的光分为两束光波，其中一束光波携带物体的信息，另外一束光波经扩束准直后再经过显微物镜形成球面光波；两束光波经过合束镜后在CCD上相干涉形成全息图，并通过计算机对该干涉图样进行再现从而得到物体的三维显微图像。该计算机能够自动控制合束镜的旋转，从而调节球面光波的核心位置，使得到的再现像中原始像与中间干扰项刚好分离，从而获得高质量的再现像。

【技术实现步骤摘要】
一种图像记录系统及方法
本申请涉及一种显微图像的记录，属于光学成像领域。
技术介绍
通常的显微镜，主要是通过透镜组获得，这样获得的显微图像无法记录保存，观察后对图像的细节很快就记不清楚。随着半导体技术和激光技术的不断发展，现阶段出现了一种数字显微镜，其能够在获得成像物体的强度图像的同时，获得成像物体的位相图像，或者说其能够获得成像物体的三维图像，并且能够将获得的三维图像永久的保存。数字显微镜技术又名数字全息术，用CCD采集成像物体的全息图，将全息图输入计算机中，在计算机中利用算法模拟实际的全息图再现过程，从而在计算机中重建物体的三维图像。全息图的再现像相对于普通的数码相机获取的图像，全息图的再现像除了具有强度图像外，还有位相图像，即物体的三维形貌图像，因此数字全息术中最关键的是物体位相信息的重建。现有数字全息术中，大部分采用离轴全息的方式获得数字全息图像，离轴全息的记录系统中，从激光器中出射的激光经分束镜后分成两束光，一束经物体(sample)后携带物体的信息(因此称作物光波)，经合束镜BS后到达CCD靶面，另一束(称作参考光波)经扩束准直后经反射镜M2反射，再经合束镜反射到达CCD靶面与物光波干涉形成干涉图像(即全息图)。现有技术中，离轴数字全息主要分为离轴菲涅耳数字全息和离轴无透镜傅里叶变换数字全息，离轴菲涅尔数字全息的记录中，参考光采用平面光波，当用平面参考光波记录数字全息图时，其记录系统的结构决定了干涉光场中部分区域干涉条纹频率低，部分区域频率高，使得CCD的带宽不能充分被利用，且记录距离受到CCD光敏面大小的限制，再现像的分辨率难于提高。专利技术内容本申请提供一种显微成像系统，采用球面参考光波记录数字全息图，从而提高再现像的分辨率。本申请采用以下技术方案：一种显微图像记录系统，包括激光器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第一反射镜4、第一扩束准直镜5、透明物体6、合束镜7(半透射半反射)、CCD8、第二半波片9、第二扩束准直镜10、第二反射镜11、显微物镜12以及计算机13；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片以及第二扩束准直镜10形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜进入显微物镜形成球面参考光波、所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述球面参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存，所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制参考点光源的位置，以获得最佳全息图，所述干涉图样经重建后能够获得的再现像中原始像、共轭像以及中间干扰项刚好分离。其特征在于：还包括角度调节系统，所述角度调节系统包括：支撑平台、旋转轴、拉绳、位移探测器、驱动电机；合束镜固定在支撑平台上，通过旋转轴的旋转，带动合束镜旋转，从而调节参考点光源在物平面的位置，旋转轴的旋转带动拉绳的位移，拉绳的移动距离通过位移探测器监测，通过位移探测器获得拉绳的移动距离，进而获得旋转轴的旋转角度。本申请采用球面参考光波记录全息图，干涉场的条纹空间频率相对较低，从而使数字全息图记录的采样条件容易满足，尤其是按照无透镜傅里叶变换全息术的方法布置记录光路时，由于干涉条纹接近于平行且间距相等，可以充分利用CCD的有限带宽。而且允许的最小记录距离不受CCD大小的限制，对于微小物体可以以很小的距离记录全息图，获得更多的信息，有利于再现像分辨率的提高，因此用球面参考光波记录无透镜傅里叶变换数字全息图是实现高分辨率成像的有效途径。附图说明图1：球面参考光波数字全息图记录的坐标示意图；图2：离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统；图3：角度调节自动控制系统。具体实施方式球面参考光波数字全息图的记录光路以及分析所用的坐标系统如图1所示，其中x0-y0平面为物平面，x-y平面为全息图平面，z轴垂直通过两平面中心，参考点源的位置坐标为(xr,yr,zr)，其中zr表示点源到CCD平面的距离。在实际应用中，常取zr>z0。根据菲涅耳衍射公式，在近轴近似条件下，忽略常数位相因子，到达CCD平面的物光波及参考光波分别为全息图中代表原始像的项是UO*，经过整理后得到其中衍射场中各点的位相及沿x、y两个方向的条纹空间频率分别是考虑到z0、zr均为正，且zr≥z0，则全息图条纹最大和最小空间频率分别为根据尼奎斯特抽样定理，要求由式(1-8)、(1-9)可以得到为满足抽样定理对参考光偏置所加的限制条件如下：晕轮光|U|2的空间频率沿x、y方向空间频率的最大值为分别是为为了使再现像相互分离，只要恰当设置参考光的位置使零级衍射项、原始像和共轭像的频谱互不重叠即可，即要求从而得到球面参考光波离轴全息中，对参考光源位置设置的另一个限制条件，即再现像的分离条件为结合(1-10)式即可确定参考点源的位置，式中zr的大小是由对再现像的放大倍率要求以及再现参考光波的形式共同决定的。利用球面参考光波记录全息图方法中，应用较多的是离轴无透镜傅里叶变换全息及同轴相移无透镜傅里叶变换全息。离轴光路的优点是零级、正负一级衍射像是彼此分离的，干扰项滤除比较容易，并可由单幅全息图重建。下面对离轴无透镜傅里叶变换全息进行讨论。离轴无透镜傅里叶变换全息是数字全息技术中常用的记录光路结构之一。离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统如图2所示，包括激光器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第一反射镜4、第一扩束准直镜5、透明物体6、合束镜7(半透射半反射)、CCD8、第二半波片9、第二扩束准直镜10、第二反射镜11、显微物镜12以及计算机13；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片以及第二扩束准直镜10形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜进入显微物镜形成球面参考光波、所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述球面参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图。此时记录参考点源位于物平面上，zr＝z0，代入(1-10)式和(1-13)式，得到同时满足抽样条件和再现像分离条件的偏置要求其中等号表示临界分离与临界抽样，解之可得出最小记录距离z0min＝max(4X/λΔx,4Y/λΔy)(1-15)式中max表示取二者中较大的值。从上面的分析可见无透镜傅里叶变换全息的再现像的分离程度与参考点光源的坐标相关，并不涉及物光波和参考光波的夹角。然而，通过对记录光路的分析，可知显微物镜表示的参考点光源与物体相对于合束镜的半透半反射镜面是镜像对称的，也就是说参考点光源通过半透半反射镜面的成像与物体位于同一平面上，且在光路布置的过程中，由于物光波和参考光波都是平行台面布置，即参考点光源的y坐标可以认为是零，此时，无透镜傅里叶变换全息的再现像的分离程度只与参考点光源的x坐标相关，而通过旋转合束镜可以改变上述点光源的x坐标，进而影响再现像的分离程度。为了获得充分分离且分辨率最大的再现像，下面介绍一种精确调节参考点光源坐标的方法；具体包括如下步骤：1)测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种显微图像记录系统，包括激光器、第一半波片、偏振分束镜、第一反射镜、第一扩束准直镜、透明物体、合束镜(半透射半反射)、CCD、第二半波片、第二扩束准直镜、第二反射镜、显微物镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片以及第二扩束准直镜形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜进入显微物镜形成球面参考光波、所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述球面参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存，所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制参考点光源与透明物体所在平面的相对位置，以获得最佳全息图，所述最佳全息图经重建后能够获得的再现像中原始像、共轭像以及中间干扰项刚好分离。其特征在于：还包括角度调节系统，所述角度调节系统包括：支撑平台、旋转轴、拉绳、位移探测器、驱动电机；合束镜固定在支撑平台上，通过旋转轴的旋转，带动合束镜旋转，从而调节参考点光源在物平面的相对位置，旋转轴的旋转带动拉绳的位移，拉绳的移动距离通过位移探测器监测，通过位移探测器获得拉绳的移动距离，进而获得旋转轴的旋转角度。...

【技术特征摘要】
2018.03.05 CN 201810180221X1.一种显微图像记录系统，包括激光器、第一半波片、偏振分束镜、第一反射镜、第一扩束准直镜、透明物体、合束镜(半透射半反射)、CCD、第二半波片、第二扩束准直镜、第二反射镜、显微物镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片以及第二扩束准直镜形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜进入显微物镜形成球面参考光波、所述球面参考光波的中心为参考点光源，所述球面参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存，所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制参考点光源与透明物体所在平面的相对位置，以获得最佳全息图，所述最佳全息图经...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华英，张步勤，王鹏，朱巧芬，江夏男，董昭，席思星，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河北,13