一种折射率与形貌同时动态测量的方法技术

本发明专利技术涉及一种二维折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法，利用数字全息显微术全场、高分辨率及动态测量的优点，将短边抛光的道威棱镜引入到测量光路，实现全内反射数字全息显微光路与透射式数字全息显微光路的集成。借助角度复用与偏振复用技术，利用透射式数字全息显微光路动态记录包含物体折射率和厚度分布(或形貌)信息的物光波相位分布信息，利用全内反射数字全息显微光路同步记录物体的二维折射率分布信息，通过简单的数学运算，从而实现对物体二维折射率分布与三维形貌的同时动态测量。所涉及的测量方法无需额外的填充溶液，适用于透明/半透明液体或固体的测量，克服了已有方法的不足。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法，尤其涉及一种将全内反射数字全息显微术与透射式数字全息显微术相结合，借助角度复用与偏振复用技术，对透明/半透明液体或固体样品的折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法。
技术介绍
数字全息显微术凭借其对微小物场的振幅及相位分布进行全场、非破坏性、快速且高分辨率定量测量的优点，为材料内部折射率分布和活体细胞样本形貌测量、材料表面分析和MEMS器件检测等提供了新的有效途径。然而，针对透明/半透明物体，利用透射式数字全息显微术测量得到的物光场相对相位分布与待测物折射率和几何厚度(形貌)同时有关。如何从所测得的物光场相对相位分布中提取待测物折射率和形貌信息，实现待测物二维折射率分布与三维形貌的同时测量，成为一个亟待解决的科学问题。利用共聚焦显微术测量物体的形貌，再结合相位显微术可以实现折射率与形貌的同时测量(C.Curl,et al.“Refractive index measurement in viable cells using quantitative phase-amplitude microscopy and confocal microscopy,”Cytom Part A,65(1),88-92(2005))。但是，共聚焦显微术需要对物体进行扫描测量，不适用于随时间变化物体的动态测量。在待测物周围分别填充不同折射率的溶液，测量相应情况下的相对相位分布，通过定量的数值计算便可以实现折射率与形貌的同时测量(B.Rappaz,et al.“Measurement of the integral refractive index and dynamic cell morphometry of living cells with digital holographic microscopy,”Opt.Express 13(23),9361-9373(2005))。然而，这种方法需要更换填充溶液，操作过程容易改变待测物的原始状态，并且不能实现动态测量和对液态物体的测量。为解决该问题，一种利用高色散填充液的双波长数字全息显微术被提出(M.Jafarfard,et al.“Dual-wavelength diffraction phase microscopy for simultaneous measurement of refractive index and thickness,”Opt.Lett.39(10),2908-2911(2014))。不过，这种方法仍然需要额外的填充溶液，不能应用于液态物体的测量。另外，该方法在数值计算中引入了假设近似，使最终的测量精度降低。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有方法和技术的不足，本专利技术提出一种二维折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法。该方法将全内反射数字全息显微术与透射式数字全息显微术相结合，借助角度复用与偏振复用技术，利用透射式数字全息显微术测量包含物体折射率和厚度分布(或形貌)信息的物光波相对相位分布，同时利用全内反射数字全息显微术测量物体的二维折射率分布。进而通过简单的数学运算，便可实现对透明/半透明液体或固体的二维折射率分布与三维形貌的同时动态测量。技术方案本专利技术的思想在于：将短边抛光的道威棱镜引入到测量光路，借助角度复用与偏振复用技术，实现全内反射数字全息显微光路与透射式数字全息显微光路的集成。利用透射式数字全息显微光路动态记录包含物体折射率和厚度分布(或形貌)信息的物光波相位分布信息，利用全内反射数字全息显微光路同步记录物体的二维折射率分布信息，从而实现对物体二维折射率分布与三维形貌的同时且动态测量。一种二维折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：一束竖直偏振的平行光(波长为λ)从道威棱镜的一个斜边入射，进而以入射角θ在道威棱镜的长边中心与空气界面处发生全内反射，然后从另一斜边出射并经显微放大后作为物光波1。步骤2：来自同一激光器的另一束水平偏振的平行光从道威棱镜的短边中心垂直入射，进而从道威棱镜的长边中心出射并经显微放大后作为物光波2。所述道威棱镜的短边被抛光。步骤3：来自同一激光器的另两束竖直、水平偏振的平行光，分别作为参考光波1、2与相应的物光波1、2在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，由图像采集器件记录得到参考数字全息图H0。步骤4：紧贴道威棱镜长边表面中心区域放置待测样品，由于棱镜长边表面外侧介质折射率的改变，全内反射光波(物光波1)将产生附加的相位变化(即附加相移)。假设样品与棱镜长边表面紧密接触的一面为平面，并且样品的折射率沿棱镜长边表面法线方向(即纵向)呈现均匀分布，则附加相移的大小和分布与入射角θ和棱镜长边表面两侧介质的折射率n1和n2有如下关系： Δφ O 1 ( x , y ) = - 2 a r c t a n n 1 2 sin 2 θ - n 2 2 ( x , y ) n 1 c o s θ + 2 a r c t a n n 1 2 sin 2 θ - 1 n 1 cos θ - - - ( 1 ) ]]>由于待测样品的存在，透射光波(物光波2)将产生附加相位变化，并且附加相位变化的大小和分布与样品的折射率分布n2(x,y)和厚度分布(反映了样品的几何形貌)h(x,y)有如下关系： Δφ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：一束竖直偏振的平行光(波长为λ)从道威棱镜的一个斜边入射，进而以入射角θ在道威棱镜的长边中心与空气界面处发生全内反射，然后从另一斜边出射并经显微放大后作为物光波1。步骤2：来自同一激光器的另一束水平偏振的平行光从道威棱镜的短边中心垂直入射，进而从道威棱镜的长边中心出射并经显微放大后作为物光波2。所述道威棱镜的短边被抛光。步骤3：来自同一激光器的另两束竖直、水平偏振的平行光，分别作为参考光波1、2与相应的物光波1、2在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，由图像采集器件记录得到参考数字全息图H0。步骤4：紧贴道威棱镜长边表面中心区域放置待测样品，由于棱镜长边表面外侧介质折射率的改变，全内反射光波(物光波1)将产生附加的相位变化(即附加相移)。假设样品与棱镜长边表面紧密接触的一面为平面，并且样品的折射率沿棱镜长边表面法线方向(即纵向)呈现均匀分布，则附加相移的大小和分布与入射角θ和棱镜长边表面两侧介质的折射率n1和n2有如下关系：ΔφO1(x,y)=-2arctann12sin2θ-n22(x,y)n1cosθ+2arctann12sin2θ-1n1cosθ---(1)]]>由于待测样品的存在，透射光波(物光波2)将产生附加相位变化，并且附加相位变化的大小和分布与样品的折射率分布n2(x,y)和厚度分布(反映了样品的几何形貌)h(x,y)有如下关系：ΔφO2(x,y)=2πλ[n2(x,y)-1]h(x,y)---(2)]]>步骤5：上述全内反射光波产生的附加相移分布携带了样品二维折射率分布n2(x,y)的信息；透射光波产生的附加相位变化分布携带了样品折射率分布n2(x,y)与厚度分布h(x,y)的信息。保持参考光波不变，在样品的折射率分布与厚度分布动态变化过程中连续记录N幅数字全息图Hi(i＝1,2,3…N)。步骤6：借助频谱提取技术，根据标量衍射理论，数值模拟光波经全息图H0和Hi的衍射传播过程，分别对相应物光波进行数值重建，得到放置样品前后两物光波的相位差分布ΔφO1(x,y)、ΔφO2(x,y)。根据式(1)与式(2)，样品的二维折射率分布可表示为n2(x,y)=n1sin2θ-cos2θtan2[arctann12sin2θ-1n1cosθ-12ΔφO1(x,y)],---(3)]]>厚度分布可表示为h(x,y)=ΔφO2(x,y)λ2π[n2(x,y)-1].---(4)]]>...

【技术特征摘要】
1.一种二维折射率分布与三维形貌同时动态测量的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：一束竖直偏振的平行光(波长为λ)从道威棱镜的一个斜边入射，进而以入射角θ在道威棱镜的长边中心与空气界面处发生全内反射，然后从另一斜边出射并经显微放大后作为物光波1。步骤2：来自同一激光器的另一束水平偏振的平行光从道威棱镜的短边中心垂直入射，进而从道威棱镜的长边中心出射并经显微放大后作为物光波2。所述道威棱镜的短边被抛光。步骤3：来自同一激光器的另两束竖直、水平偏振的平行光，分别作为参考光波1、2与相应的物光波1、2在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，由图像采集器件记录得到参考数字全息图H0。步骤4：紧贴道威棱镜长边表面中心区域放置待测样品，由于棱镜长边表面外侧介质折射率的改变，全内反射光波(物光波1)将产生附加的相位变化(即附加相移)。假设样品与棱镜长边表面紧密接触的一面为平面，并且样品的折射率沿棱镜长边表面法线方向(即纵向)呈现均匀分布，则附加相移的大小和分布与入射角θ和棱镜长边表面两侧介质的折射率n1和n2有如下关系： Δφ O 1 ( x , y ) = - 2 a r c t a n n 1 2 sin 2 θ - n 2 2 ( x , y ) n 1 c o s θ + 2 a r c t a n n 1 2 sin 2 θ - 1 n 1 cos θ - - - ( 1 ) ]]>由于待测样品的存在，透射光波(物光波2)将产生附加相位变化，并且附加相位变化的大小和分布与样品的折射率分布n2(x,y)和厚度分布(反映了样品的几何形貌)h(x,y)有如下关系： Δφ O 2 ( x , y ) = 2 π λ [ n 2 ( x , y ) - 1 ] h ( x , y ) - - -...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建林，张继巍，马超杰，邸江磊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61