数字全息三维显微系统技术方案

本实用新型专利技术提出一种数字全息三维显微系统，所述数字全息三维显微系统包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源。该实用新型专利技术实现高速了的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。

Digital holographic three-dimensional microsystem

The utility model provides a digital holographic three-dimensional micro system. The digital holographic three-dimensional microscopic system includes a monochromatic light source with a radially polarized light, which can be used to separate the light from the monochromatic light source and form a light splitting unit with two beams of light and object light, and a light combining unit that can combine the illuminating light with the light of the object. The other side of the light sharing unit is provided with a digital camera sensor that can collect interference stripes or color texture images. The light splitting unit and the optical unit form a reference light transmission light path and an object light transmission light path. The starting end of the light transmission path of the object is set to start the color texture image when collecting the color image. A moving color light source. The utility model realizes high-speed three-dimensional measurement of ultra precision digital holography with color microscopic image texture.

【技术实现步骤摘要】
数字全息三维显微系统
本技术属于数字全息
，尤其涉及一种能够获取彩色显微图像的数字全息三维显微系统。
技术介绍
数字全息是利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，它将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。首先，使用可干涉距离较长的激光作为光源，使用分光器将一束激光分为两束，由于分光器的物理光学特性，分开的两束激光光波相位可认为相同或者相位差非常微小。其次，其中一束激光不透过任何物体或者不经过物体反射，在空间中传播，称为参照光；而另一束激光透过透明物体或者经过不透明物体的反射后在空间中传播，称为物体光；参照光和物体光传播到另外一个分光器上并进行合成，以相同光轴相同传播方向照射到数字相机传感器的相同位置上。参照光由于无阻碍地在空间中进行传播，照射到数字相机传感器上时的相位可认为与激光器发出的激光初始相位相同，可认为参照光相位值为0；物体光由于经过不透明物体表面反射或者透明物体透射而发生相位的改变。根据光学干涉条件，两列传播方向相同、路径相同、波长相同、相位差恒定、偏振方向相同的光波可在空间中形成明暗相间的干涉条纹，因此参照光和物体光在数字相机传感器表面上形成干涉条纹，其明暗振幅呈余弦波(cos)，其相位取决于物体光和参照光相位差的大小。进一步地，数字相机传感器将干涉条纹进行数字化，以数字图像的形式记录物体光和参照光的干涉条纹。由于数字相机传感器仅能够记录光强信息，因此对于余弦波(cos)振幅变化的干涉条纹，无法分辨物体光和参照光相位差的正与负。而在三维重建时正的相位差表示相对参照平面突起的形状，负的相位差表示相对参照平面凹陷的形状，因此为了精确计算相位差的正与负，必须使用数字菲涅耳衍射变换对干涉条纹进行数学计算，再通过菲涅耳变换域的带通滤波，得到正确的带有符号的相位差。最后，相位差变化2pi(即360°)表示与参照平面产生了一个光波长的距离差(光程差)，这就是干涉测量，利用干涉测量方法，当相位差变化超过2pi时则需要使用相位连接方法，这样就能够实现不透明物体表面形状或者透明物体形状的三维重建。由于可见光的波长单位为纳米，因此，数字全息三维测量能够实现纳米级超精密三维测量。目前，数字全息三维显微镜作为世界上最先进的超精密三维测量显微设备，越来越多地被利用到基础医学、生命科学以及精密器件检测等领域当中。但是现有数字全息三维显微镜使用单色激光作为光源，却无法实现在进行三维测量时采集彩色显微图像，并将彩色显微图像作为三维重建数字模型的纹理，与三维信息一同显示。由于只能显示黑白图像或者根据高度信息生成的伪彩色图像，数字全息三维显微镜无法像相位差显微镜等光学显微镜那样为观察者提供直观的观测物色彩信息，从而限制了数字全息三维显微镜的应用范围。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术提供了一种数字全息三维显微系统以及彩色显微图像纹理的获取方法，该技术设置有彩照光源，数字全息三维测量使用单色光源，彩色纹理图像采集时关闭单色光源，使用彩照光源，两个光源高速切换，数字相机高速采集干涉条纹及彩色纹理图像，实现高速的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。为了达到上述目的，本技术采用的技术方案为：一种数字全息三维显微系统，包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。作为本技术的进一步优化，所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、聚光镜、透明目标物、显微镜物镜、第二非偏振分光器以及成像透镜，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述透明目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。作为本技术的进一步优化，所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。作为本技术的进一步优化，所述单色光源与所述彩照光源电性连接有控制器，所述控制器包括可采集输入指令的采集模块，以及可将采集信号转化为控制指令的控制模块，所述采集模块电性连接所述控制模块，所述控制模块分别连接于所述单色光源和所述彩照光源，以控制单色光源和彩照光源的开关。作为本技术的进一步优化，所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。作为本技术的进一步优化，所述单色光源与所述分光单元之间设置有1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。作为本技术的进一步优化，所述彩照光源为LED显微镜光源。一种彩色显微图像纹理的获取方法，利用上述任一项实施例所述数字全息三维显微系统，控制数字全息三维显微系统的单色光源与彩照光源相互切换，使数字相机传感器采集干涉条纹及彩色纹理图像，以实现具备彩色显微图像纹理的数字全息三维测量。作为本技术的进一步优化，包括以下步骤：S0：控制器控制单色光源开启，并关闭彩照光源，此时数字相机传感器拍摄物体光与参照光的干涉条纹，并开始单次曝光的相移数字全息三维测量计算；S1：控制器控制单色光源关闭并打开彩照光源，数字相机传感器拍摄彩色显微图像，等待数字全息三维测量计算完成；S2：数字全息三维测量计算完成，并生成三维重建的数字模型，将采集到的彩色显微图像作为纹理加入三维数字模型，同时显示于控制器上，则观察者看到被测物体的三维立体形状，同时观测到被测物体的彩色显微信息。作为本技术的进一步优化，在步骤S1中，具体为：控制器控制单色光源关闭，并打开彩照光源，彩照光源发射的光线通过第一非偏振分光器与聚光透镜，透过透明目标物或不透明目标物，照射入显微镜物镜，切换数字相机传感器为彩色传感器，物体光通过成像透镜在数字相机传感器上成像，以拍摄彩色二维显微图像。与现有技术相比，本技术的优点和积极效果在于：本技术设置有彩照光源，数字全息三维测量使用单色光源，彩色纹理图像采集时关闭单色光源，使用彩照光源，两个光源高速切换，数字相机高速采集干涉条纹及彩色纹理图像，实现高速的具备彩色显微图像纹理的超精密数字全息三维测量。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术数字全息三维显微系统第一种实施例下单色光源开启的示意图；图2为本技术数字全息三维显微系统第一种实施例下彩照光源开启的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字全息三维显微系统，包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。

【技术特征摘要】
1.一种数字全息三维显微系统，包括可发射线偏振光的单色光源，可将所述单色光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述合光单元的另一侧设置有可采集干涉条纹或彩色纹理图像的数字相机传感器，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述物体光传输光路的起始端设置有可在采集彩色纹理图像时启动的彩照光源；启动单色光源时，关闭彩照光源，以使数字相机传感器采集干涉条纹图像；启动彩照光源时，关闭单色光源，以使数字相机传感器采集彩色纹理图像。2.根据权利要求1所述数字全息三维显微系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、聚光镜、透明目标物、显微镜物镜、第二非偏振分光器以及成像透镜，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述透明目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单...

【专利技术属性】
技术研发人员：于綦悦，王国栋，张祥光，李洋，
申请(专利权)人：青岛全维医疗科技有限公司，
类型：新型
国别省市：山东,37