一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法技术

本发明专利技术公开了一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，采用激光器和透射式闪耀光栅形成衍射光作为光源照射至待观测样品，由图像传感器感测待观测样品的全息图，通过改变激光器出射光的中心波长使全息图发生位移。本发明专利技术还公开了无透镜显微的亚像素位移成像系统，包括激光器、透射式闪耀光栅、图像传感器，激光器的出射光经过透射式闪耀光栅后形成衍射光照射至待观测样品。本发明专利技术提出的这种成像方法和系统为像素或亚像素位移方法开辟了一条新途径，可以应用在无透镜显微成像中。可以应用在无透镜显微成像中。可以应用在无透镜显微成像中。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法


[0001]本专利技术涉及光学显微成像方法领域，具体是一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法。

技术介绍

[0002]近年来随着科学技术的发展，显微成像技术获得显著进步。在显微成像中，空间带宽乘积是对成像系统信息承载能力的衡量，如何突破空间带宽乘积的限制逐渐成为科学研究的焦点。目前新兴的无透镜显微镜相对于传统的含透镜显微镜，去除了透镜的束缚，样品被直接放置在光电传感阵列上，这一成像系统在减小了成本的情况下提升了空间带宽乘积。
[0003]然而无透镜成像系统的分辨率受限于图像传感器的像元尺寸，对于一定成像面积的图像传感器而言，像元尺寸越大，能够接受到的信息就越少。就目前技术而言，使用亚像素位移成像的方法可以实现超分辨率成像，突破像元尺寸对分辨率的限制。
[0004]实现像素或亚像素位移的传统方法包括：机械移动光源位置、搭建光源阵列、用镜面改变光束入射角度等，这几种方法都有极高的机械对准要求，体积较大，搭建过程比较困难，位移角度不好把控。为克服传统方法带来的问题，有研究者提出一些实现亚像素位移的新方法。
[0005]洛桑联邦理工学院的Manon提出一种小型化的亚像素位移结构。通过使用体相位全息光栅，在相同体积的光致聚合物中记录多个全息图，再用不同的参考光照明产生不同角度的衍射光，实现照明光的角度变化，从而实现亚像素位移。但参数匹配的体全息光栅需要在使用前用干涉仪现场制备，现场制备体全息光栅需要精密控制各个参量，而且衍射效率较低，只有约20~30%。体全息光栅上的光聚合物只有一面被玻璃层保护，在多次制备光栅的过程中光致聚合物的另一侧很可能会被划伤，导致成像均匀性变差。
[0006]中国专利CN110187582A提出一种通过使用具有电控双折射效应的液晶材料改变e光的出射位置来实现亚像素位移的方法。这种方法存在的缺点是：如果用计算的方法来分离o光带来的背景图像会增加额外的计算量，并且对图像质量有一定的影响，而且这种方法的成像光强小于总光强的50%，光效利用率低，不利于搭建超低功耗成像系统。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，以解决现有技术光学显微位移成像技术存在的光效利用率低的问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，由图像传感器感测被光源照射的待观测样品，由此图像传感器采集得到待观测样品的全息图，采用激光器和透射式闪耀光栅，利用透射式闪耀光栅使激光器的出射光形成衍射光作为所述光源照射至待观测样品，通过改变激光器出射光的中心波长使形成的衍射光的角度偏转，进而使所述图像传感器得到的
全息图发生位移。
[0009]进一步的，通过改变激光器的驱动信号，进而改变激光器出射光的中心波长。
[0010]进一步的，采用的激光器其出射光的中心波长随驱动信号变化呈规律变化。
[0011]进一步的，采用的激光器其出射光的中心波长的变化漂移量与驱动信号呈线性关系。
[0012]进一步的，所述透射式闪耀光栅使激光器的出射光形成一级衍射光作为光源。
[0013]进一步的，通过控制激光器的驱动信号使形成的衍射光角度规律偏转，由此使图像传感器得到的全息图产生规律变化的位移进而形成多幅低分辨率的全息图，将多幅低分辨率的全息图进行合成得到超分辨率图像。
[0014]进一步的，采用像素超分辨率算法对多幅低分辨率全息图进行合成。
[0015]一种用于无透镜显微的亚像素位移成像系统，包括图像传感器，还包括激光器、透射式闪耀光栅，所述透射式闪耀光栅的背面为平面、正面为光栅刻槽面，所述图像传感器的感侧面、透射式闪耀光栅的光栅刻槽面分别朝向待观测样品，所述激光器的光出射端朝向透射式闪耀光栅的背面，由此激光器的出射光经过透射式闪耀光栅后形成衍射光，衍射光照射至待观测样品，使图像传感器采集得到待观测样品的全息图。
[0016]进一步的，还包括可控电信号驱动器，所述可控电信号驱动器与激光器电连接，以向激光器输出大小可调的驱动信号。
[0017]本专利技术提出的这种成像方法和系统为像素或亚像素位移方法开辟了一条新途径，可以应用在无透镜显微成像中。
[0018]本专利技术的优势在于，本专利技术方法和系统实现容易，无需复杂的机械结构；相比于体全息光栅和电控双折射液晶材料，透射式闪耀光栅的衍射效率很高，一般可以达到80%以上，光效利用率高，十分有利于构建超低功耗、紧凑型成像系统。此外，透射式闪耀光栅和与闪耀波长匹配的激光器都有商业购买渠道，性能参数稳定，衍射光线均匀性好，有利于提高显微成像质量。
附图说明
[0019]图1是透射式闪耀光栅1级衍射光与闪耀角重合时的光路示意图。
[0020]图2是亚像素位移结构示意图。
[0021]图3表示透射式闪耀光栅与图像传感器之间摆放位置的俯视图。
[0022]图4是照明光束的角度发生变化时样本的全息图发生位移的示意图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0024]本专利技术涉及到的主要器件有透射式闪耀光栅、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，图像传感器。
[0025]垂直腔面发射激光器的特点在于，通过改变输入垂直腔面发射激光器的驱动电流，可以改变其出射光的中心波长，在一定范围内驱动电流与中心波长的漂移量成线性关系。
[0026]透射式闪耀光栅的特点在于，光栅刻槽面与光栅背面（光栅背面为平面）不平行，
光栅刻槽面中的单个槽面衍射光的中央极大和槽间干涉零级主极大分开，光的能量从干涉零级主极大转移并集中到某一级光谱上面，实现该级光谱的闪耀。
[0027]本专利技术方法是使通过透射式闪耀光栅使垂直腔面发射激光器的出射光形成衍射光作为光源照射至待观测样品，并令图像传感器感测待观测样品，从而使图像传感器得到全息图。垂直腔面发射激光器发出的光束使其沿一定角度从透射式闪耀光栅的背面射入，如图1所示。图1中垂直腔面发射激光器的出射光4从透射式闪耀光栅7的背面入射，经过透射式闪耀光栅7后发生折射，经过折射的光垂直于光栅刻槽面的每个槽面，并在每个槽面发生衍射，由此通过透射式闪耀光栅7的光栅刻槽面形成衍射光，其中本专利技术主要利用形成的与槽面法线重合的一级衍射光5作为光源。图1中1和2是光栅表面法线，4是入射光， 3是一级衍射光5的反向延长线，6是光栅闪耀角γ。光栅衍射的方程为：
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，公式（1）中表示光栅间距，表示光栅内部的光束与光栅面法线之间的夹角，表示光栅材料的折射率，表示衍射光的级次，表示第级衍射光与光栅面法线的夹角，表示垂直腔面发射激光器出射光的中心波长。
[0028]本专利技术由垂直腔面发射激光器和透射式闪耀光栅构成的亚像素位移成像系统如图2所示。图2中，垂直腔面发射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，由图像传感器感测被光源照射的待观测样品，由此图像传感器采集得到待观测样品的全息图，其特征在于：采用激光器和透射式闪耀光栅，利用透射式闪耀光栅使激光器的出射光形成衍射光作为所述光源照射至待观测样品，通过改变激光器出射光的中心波长使形成的衍射光的角度偏转，进而使所述图像传感器得到的全息图发生位移。2.根据权利要求1所述的一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，其特征在于：通过改变激光器的驱动信号，进而改变激光器出射光的中心波长。3.根据权利要求2所述的一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，其特征在于：采用的激光器其出射光的中心波长随驱动信号变化呈规律变化。4.根据权利要求3所述的一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，其特征在于：采用的激光器其出射光的中心波长的变化漂移量与驱动信号呈线性关系。5.根据权利要求1所述的一种用于无透镜显微的亚像素位移成像方法，其特征在于：所述透射式闪耀光栅使激光器的出射光形成一级衍射光作为光源。6.根据权利要求1所述的一种用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇，岳明强，李进晔，李伟，胡俊涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学智能制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：