一种显微图像记录实验系统及图像记录方法

摘要

本申请提供一种显微图像记录实验系统及图像记录方法，通过控制施加在电致变焦透镜中下基板上的离散分布的第二电极上的电压变化规律，获取发散球面光波，从而将物体图像记录在CCD的靶面上。通过控制所述电压变化大小，获取所需球面半径的发散球面光波，从而获得准确的显微图像。

说明书

技术领域

本申请涉及一种显微图像记录实验系统及图像记录方法，属于光学教学和科研实验领域。

背景技术

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。

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包括激光器、光阑、第一半波片、偏振分束镜、第一扩束准直镜、第一反射镜、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经第一扩束准直镜后形成平行光波，经第一反射镜后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参考光波，所述参考光波经过第二反射镜、合束镜后到达CCD靶面与物光波形成干涉图样。上述采用平面参考光波记录图像，这种图像记录系统为离轴菲涅尔数字全息记录系统。在数字全息记录系统中，还有一种记录系统，其采用球面参考光波记录图像，在第二反射镜与合束镜之间加入一个显微物镜，平行光波经显微物镜后形成球面参考光波，这种记录系统中，通常将球面参考光波的发散中心到CCD的距离设置为等于透明物体到CCD的距离，这就是常用的离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统。离轴菲涅尔数字全息记录系统与离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统是最常用的两种数字全息记录系统，在教学和科研实验中经常使用。

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。因此，为了获得更高的图像分辨率，采用离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统更合适。然而，离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统，需要保证物体到CCD的距离等于球面参考光波的点光源到CCD的距离，然而现实当中，物体和点光源到CCD的距离都只能是近似相等，在布置实验系统时，在参考光波所在的光路中加入显微物镜时，只能初略地手动布置显微物镜到合束镜的距离，一旦显微物镜的位置固定后，就不能移动显微物镜了，对球面参考光波的点光源到合束镜的距离无法进行调整，因此，无法精确地获得离轴无透镜傅里叶变化数字全息图，从而对三维物体的重建产生严重影响。

另外，在全息图的记录当中，通过旋转合束镜调节物光波和参考光波的夹角，从而获得离轴全息，通过对离轴全息的再现，能够获得分离的再现像。然而，在旋转合束镜时，如果旋转角度较小，可能得不到再现像完全分离的离轴全息，影响再现像的质量；如果旋转角度较大，可能有一部分物光波信息没有被参考光波记录下来，从而损失物体信息。现有技术中，对于合束镜旋转角度的调节，都是人工进行手动调节，这样的调节方式精度差，影响数字全息图像的再现质量。

发明内容

本申请提供一种显微图像记录实验系统及图像记录方法，能够获得精准的离轴无透镜傅里叶变换数字全息，且能够实现物光波和参考光波之间夹角调节的自动化，从而提高角度调节的精度。

本申请采用如下技术方案，一种显微图像记录方法，使用显微图像记录实验系统记录显微图像，所述显微图像记录实验系统包括激光器、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、第二扩束准直镜、第二反射镜、电致变焦透镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为第一光束和第二光束，第一光束经第一反射镜和第一扩束准直镜后形成平行光波，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；经偏振分束镜后的第二光束经过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透过电致变焦透镜后形成参考光波、并经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成干涉图样；所述CCD记录的干涉图样传送到计算机并保存，所述电致变焦透镜包括透明上基板，透明下基板，在上基板的内表面设置有透明的第一电极，在下基板的内表面设置有透明的第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的液态材料，在第一电极和第二电极上施加电压，从而使得平面光波通过电致变焦透镜后形成所需形状的参考光波；第一电极为透明圆形面状电极，第二电极为透明的多个环状电极，所述多个环状电极围绕一个中心由内向外等间距设置；其特征在于：所述记录方法包括以下步骤：

1)在第一电极上施加一个公共电压V0；

2)第二电极为多个相互间隔的环状电极，在不同位置的第二电极上施加不同的电压，首先在位于基板中间的第二电极上施加电压V0+ΔV，以中间位置的第二电极为中心往基板外缘方向，在第二电极上依次施加电压V0+NΔV，其中N为自然数；观察从电致变焦透镜透射光的性质；

3)如果所述透射光为汇聚球面光波，则调整施加在第二电极上的电压值的变化规律，此时可以调整为，以中间位置的第二电极为中心往基板外缘方向，第二电极上施加的电压为V0-NΔV；如果所述透射光为发散球面光波，则无需调整施加在第二电极上的电压值的变化规律；

4)在所述透射光为发散球面光波时，通过CCD获取物光波和参考光波的干涉图像，如果干涉图像为弯曲的干涉条纹，则对上述施加在第二电极上的电压V0±NΔV中的ΔV进行调整，通过增大ΔV或减小ΔV，并结合获取的干涉图像进行判断，当获取的干涉图像为直条纹图像时，此时获得的干涉图像(即全息图)为准确的无透镜傅里叶变换全息图，此时发散球面光波的发散中心与物体到CCD的距离严格相等。

5)通过计算机自动控制合束镜的转动，从而控制物光波和参考光波的夹角，以获得最佳干涉图样，所述最佳干涉图样经重建后获得的再现像中原始像、共轭像以及零级衍射项刚好分离。

附图说明

图1数字图像记录实验系统的结构示意图；

图2电致变焦透镜结构示意图；

图3球面参考光波数字全息记录坐标示意图；

图4角度调节自动控制系统。

具体实施方式

如图1所示，本申请的数字图像记录实验系统包括激光器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、第二扩束准直镜9、第二反射镜10、电致变焦透镜11以及计算机12。激光器发出的光束经偏振分束镜后分为第一光束和第二光束，第一光束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到达CCD靶面；经偏振分束镜后的第二光束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电致变焦透镜11形成参考光波，所述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。

如图2所示，所述电致变焦透镜11包括透明上基板111，透明下基板115，在上基板111的内表面设置有透明的第一电极112，在下基板115的内表面设置有透明的第二电极114，以及位于第一电极和第二电极之间的液态材料113，所述液态材料为液晶。所述第一基板和第二基板为圆形，所述第一电极112为面状电极，所述第二电极为间隔设置的环形电极，且第二电极与第一电极之间的电压差具有一定的变化规律，第二电极与第一电极的电压差从中间位置向外围边缘位置的方向逐渐增大(或者逐渐变小)，例如中间的电压差为1V，到了最外围边缘增加到10V。该液态材料113在第一电极和第二电极之间的电压差的驱动下，液态分子会发生旋转，电压差越大液态分子旋转的角度越大，从而使得光线的折射角度发生改变，因此，在第一电极和第二电极上施加渐变的电压差，从而能够形成液态透镜，根据电压差的变化方式不同，可以形成凹透镜或者凸透镜。

经第二反射镜反射的平面光波进入电致变焦透镜，如果对第二电极施加相同的电压，此时第一电极和第二电极之间的电压差，从中间到外围边缘都相同，电致变焦透镜不会改变入射光波的曲率，通过电致变焦透镜后仍然为平面光波，那么此时在CCD上获得的全息图为菲涅尔全息图。如果对不同位置处的第二电极施加不同电压，使得不同位置处的第一电极与第二电极的电压差不同，从而改变入射光波的变得发散，从而形成一个球面光波，那么此时在CCD上获得的全息图为球面参考光波全息图。因此，通过一套显微图像系统，既能记载菲涅尔数字全息图(即使用平面参考光波)，也能够记录球面参考光波的数字全息图(在保证球面参考光波的发散中心与物体到CCD的距离相等时，即为无透镜傅里叶变换数字全息)。同时，由于所述液态材料113具有旋光性，因此相比传统的数字全息记录光路，可以省略偏振分束棱镜与第二反射镜之间的半波片。

下面对如何获得精准的离轴无透镜傅里叶变换数字全息图进行具体分析。

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3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(x_r,y_r,z_r)，其中z_r表示点源到CCD平面的距离。在实际应用中，常取z_r>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、z_r均为正，且z_r≥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z_r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。

此时记录参考点源位于物平面上，z_r＝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

z_0min＝max(4X/λΔx，4Y/λΔy)(1-15)

式中max表示取二者中较大的值。

另外将z_r＝z₀代入式(1-6)可知，离轴无透镜傅里叶变换数字全息图的空间频率与全息图平面中的x，y坐标没有关系，只与物体与参考点光源之间的距离有关，如果y＝y₀，此时只与物平面上的x坐标相关，当点光源的位置确定后，则全息图的空间频率就确定了，且为等间距的直条纹图像。如果z_r不等于z₀，由式(1-6)可知此时的全息图的空间频率与全息图平面中的x，y坐标有关系，表现为弯曲的条纹图像，且各处的条纹间距不同。因此，在获得精准的离轴无透镜傅里叶变换数字全息图时，可以通过全息图中的干涉条纹图样进行判断。由于传统的离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统中，随着显微物镜位置的固定，获得的全息图也就确定，不能够前后调节点光源的位置；而本申请提供的图像记录实验系统，使用电致变焦透镜，通过施加电压，形成所需的透镜；并通过施加电压的变化，可以改变透镜的焦距，即改变形成的球面光波的中心点的位置，使得所述中心点沿着光轴方向前后移动，从而使得球面光波的中心点与物体到CCD的距离相等。而什么情况下所述距离相等，这个可以根据记录的全息图干涉条纹的特征进行判断。下面，详细介绍通过上述实验系统准确获取离轴无透镜傅里叶变换数字全息图的方法，具体包括以下步骤：

1)在第一电极上施加一个公共电压V₀；

2)第二电极为多个相互间隔的环状电极，在不同位置的第二电极上施加不同的电压，首先在位于基板中间的第二电极上施加电压V₀+ΔV，以中间位置的第二电极为中心往基板外缘方向，在第二电极上依次施加电压V₀+NΔV，其中N为自然数；观察从电致变焦透镜透射光的性质；

3)如果所述透射光为汇聚球面光波，则调整施加在第二电极上的电压值的变化规律，此时可以调整为，以中间位置的第二电极为中心往基板外缘方向，第二电极上施加的电压为V₀-NΔV；

如果所述透射光为发散球面光波，则无需调整施加在第二电极上的电压值的变化规律。

4)在所述透射光为发散球面光波时，通过CCD获取物光波和参考光波的干涉图像，如果干涉图像为弯曲的干涉条纹，则对上述施加在第二电极上的电压V₀±NΔV中的ΔV进行调整，通过增大ΔV或减小ΔV，并结合获取的干涉图像进行判断，当获取的干涉图像为直条纹图像时，此时获得的干涉图像(即全息图)为准确的无透镜傅里叶变换全息图，此时发散球面光波的发散中心与物体到CCD的距离严格相等。

通过上述方法获得的是准确的无透镜傅里叶变换数字全息图，然而还不一定是离轴无透镜傅里叶变换数字全息图，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(即发散球面光波的发散中心点)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)测量合束镜至CCD靶面的第一距离d₁并记录；

2)采集物光波和参考光波的第一全息图并保存；

3)对第一全息图进行重建得到再现像1，判断得到的再现像1中原始像和中间干扰项分离的程度；

4)如果再现像1中的原始像和中间干扰项重叠或部分重叠，计算机发出指令控制合束镜旋转规定的角度(例如0.1度)；

5)继续采集物光波和参考光波的第二全息图并保存；

6)对第二全息图进行重建得到再现像2，判断得到的再现像2中原始像和中间干扰项分离的程度；

7)如果再现像2中原始像和中间干扰项仍然部分重叠，则重复上述步骤4)-6)，直到再现像中的原始像和中间干扰项完全分离；

8)对原始像和中间干扰项完全分离的再现像继续判断，如果原始像和中间干扰项之间的距离太远，则计算机发出指令控制半反半透镜反方向旋转规定的角度的一半(例如0.05度)；

9)继续采集物光波和参考光波的第三全息图并保存；

10)对第三全息图进行重建得到再现像3，判断得到的再现像3中原始像和中间干扰项分离的程度；

11)如果原始像和中间干扰项之间的距离仍然太远，则重复上述步骤8)-10)，直到再现像中的原始像和中间干扰项刚好分离；此时对应的全息图为d₁距离对应的最佳全息图H₁；将该最佳全息图H₁保存在数据库中；

12)、控制CCD向前或向后移动规定距离Δd，然后重复上述步骤1)-11)，直到获得与距离d₁±Δd对应的最佳全息图H₂,将该最佳全息图H₂保存在数据库中。

13)、将获得的最佳全息图H₁、H₂…H_n与对应的距离d₁、d₂…d_n建立距离-全息图对应表。

14)在后续全息图的记录中，首先测量CCD到合束镜的距离d，输入距离d后从计算机中的上述距离-全息图对应表中调出所需的最佳全息图H，作为标准全息图；其次，计算机发出指令控制合束镜旋转角度后拍摄全息图M，将该全息图M与上述标准全息图进行匹配(即识别)，如果全息图不匹配，则继续旋转角度拍摄全息图；如果全息图匹配，则将此时拍摄的全息图M保存，作为重建物体三维图像的全息图。上述全息图的匹配过程中，由于两幅全息图完全一致是很难做到的，因此可以设置一个误差阈值，当匹配的误差值小于上述阈值，则可以认为是匹配的，大于上述阈值则不匹配。

本申请由于通过采集与距离对应的最佳全息图，并建立距离-全息图对应表，在以后的数字显微镜系统调节中，只需输入CCD到合束镜的距离，计算机系统自动控制合束镜旋转并获得最佳全息图，通过该最佳全息图，就能够获得更精准的三维再现像。

进一步的，本申请还提供一种通过计算机精确地控制合束镜旋转角度的角度调节系统。如图4所示，该角度调节系统包括：支撑平台14、旋转轴15、拉绳16、位移探测器17、驱动电机18。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，由于拉绳的移动距离能够被位移探测器准确获得，且在旋转轴的直径为一恒定值时，旋转轴旋转的角度也能够被准确的获得。计算机13控制驱动电机驱动旋转轴旋转，在旋转轴旋转的过程中，带动拉绳位移，位移探测器探测拉绳的直线位移，当直线位移等于预设值时，位移探测器发出信号至计算机进而控制旋转轴停止旋转，所述预设值与合束镜需要旋转的规定角度对应。通过上述角度调节系统，能够精确地调节在上述的离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录中参考点光源的位置，控制再现像的分离程度和分辨率，从而获得高质量的再现像。