專利名稱：一種三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，具體地說(shuō)，是利用數(shù)字全息顯微技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)超高空間分辨率的一種成像系統(tǒng)，屬于三維顯微成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字全息顯微術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新的顯微成像技術(shù)，現(xiàn)已在生物細(xì)胞成像、MEMS器件和微光學(xué)器件的檢測(cè)、微小物體的變形和振動(dòng)測(cè)量中得到應(yīng)用。它利用CCD或者CMOS等數(shù)字相機(jī)記錄物體與參考光干涉形成的全息圖，并利用計(jì)算機(jī)模擬衍射過(guò)程再現(xiàn)被記錄顯微物體的波前信息(相位和振幅)，利用二者的數(shù)據(jù)信息能夠直接獲得物體的三維分布。數(shù)字全息顯微術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)不需要對(duì)物體進(jìn)行掃描，利用復(fù)振幅信息直接 可以得到三維數(shù)據(jù)信息，因而三維分布信息的獲取速度較快；(2)通過(guò)數(shù)字調(diào)焦技術(shù)，可獲得待測(cè)樣品各個(gè)層面的分布，不需要對(duì)物體進(jìn)行切片；(3)對(duì)測(cè)量環(huán)境沒有特殊要求，而且可以直接對(duì)活體生物進(jìn)行成像，不需要在物體表面鍍膜或者對(duì)物體染色；(4)測(cè)量范圍較寬可以從毫米到亞微米。通過(guò)十幾年的發(fā)展，數(shù)字全息顯微術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室逐步向產(chǎn)品化發(fā)展。瑞士Lyncee Tec公司開發(fā)了世界上第一部數(shù)字全息顯微鏡，借助它可以完成微小物體的實(shí)時(shí)記錄，每秒可連續(xù)記錄變形過(guò)程中15幅全息圖；2009年美國(guó)專利局授權(quán)了一種可以實(shí)時(shí)記錄顯微物體全息圖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三部激光器發(fā)出的三個(gè)不同波長(zhǎng)的光作為光源，實(shí)時(shí)記錄MEMS器件的變形過(guò)程；2008年日本研究人員在論文《Real-time digitalholographic microscopy using the graphic processing unit)) (Opt. Express (2008)16，11776-11781)中，提出采用GPU實(shí)時(shí)再現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息圖的方法，利用GPU系統(tǒng)顯著提高了再現(xiàn)速度，每秒可以再現(xiàn)24幅全息圖，但全息圖的采集速度等同于CCD的采集速度；2010 年印度研究人員在論文《Real-Time digital holographic microscopy for phasecontrast 3D imaging of dynamic phenomenaKJournal of display technology (2010)
6,500-505)中，提出的三維實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)，它的記錄速度也受限于CXD的采集速度。上述幾種典型的數(shù)字全息實(shí)時(shí)全息記錄系統(tǒng)，雖然都可以對(duì)顯微物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄，但它們所能達(dá)到的時(shí)間分辨率也僅為CCD的幀頻，空間分辨率決定于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。2006年 Xiaolei Wang 等在論文((Pulsed digital holography system recording ultrafastprocess of the femtosecond order)) (Opt. Lett. (2006) 31，1636-1638)以及 2010年 Linwei Zhu 等在論文《Femtosecond off-axis digital holography for monitoringdynamic surface deformation》(AppI. Opt. (2010) 49, 2510-2518)提出的飛秒數(shù)字全息記錄系統(tǒng)雖然可以突破CCD的幀頻限制，達(dá)到飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨率，但是這些系統(tǒng)的空間分辨率沒有突破顯微鏡的分辨極限，而且不是實(shí)時(shí)采集，只能獲取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信息。數(shù)字全息顯微術(shù)的分辨率和傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)一樣，取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑(NA)以及光源的波長(zhǎng)。當(dāng)光源的波長(zhǎng)固定，它的分辨率只與數(shù)值孔徑有關(guān)，使用大數(shù)值孔徑的顯微物鏡可以獲得高分辨率的再現(xiàn)像，但大數(shù)值孔徑的物鏡會(huì)使物方視場(chǎng)縮小、工作距離和焦深變短，這就限制了該技術(shù)在生物、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)方面的應(yīng)用。因?yàn)樵谶@些測(cè)量領(lǐng)域中，尤其是記錄一些微小物體的變形或者是微生物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，不僅要求實(shí)時(shí)和高分辨率，而且要求大視場(chǎng)和大景深。為了克服空間分辨率與物方視場(chǎng)、工作距離和焦深之間的矛盾，在數(shù)字全息顯微系統(tǒng)中引入合成孔徑技術(shù)，它雖然可以克服這個(gè)矛盾，獲得超過(guò)衍射極限的分辨率，但是系統(tǒng)不具有實(shí)時(shí)記錄的能力。在文獻(xiàn)《Single-exposure two-dimensional superresolutionin digital holography using a vertical cavity surface-emitting laser sourcearray)) (Opt. Lett. (2011)7，1149-1151)中，V. Mico 等提出了利用 VCSEL 光源提供的多角度照射光可以替代移動(dòng)CCD，從而達(dá)到改 進(jìn)傳統(tǒng)數(shù)字全息顯微合成孔徑系統(tǒng)的目的，但當(dāng)被測(cè)物體頻譜分布比較復(fù)雜時(shí)，很容易造成頻譜混疊，因而缺乏普適性。另外，在數(shù)字全息顯微記錄光路中插入光柵的方法，也被文獻(xiàn)《Super-resolution in digitalholography by a two-dimensional dynamic phase gratingKOpt. Express (2008) 16,17107-17118)報(bào)道；作為一種可以提高分辨率的方法，它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有較高普適性，但是為了避免頻譜混疊，需要對(duì)物體的尺寸以及頻譜范圍進(jìn)行限制，進(jìn)而物方視場(chǎng)也受限?？傊M管現(xiàn)有的數(shù)字全息顯微系統(tǒng)可以獨(dú)立擁有超高的空間分辨率，或者較高的時(shí)間分辨率，但都沒能在空間分辨率和時(shí)間分辨率的提高方面取得統(tǒng)一。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)已有數(shù)字全息顯微系統(tǒng)不能同時(shí)具有高時(shí)間、高空間分辨率、大視場(chǎng)和大景深的缺點(diǎn)，提供一種三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，采用波分、角分、時(shí)分和偏振復(fù)用混合技術(shù)，在數(shù)字相機(jī)的同一幀畫面中同時(shí)記錄包含兩個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻、包含每個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻高、低頻信息的四幅全息圖，使數(shù)字全息顯微系統(tǒng)同時(shí)具有高時(shí)間、空間分辨率、大視場(chǎng)、長(zhǎng)工作距離和大景深的特點(diǎn)。本實(shí)用新型描述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，包括入射光產(chǎn)生系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)兩個(gè)部分；入射光產(chǎn)生系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器1，可按一定比例產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為原波長(zhǎng)一半的脈沖激光的倍頻晶體2，對(duì)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行反射、同時(shí)允許另一波長(zhǎng)的脈沖激光按一定比例直接透過(guò)的二向色鏡3，用于延長(zhǎng)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光光程的光程延遲系統(tǒng)(第一反射鏡4和第二反射鏡5的組合),將長(zhǎng)、短兩波長(zhǎng)脈沖激光匯合成一個(gè)方向傳播的第一非偏振分束鏡6 ;記錄系統(tǒng)包括可將進(jìn)入該系統(tǒng)的每束入射脈沖激光分成兩束偏振方向分別沿X和Y方向、相互垂直的線性偏振光的偏振分束鏡7,位于偏振分束鏡7與第三反射鏡9和第四反射鏡12之間、將來(lái)自偏振分束鏡7的沿X方向水平偏振的光束分成參考光A和照射光B的第二非偏振分束鏡8,位于第二非偏振分束鏡8與被測(cè)物體13之間、將照射光B反射后沿物體平面法線方向照射被測(cè)物體13的第四反射鏡12，位于偏振分束鏡7與第五反射鏡16和第六反射鏡17之間、將來(lái)自偏振分束鏡7的沿Y方向垂直偏振的光分成照射光C和參考光D的第四非偏振分束鏡15,位于被測(cè)物體13與第四非偏振分束鏡15之間、將照射光C反射后沿一傾斜方向照射被測(cè)物體13的第六反射鏡17,將參考光A和D反射后射向第三非偏振分束鏡10的第三反射鏡9和第五反射鏡16,位于被測(cè)物體13和第三非偏振分束鏡10之間、將物光放大的顯微物鏡14,用于調(diào)整來(lái)自顯微物鏡14且分別攜帶物體高、低頻信息的物光和來(lái)自第三反射鏡9、第五反射鏡16的參考光A和D之間夾角的第三非偏振分束鏡10,用于記錄來(lái)自第三非偏振分束鏡10的物光和參考光所形成全息圖的數(shù)字相機(jī)CCD11，以及內(nèi)置三維數(shù)字全息圖像處理再現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)(進(jìn)行全息圖像處理)。所述的飛秒脈沖激光器I為可輸出中心波長(zhǎng)為775nm 1030nm、單脈沖寬度在飛
秒量級(jí)的脈沖激光器，可采用符合上述條件的普通市售激光器。所述的倍頻晶體2是可在透過(guò)原長(zhǎng)波波長(zhǎng)脈沖激光的同時(shí)產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為1/2原波長(zhǎng)的短波脈沖激光、倍頻效率為30% 70%的普通非線性光學(xué)晶體2，如ΒΒ0，ΚΤΡ等。通過(guò)倍頻晶體2，可將激光器發(fā)出的光分割成長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)兩束不同波長(zhǎng)的脈沖激光，長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖的中心波長(zhǎng)為短波長(zhǎng)脈沖中心波長(zhǎng)的2倍。所述光程延遲系統(tǒng)包括二向色鏡3、第一反射鏡4和第二反射鏡5,第一反射鏡4·和第二反射鏡5分別與二向色鏡3和第一非偏振分束鏡6相對(duì)應(yīng),使兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光到達(dá)記錄系統(tǒng)的時(shí)間滯后或超前于另一波長(zhǎng)脈沖激光。光程延遲系統(tǒng)使兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光到達(dá)記錄系統(tǒng)滯后或超前于另一波長(zhǎng)脈沖激光的時(shí)間差為50fs 33ps。具體通過(guò)調(diào)整第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的間距，以及第一反射鏡4和第二反射鏡5與二向色鏡3和第一非偏振分束鏡6之間的距尚，從而延長(zhǎng)或縮短光程，使兩束脈沖激光產(chǎn)生時(shí)間差。具體時(shí)間差科根據(jù)實(shí)際需要，作適應(yīng)性調(diào)整。所述光程延遲系統(tǒng)中，第一反射鏡4和第二反射鏡5可用一塊屋脊棱鏡代替，根據(jù)短波長(zhǎng)脈沖滯后或超前長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖的實(shí)際需要，第一反射鏡4和第二反射鏡5或屋脊棱鏡可選擇性地置于入射光產(chǎn)生系統(tǒng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光光程或短波長(zhǎng)脈沖激光光程中。兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光在二向色鏡3和第一反射鏡4、第二反射鏡5，以及第一非偏振分束鏡6之間的反射過(guò)程中經(jīng)歷較長(zhǎng)的光程，而另一波長(zhǎng)脈沖激光直接透過(guò)二向色鏡3和第一非偏振分束鏡6，經(jīng)歷的光程較短。兩不同波長(zhǎng)脈沖經(jīng)歷的光程差決定了輸出時(shí)間差，其中某一波長(zhǎng)脈沖激光滯后于另一波長(zhǎng)激光脈沖到達(dá)記錄系統(tǒng)，它們的時(shí)間間隔在飛秒到皮秒量級(jí)之間，可使其后所形成的四幅全息圖記錄在數(shù)字相機(jī)CCD的一幀畫面中，并且不發(fā)生混疊。所述分別從不同方向照射被測(cè)物體的兩束照射光B和C中，照射光B沿物體平面的法線方向照射被測(cè)物體13、照射光C與物平面法線呈SirT1 (NA)角度照射被測(cè)物體13，其中，NA是顯微物鏡(14)的數(shù)值孔徑。照射光C的具體照射角度根據(jù)實(shí)際需要，由選定的顯微物鏡14的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。所述第一非偏振分束鏡6、第二非偏振分束鏡8、第三非偏振分束鏡10、第四非偏振分束鏡15均為直透光與反射光分光比為1:1的普通寬光譜分光棱鏡,第一反射鏡4、第二反射鏡5、第三反射鏡9、第四反射鏡12、第五反射鏡16和第六反射鏡17均為普通寬光譜、高反射率反射鏡，顯微物鏡14為可在記錄前對(duì)被記錄物體進(jìn)行預(yù)先放大的普通小數(shù)值孔徑、大視場(chǎng)、長(zhǎng)距離和焦深的物鏡，數(shù)字相機(jī)CCDll為普通黑白面陣型數(shù)字相機(jī)。各偏振分束鏡、非偏振分束鏡和反射鏡的光譜范圍與激光光源的光譜范圍相適應(yīng)，對(duì)通過(guò)它們的中心波長(zhǎng)為387nm 1030nm激光脈沖進(jìn)行分束或高效率反射。本系統(tǒng)使用時(shí)，飛秒激光器I輸出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光脈沖，該光透過(guò)倍頻晶體2(如BBO，KTP等)后，由于倍頻晶體的非線性效應(yīng)，在直接透過(guò)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光脈沖同時(shí)，還將產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為原波長(zhǎng)的一半的另一激光脈沖；不同波長(zhǎng)的兩束激光脈沖同時(shí)射向二向色鏡3,其中,波長(zhǎng)較長(zhǎng)的脈沖將直接透過(guò)二向色鏡3和第一非偏振分束鏡6,進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分；而短波長(zhǎng)脈沖將被二向色鏡3反射，依次被第一反射鏡4、第二反射鏡5和第一非偏振分束鏡6反射后，形成飛秒到皮秒量級(jí)的輸出時(shí)間差，兩束脈沖將先后進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分。因波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光脈沖經(jīng)歷的光程短，它將先于波長(zhǎng)較短的激光脈沖進(jìn)入記錄系統(tǒng)，它將被偏振分束鏡7分解成兩束線偏振光，分別沿水平X和垂直Y方向偏振。沿水平X方向偏振的激光脈沖被第二非偏振分束鏡8分束后形成A和B兩束光，A光束被第三反射鏡9和第三非偏振分束鏡10反射后射向數(shù)字相機(jī)CCD11，B光束被第四反射鏡12反射后依次水平透過(guò)被測(cè)物體13、顯微物鏡14和第三非偏振反射鏡10，射向CXDll，與A光束發(fā)生干涉形成第一幅全息圖。沿垂直Y方向偏振的激光脈沖被第四非偏振分束鏡15分束后形成C和D兩束光，D光束被第五反射鏡16和第三非偏振分束鏡10反射后射向CXDlI，C光束被第六反射鏡17反射后傾斜照射被測(cè)物體13、再透過(guò)顯微物鏡14和第三非偏振反射鏡10，射向CXDll，與D光束發(fā)生干涉形成第二幅全息圖。波長(zhǎng)較短的激光脈沖經(jīng)飛秒到皮秒 的時(shí)間延遲后進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分，并沿著與波長(zhǎng)較長(zhǎng)脈沖光相同的路徑傳播，最終形成第三幅和第四幅全息圖。兩個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻同一動(dòng)態(tài)過(guò)程的四幅全息圖，均由數(shù)字相機(jī)CCDll復(fù)合記錄在一幀畫面中，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字再現(xiàn)，通過(guò)對(duì)復(fù)合全息圖頻域?yàn)V波處理，將高頻和低頻信息相互分離，合成復(fù)振幅從而獲得三維超高時(shí)間和空間分辨率再現(xiàn)圖像。本實(shí)用新型通過(guò)控制不同波長(zhǎng)兩束激光脈沖的延遲時(shí)間，保證了四幅全息圖記錄在數(shù)字相機(jī)CCD的一幀畫面中。同時(shí)，由于采用偏振復(fù)用技術(shù)，使得在一個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻下記錄到的包含高頻和低頻信息的全息圖相互之間不發(fā)生干擾；采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，保證兩個(gè)瞬態(tài)過(guò)程的兩組全息圖(每組包括一幅高頻信息全息圖和一幅低頻信息全息圖)相互之間不發(fā)生干擾；采用角分和波分復(fù)用技術(shù)，保證了記錄在一幀畫面中的四幅全息圖的再現(xiàn)像不發(fā)生混疊。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了超高空間分辨率的實(shí)時(shí)三維成像，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)
占-
^ \\\ ·(I)由于本實(shí)用新型只使用一部激光器，較使用多部激光器的方法和系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，更加簡(jiǎn)潔；(2)用同軸光和離軸光同時(shí)照射物體，可以保證(XD能同時(shí)記錄到物體高頻和低頻信息，保證了在顯微物鏡的數(shù)值孔徑不大的情況下，也能獲得在系統(tǒng)截止頻率以外的物體信息，保證了系統(tǒng)具有很高的分辨率而且具有大視場(chǎng)和景深；較只能記錄到物體的低頻或者高頻信息的傳統(tǒng)方法相比，可以記錄到更多的物體信息，并且空間分辨率能突破成像系統(tǒng)的極限分辨率，可以實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間分辨率的共同提高，完成三維超高空間分辨率的再現(xiàn)；(3)利用偏振方向不同而且到達(dá)C⑶時(shí)間不同的四組參物光組，可以保證四幅全息圖以非相干的形式記錄在CCD上而不相互干擾；(4)通過(guò)控制波長(zhǎng)較長(zhǎng)和較短兩束激光脈沖的光程(時(shí)間)差，可以實(shí)時(shí)記錄微小物體的變化過(guò)程，實(shí)時(shí)記錄速度高于CCD的采集速度，而且可以捕捉在飛秒到皮秒量級(jí)瞬態(tài)變化的信息。
圖I為本實(shí)用新型系統(tǒng)示意圖；圖2為本實(shí)用新型入射光產(chǎn)生系統(tǒng)示意圖。圖中1-飛秒激光器，2-倍頻晶體，3-二向色鏡，4-第一反射鏡，5-第二反射鏡，6-第一非偏振分束鏡，7-偏振分束鏡,8-第二非偏振分束鏡,9-第三反射鏡，10-第三非偏振分束鏡，11-數(shù)字相機(jī)CCD，12-第四反射鏡，13-被測(cè)物體，14-顯微物鏡，15-第四非偏振分束鏡，16-第五反射鏡，17-第六反射鏡。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于所述內(nèi)容。實(shí)施例I :如圖1、2所示，該三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，包括入射光產(chǎn)生系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)兩個(gè)部分；入射光產(chǎn)生系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器1，可產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為原波長(zhǎng)一半的脈沖激光的倍頻晶體2，對(duì)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行反射、同時(shí)允許另一波長(zhǎng)的脈沖激光直接透過(guò)的二向色鏡3，用于延長(zhǎng)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光光程的光程延遲系統(tǒng)(第一反射鏡4和第二反射鏡5的組合)，將長(zhǎng)、短兩波長(zhǎng)脈沖激光匯合成一個(gè)方向傳播的第一非偏振分束鏡6 ;記錄系統(tǒng)包括可將進(jìn)入該系統(tǒng)的每束入射脈沖激光(來(lái)自于第一非偏振分束鏡6)分成兩束偏振方向分別沿X和Y方向、相互垂直的線性偏振光的偏振分束鏡7,位于偏振分束鏡7與第三反射鏡9和第四反射鏡12之間、將來(lái)自偏振分束鏡7的沿X方向水平偏振的光束分成參考光A和照射光B的第二非偏振分束鏡8，位于第二非偏振分束鏡8與被測(cè)物體13之間、將照射光B反射后沿物體平面法線方向照射被測(cè)物體13的第四反射鏡12,位于偏振分束鏡7與第五反射鏡16和第六反射鏡17之間、將來(lái)自偏振分束鏡7的沿Y方向垂直偏振的光分成照射光C和參考光D的第四非偏振分束鏡15，位于被測(cè)物體13與第四非偏振分束鏡15之間、將照射光C反射后沿sin—1 (NA)=7°方向傾斜照射被測(cè)物體13的第六反射鏡17,將參考光A和D反射后射向第三非偏振分束鏡10的第三反射鏡9和第五反射鏡16，位于被測(cè)物體13和第三非偏振分束鏡10之間、將物光放大的顯微物鏡14，用于調(diào)整來(lái)自顯微物鏡14且分別攜帶物體高頻信息(傾斜物光產(chǎn)生)、物體低頻信息(垂直物光產(chǎn)生)的物光和來(lái)自第三反射鏡9、第五反射鏡16的參考光A和D之間夾角的第三非偏振分束鏡10,用于記錄來(lái)自第三非偏振分束鏡10的物光(攜帶物體低頻和高頻信息)和參考光(A和D)所形成全息圖的數(shù)字相機(jī)CCD11，以及內(nèi)置三維數(shù)字全息圖像處理再現(xiàn)系統(tǒng)的普通計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)中，激光器I為輸出中心波長(zhǎng)為800nm、脈沖間隔為35f s的Tsunami3941-35型飛秒激光振蕩器，倍頻晶體2為可使原輸入脈沖激光頻率提高兩倍，也就是使通過(guò)它的激光波長(zhǎng)變?yōu)樵胁ㄩL(zhǎng)的1/2倍的BBO偏硼酸鋇晶體(尺寸為0.01 mmX7mmX4mm,晶體響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為189-3500nm、倍頻效率約為40%)。激光脈沖光程延遲系統(tǒng)置于入射光產(chǎn)生系統(tǒng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光光程或短波長(zhǎng)脈沖激光光程中，包括一塊二向色鏡3、第一反射鏡4和第二反射鏡5,第一反射鏡4和第二反射鏡5分別與二向色鏡3和第一非偏振分束鏡6相對(duì)應(yīng)；二向色鏡3是具有兩向色性的分光板，其對(duì)波長(zhǎng)為400nm的光具有高反射率、對(duì)SOOnm的光具有較高的透過(guò)率，通過(guò)反射過(guò)程延長(zhǎng)中心波長(zhǎng)400nm的激光脈沖經(jīng)歷的光程，使其滯后于波長(zhǎng)為SOOnm的激光脈沖50fs輸出，保證其后所形成的四幅全息圖記錄在數(shù)字相機(jī)CXD的一幀畫面中，時(shí)間間隔可以通過(guò)改變光程差長(zhǎng)短調(diào)整。該系統(tǒng)中，照射光B沿物體平面的法線方向照射被測(cè)物體13、照射光C與物平面法線呈SirT1 (NA)=7°角度照射被測(cè)物體13。各非偏振分束鏡均為分光比為I: I的普通直透光與反射光寬寬帶分光棱鏡，它能夠?qū)⒅行牟ㄩL(zhǎng)為800nm和400nm的入射光分別分成兩束光，但是不改變其偏振方向，保持其原有偏振方向；各反射鏡為能對(duì)近紅外SOOnm的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光和400nm的較短波長(zhǎng)的光具有大于90%反射率的保護(hù)銀反射鏡；顯微物鏡14為可在記錄前對(duì)被記錄物體進(jìn)行預(yù)先放大的普通小數(shù)值孔徑、大視場(chǎng)、長(zhǎng)工作距離和深焦物鏡(ΝΑ=0. 12，3X )，因此，傾斜照射物體的光束與物平面法線的夾角sin—1 (NA) =7° ;數(shù)字相機(jī)CXDll為用于記錄全息圖的普通黑白面陣型(XD，可以選用PIKE F-505B型(XD，其感光面尺寸為8. 5 mmX7. Imm,像素為2452X2054，像元尺寸為3. 45 μ mX3. 45 μ m,幀頻為每秒15幅，電子快門70μ8-678，按照每幀畫面可以記錄兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)信息的特點(diǎn)，每秒可以記錄30幅全息圖，可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)采集。 在該系統(tǒng)中，由于飛秒激光器I輸出的中心波長(zhǎng)為800nm的激光,直接射向BBO晶體2，由于晶體的非線性效應(yīng)，飛秒激光透過(guò)BBO晶體后，將產(chǎn)生400nm的倍頻激光脈沖，但由于BBO的倍頻效率(40%)不能達(dá)到100%，因此，800nm的激光脈沖也以60%的比例透過(guò)BBO晶體，兩波長(zhǎng)的脈沖激光將同時(shí)射向二向色鏡3。400nm的激光脈沖將被二向色鏡3反射，經(jīng)過(guò)一定的光路延遲后，依次被第一反射鏡4、第二反射鏡5以及第一非偏振分束鏡6反射后，將進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分，通過(guò)調(diào)整第一、二兩塊反射鏡的位置，控制波長(zhǎng)為SOOnm和400nm激光脈沖的時(shí)間間隔為50fs ;另外一束800nm的脈沖光將直接透過(guò)二向色鏡3和透過(guò)第一非偏振分束鏡6,將直接進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分。由于中心波長(zhǎng)為SOOnm的脈沖經(jīng)歷的光程短，因此該束光將在t時(shí)刻進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分，該束脈沖將被偏振分束鏡7分成兩束偏振方向相互垂直的線性偏振光(即，一束沿X方向偏振，另一束沿I方向偏振)。沿X方向偏振的脈沖光，被第二非偏振分束鏡8分成兩束光(A和B), A光束被第三反射鏡9和第三非偏振分束鏡10反射后射向(XD11。在CXD記錄平面(χ-y面)上，A光束的分布可以表示成
Ui2πmus= εκρ(-ι — ^cos (X1)J1 = RA(x,y)Jx(I)
Λ
UI其中J1= ，是參考光束與X軸的夾角，h =800nm。B光束被第四反射鏡
L0J m.A-1
12反射后，透過(guò)物體13和顯微物鏡14，在顯微物鏡后得到一個(gè)物體放大的實(shí)像，這個(gè)光場(chǎng)經(jīng)第三非偏振分束鏡10反射后，也將射向CXDl I，當(dāng)放大像和C⑶之間的距離滿足菲涅耳近似條件，B光束在CCD記錄平面上的分布可以表示成
「 Ob (χ,γ) = [h (x, j) ] Λ、￥(2)
=Jj其中，t(x，y)是放大后的物體所成實(shí)像的復(fù)振幅分布，h (x，y)是系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，0是二維卷積。沿Y方向偏振、波長(zhǎng)為800nm的脈沖光，被第四非偏振分束鏡15分束后形成兩束光(C和D)，其中C光束被第五反射鏡16和第三非偏振分束鏡10反射后，射向記錄介質(zhì)CXDlI，C光束在CXD記錄面上的分布可以表示為
UUT2 TTU UBRci^y) = exp(-j—^cos 爲(wèi))J2 = Rc(x,y)J2(3)
A其中，J2= °A是參考光束C與y軸的夾角。D光束被第六反射鏡17反射后，將傾斜照射被測(cè)物體13、而后透過(guò)顯微物鏡14和第三非偏振反射鏡10，射向CXDlI，D光束在CXD記錄面上的分布可以表示為·
Ο (χ,/) = |α(α-,.>0 J) exp[-i (λ-cos +ycos ^)],、iAj (4)
V
=0D(x,y)J2其中，exp[-i ^ cos a#J + j cos ^)]為傾斜照射物體的光波的復(fù)振幅分布。從
4
式可以看出，傾斜照射物體會(huì)使物光場(chǎng)發(fā)生平移，依據(jù)角譜理論可知，CCD所能記錄到的
物體頻譜范圍也將發(fā)生變化，原來(lái)記錄不到的頻譜信息，會(huì)因?yàn)槭褂昧藘A斜照射，進(jìn)入到CCD記錄范圍之內(nèi)，通過(guò)控制傾斜照射的角度，傳統(tǒng)照射方式記錄不到的高頻信息可以被記錄。通過(guò)合成高頻和低頻信息，相當(dāng)于系統(tǒng)的數(shù)值孔徑由NA擴(kuò)大到2NA，因此，系統(tǒng)的空間分辨率會(huì)提高一倍，甚至超出了系統(tǒng)的極限分辨率。中心波長(zhǎng)400nm的高頻光經(jīng)歷一定時(shí)間延遲Λ =50fs后G t= Λ L/c, ^ L是光程差，c是光速，Δ L=30 μ m)，即t+ Δ t時(shí)刻，進(jìn)入記錄系統(tǒng)部分，這束脈沖將被偏振分束鏡7分成沿X方向偏振和沿I方向偏振的兩束線性偏振光。沿X方向偏振的脈沖光，被第二非偏振分束鏡8分成兩束光(A和B), A光束被第三反射鏡9和第三非偏振分束鏡10反射后射向(XD11。在CXD記錄平面(χ-y面)上，A光束的分布可以表示成
wit9ft f mRa = esPHXCOS(X1)J1 = Ra (J^y)Jl(5)
4其中I2 =400nm。B光束被第四反射鏡12反射后，透過(guò)物體13和顯微物鏡14，在
顯微物鏡后得到一個(gè)物體放大的實(shí)像，這個(gè)光場(chǎng)經(jīng)第三非偏振分束鏡10反射后，也將射向(XD11，當(dāng)放大像和CXD之間的距離滿足菲涅耳近似條件，B光束在CXD記錄平面上的分布可以表示成
權(quán)利要求1.一種三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征在于包括入射光產(chǎn)生系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)兩個(gè)部分；入射光產(chǎn)生系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器(1)，可按一定比例產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為原波長(zhǎng)一半的脈沖激光的倍頻晶體(2)，對(duì)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行反射、同時(shí)允許另一波長(zhǎng)的脈沖激光按一定比例直接透過(guò)的二向色鏡(3)，用于延長(zhǎng)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光光程的光程延遲系統(tǒng)，將長(zhǎng)、短兩波長(zhǎng)脈沖激光匯合成一個(gè)方向傳播的第一非偏振分束鏡(6);記錄系統(tǒng)包括可將進(jìn)入該系統(tǒng)的每束入射脈沖激光分成兩束偏振方向分別沿X和Y方向、相互垂直的線性偏振光的偏振分束鏡(7),位于偏振分束鏡(7)與第三反射鏡(9)和第四反射鏡(12)之間、將來(lái)自偏振分束鏡(7)的沿X方向水平偏振的光束分成參考光A和照射光B的第二非偏振分束鏡(8),位于第二非偏振分束鏡(8)與被測(cè)物體(13)之間、將照射光B反射后沿物體平面法線方向照射被測(cè)物體(13)的第四反射鏡(12)，位于偏振分束鏡(7)與第五反射鏡(16)和第六反射鏡(17)之間、將來(lái)自偏振分束鏡(7)的沿Y方向垂直偏振的光分成照射光C和參考光D的第四非偏振分束鏡(15),位于被測(cè)物體(13)與第四非偏振分束鏡(15)之間、將照射光C反射后沿一傾斜方向照射被測(cè)物體(13)的第六反射鏡(17),將參考光A和D反射后射向第三非偏振分束鏡(10)的第三反射鏡(9)和第五反射鏡(16),位于被測(cè)物體(13)和第三非偏振分束鏡(10)之間、將物光放大的顯微物鏡(14)，用于調(diào)整來(lái)自顯微物鏡(14)且分別攜帶物體高、低頻信息的物光和來(lái)自第三反射鏡(9)、第五反射鏡(16)的參考光A和D之間夾角的第三非偏振分束鏡(10),用于記錄來(lái)自第三非偏振分束鏡(10)的物光和參考光所形成全息圖的數(shù)字相機(jī)(XD (11),以及計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征是飛秒脈沖激光器(I)為可輸出中心波長(zhǎng)為775nm 1030nm、單脈沖寬度在飛秒量級(jí)的脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征是倍頻晶體(2)是可在透過(guò)原長(zhǎng)波波長(zhǎng)脈沖激光的同時(shí)產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為1/2原波長(zhǎng)的短波脈沖激光、倍頻效率為30% 70%的非線性光學(xué)晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征在于光程延遲系統(tǒng)包括二向色鏡(3)、第一反射鏡(4)和第二反射鏡(5),第一反射鏡(4)和第二反射鏡(5)分別與二向色鏡(3)和第一非偏振分束鏡(6)相對(duì)應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征在于光程延遲系統(tǒng)使兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光到達(dá)記錄系統(tǒng)滯后或超前于另一波長(zhǎng)脈沖激光的時(shí)間差為50fs 33ps。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征是光程延遲系統(tǒng)中，第一反射鏡(4)和第二反射鏡(5)可用一塊屋脊棱鏡代替,第一反射鏡(4)和第二反射鏡(5)或屋脊棱鏡置于入射光產(chǎn)生系統(tǒng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光光程或短波長(zhǎng)脈沖激光光程中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征在于分別從不同方向照射被測(cè)物體的兩束照射光B和C中，照射光B沿物體平面的法線方向照射被測(cè)物體(13)、照射光C與物平面法線呈SirT1 (NA)角度照射被測(cè)物體(13)，其中，NA是顯微物鏡(14)的數(shù)值孔徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，其特征是各非偏振分束鏡均為直透光與反射光分光比為I: I的分光棱鏡，顯微物鏡(14)為可在記錄前對(duì)被記錄物體進(jìn)行預(yù)先放大的物鏡，數(shù)字相機(jī)CCD (11)為黑白面陣型數(shù)字相機(jī)，各非偏振分束鏡和 反射鏡的光譜范圍與激光光源的光譜范圍相適應(yīng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種三維實(shí)時(shí)超分辨數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，屬三維顯微成像技術(shù)領(lǐng)域。由入射光產(chǎn)生系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)組成，入射光產(chǎn)生系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器、可按一定比例產(chǎn)生另一波長(zhǎng)為原波長(zhǎng)一半的脈沖激光的倍頻晶體、對(duì)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行反射、同時(shí)允許另一波長(zhǎng)的脈沖激光按一定比例直接透過(guò)的二向色鏡、用于延長(zhǎng)兩波長(zhǎng)脈沖激光中某一波長(zhǎng)脈沖激光光程的光程延遲系統(tǒng)和將長(zhǎng)、短兩波長(zhǎng)脈沖激光匯合成一個(gè)方向傳播的第一非偏振分束鏡，記錄系統(tǒng)包括顯微物鏡和系列偏振分束鏡、非偏振分束鏡、反射鏡、數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G02B21/36GK202583708SQ20112048748
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者袁操今, 馬駿 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)