用于記錄伽柏全息圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于記錄伽柏（gabor)全息圖的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于顯微鏡透鏡的高數(shù)值孔徑和高放大率，光學(xué)顯微術(shù)常受限于小的景深。所以， 提高它是光學(xué)顯微術(shù)中的一個(gè)重要目標(biāo)。一種能夠令記錄成失焦的物體再聚焦的方案是基 于數(shù)字全息顯微術(shù)（DHM)，其中全息圖是用C⑶相機(jī)記錄。該全息圖的再現(xiàn)或再聚焦是通 過數(shù)字計(jì)算進(jìn)行。數(shù)字全息顯微術(shù)是一種有大量應(yīng)用的新興技術(shù)，這歸功于其定量的相襯 (phasecontrast)成像和其在深度上的物體再聚焦。
[0003] 全息圖是通過記錄物體所散射光和非散射光束即參考光束之間的光學(xué)干涉圖樣 而獲得。有幾種途徑實(shí)現(xiàn)此記錄方案。
[0004] 存在物體光束和參考光束被分成兩個(gè)不同光路的干涉構(gòu)型。物體光束被物體散射 后，這些光束重組于其正在發(fā)生干涉的相機(jī)傳感器上。
[0005] 歸功于數(shù)字全息圖處理，這些構(gòu)型提供再聚焦和定量的相襯成像，并適用于當(dāng)前 日益增多的應(yīng)用。
[0006] 在同軸數(shù)字全息顯微術(shù)中，有唯一光束以透射照明物體。被物體衍射的光束 (物體光束）與周圍的非衍射光束（參考光束）在記錄平面上發(fā)生干涉，例如Z.Gorocs 等在Proc.ofSPIEVol.7568 75681P-1 的"multi-colordigitalholographic microscope(DHM)forbiologicalpurposes(用于生物目的的多色數(shù)字全息顯微術(shù) (DHM))"中所描述。在物體和記錄平面之間有無透鏡都可實(shí)現(xiàn)該過程?？蛇x透鏡的作用是 為了適應(yīng)放大率。
[0007] 當(dāng)緊湊性是關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，常采用同軸全息，以透射照明，物體和傳感器之間無透 鏡，也無單獨(dú)的參考光束，例如JorgeGarcia-Sucerquia等在APPLIEDOPTICS(應(yīng) 用光學(xué)）45,836-850 (2006)或S.K.Jericho等在Rev.Sci.Instrum. 77,043706;doi: 10. 1063/1.2193827(2006)中所描述。在這種構(gòu)型中，如圖1所示，相干照明光束入射在物 體上。由物體所散射的光束部分入射在傳感器上，在此與非散射的照明光束發(fā)生干涉。這 基本上就是第一伽柏構(gòu)型〇).Gabor，Proc.Roy.Soc.Ser.A197,454(1949))，其中經(jīng)典的照 相底板被相機(jī)傳感器所替換以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行全息再現(xiàn)。
[0008] 在同軸全息中，記錄的強(qiáng)度以下式表達(dá)：
[0009] i(x,y) = |r(x,y) +〇 (x,y) 12= |r| 2+1o12+o*r+or* (1)
[0010] 其中（X，y)是探測器上的空間坐標(biāo)，r(x，y)是參考光束（未被物體所衍射的光 束）而o(x，y)是物體光束（被物體所衍射的光束）。為簡明起見，我們在方程⑴右邊略 去了空間依賴（x，y)。設(shè)物體尺寸相對于到傳感器的距離很小，則|〇|2可忽略。
[0011] 參考光束強(qiáng)度|r|2能夠是一次性記錄，并且對方程（1)可減掉。結(jié)果為：
[0012] i'=〇*r+or* (2)
[0013]下面，我們將假設(shè)對|r|2的抑制總是被執(zhí)行。
[0014] 式（2)描述所記錄的全息圖。如果我們假設(shè)參考光為垂直于傳感器傳播的平面 波，我們得到i' =A(，+o)，其中A為常數(shù)。通過在i'上應(yīng)用在距離-d上的基爾霍夫-菲 涅爾（KF)傳播，獲得用離焦距離為記錄的物體的再聚焦。我們將此操作記為\=R[-d] i'。當(dāng)i'是由物光的振幅與其復(fù)共軛相加組成時(shí)，KF傳播的應(yīng)用導(dǎo)致被再聚焦的物體增 加了稱為孿生像的第二項(xiàng)。
[0015] 在干涉實(shí)現(xiàn)方面，同軸全息術(shù)受到兩個(gè)缺點(diǎn)影響，即：
[0016] -伴隨任何再聚焦物體出現(xiàn)的孿生像，
[0017] -基本上沒有直接記錄的光學(xué)相位信息，其大幅減少了所記錄的信息量。
[0018] 然而，光學(xué)相位信息直接聯(lián)系到DHM的定量相襯成像能力，而且在用于測量樣本 (活細(xì)胞......）的光學(xué)厚度的大量應(yīng)用中是很重要的。必須注意到孿生像是由在記錄平 面中不知道光學(xué)相位信息這一事實(shí)而造成。如果有方法獲得相位信息，它就可以和通過同 軸全息術(shù)獲得的強(qiáng)度信息結(jié)合起來。那么孿生像將在數(shù)字全息再聚焦期間被去掉。
[0019] 通過光纖進(jìn)行全息圖傳輸已見于專利文獻(xiàn)JP60/042178A，但在提出的配置中，唯 一的光纖在光纖的兩端被同步掃描，這增加了復(fù)雜度和系統(tǒng)的尺寸。在該文獻(xiàn)中，通過掃描 過程在近端處再現(xiàn)全息圖。由于掃描速率限制，這樣的設(shè)備還表現(xiàn)出不能成像移動(dòng)物體的 缺點(diǎn)。
[0020] 小型化是一個(gè)重要的主題，因?yàn)槟軌蛟跍p小尺寸的試驗(yàn)設(shè)備比如"片上實(shí)驗(yàn)室 (labonchip)"設(shè)備上進(jìn)行測量的需求日益增加。還有一個(gè)需求是能夠?qū)崿F(xiàn)不干擾試驗(yàn)進(jìn) 程的"現(xiàn)場（insitu)"測量探測器。
[0021] 發(fā)明目的
[0022] 本發(fā)明目的是進(jìn)一步提高同軸全息術(shù)的小型化并且得益于所獲得的緊湊性，以便 尤其是利用光學(xué)相位信息的恢復(fù)，進(jìn)一步改善數(shù)字全息工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 本發(fā)明涉及一種用于記錄伽柏全息圖的全息探測器設(shè)備，包括
[0024] -包括遠(yuǎn)端和近端的相干光纖束；
[0025] -光學(xué)耦接到所述相干光纖束近端的記錄介質(zhì)；
[0026] _光源，使用時(shí)生成單個(gè)光束，照明所述相干光纖束遠(yuǎn)端和要被觀察的物體。
[0027] 優(yōu)選地，所述光源從由LED、激光器和氣體放電管組成的組中選擇。
[0028] 有利地，所述光源包括用于引導(dǎo)來自所述光源的光并形成光束的光纖。
[0029] 優(yōu)選地，所述記錄介質(zhì)是CMOS或(XD圖像傳感器。
[0030] 有利地，所述記錄介質(zhì)通過直接接觸或通過透鏡光學(xué)耦合到所述相干光纖束的近 端，所述透鏡將所述相干光纖束的近端的像形成在所述記錄介質(zhì)上。
[0031] 本發(fā)明的另一方面涉及一種包括多于一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的全息探測器設(shè)備的光學(xué) 設(shè)備，用于在不同角度下同時(shí)記錄同一物體的多于一個(gè)全息圖。
[0032] 優(yōu)選地，至少兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的全息探測器設(shè)備被布置成它們的遠(yuǎn)端（前記錄平 面）彼此垂直。
[0033] 有利地，兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的全息探測器設(shè)備的遠(yuǎn)端在相反方向上布置在相同的軸 線上。（平行的前記錄平面或遠(yuǎn)端）
[0034] 優(yōu)選地，每個(gè)全息探測器設(shè)備的每個(gè)相干光纖束的近端光學(xué)耦合到相反的全息圖 記錄設(shè)備的光源。
[0035] 本發(fā)明的優(yōu)勢是，在所述物體與所述光纖束遠(yuǎn)端之間沒必要存在透鏡，用于形成 無透鏡全息圖。
[0036] 本發(fā)明的第三方面涉及一種用于記錄伽柏全息圖的方法，包括以下步驟：
[0037] _提供包括遠(yuǎn)端和近端的相干光纖束，所述近端被光學(xué)耦合到記錄介質(zhì)；
[0038] -通過單個(gè)至少部分相干光束照亮所述相干光纖束遠(yuǎn)端和要被觀察的物體，由此 在相干束的遠(yuǎn)端上產(chǎn)生伽柏全息圖；
[0039] -在所述平面記錄介質(zhì)上記錄通過所述相干光纖束傳輸?shù)乃鲑ぐ厝D。
[0040] 優(yōu)選地，通過利用多于一個(gè)光束，每個(gè)光束照明單獨(dú)的相干光纖束，記錄多于一個(gè) 伽柏全息圖。
【附圖說明】
[0041] 圖1示出同軸全息圖記錄布局。
[0042] 圖2示出按照本發(fā)明用于記錄伽柏全息圖的同軸全息探測器設(shè)備的示例。
[0043] 圖3示出能夠被用在本發(fā)明中的照明方案的示例。
[0044] 圖4示出能夠被用在本發(fā)明中的照明方案的示例。
[0045] 圖5示出在相干光纖束近端處的記錄方案的示例。
[0046] 圖6示出光學(xué)設(shè)備的示例，所述光學(xué)設(shè)備包括多于一個(gè)的根據(jù)本發(fā)明的全息探測 器設(shè)備，其遠(yuǎn)端記錄平面彼此垂直。
[0047] 圖7示出光學(xué)設(shè)備的示例，所述光學(xué)設(shè)備包括多于一個(gè)的根據(jù)本發(fā)明的全息探測 器設(shè)備，其遠(yuǎn)端記錄平