一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统

本技术涉及数字全息成像领域，特别是一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统。

背景技术：

1、随着生物医学、材料科学等相关领域的快速发展，对显微成像系统的分辨率要求越来越高。然而因为光的衍射效应，常规的光学显微成像系统的分辨率存在衍射极限。将分辨率提高到光学衍射极限之外的超分辨成像，长期以来备受关注。

2、数字全息成像是通过记录携带待测样品信息的物光与参考光之间的数字全息图，通过算法重构，获得光通过待测样品的整个波前信息，实现定量相位成像。同时可以改变物光的倾斜角度，采集多幅数字全息图，通过合成多幅数字全息图的频谱来扩展单幅图像的频域，实现超分辨成像。与传统显微成像相比，数字全息成像无需染色，并且可以长时间无损测量，在生物研究领域具有较大优势。

3、目前，调节物光倾斜角度的方式主要有如下两种：一种是利用机械方法进行调节，如振镜，精度高可实现角度连续变换，但振镜价格昂贵，并且由于振镜是通过控制两块反射镜分别调节两个维度的角度，会导致部分角度无法被调节出[youhua chen etal.widefield and total internal reflection fluorescent structuredillumination microscopy with scanning galvo mirrors.[j].journal of biomedicaloptics,2018,23(4):1-9.]；另一种是利用空间光调制器进行调节，如液晶空间光调制器，通过电场调控多个液晶改变角度，操作复杂并且价格昂贵，或是用数字微反射装置，但该装置与系统光轴不垂直，需要额外用透镜去修正，并且调整角度范围有限[wenjing zhou,qiangsheng xu,yingjie yu,anand asundi,phase-shifting in-line digitalholography on a digital micro-mirror device,optics and lasers in engineering,volume 47,issue 9,2009]。

4、基于以上背景，设计一种采用机械移动多光栅窗口形成固定角度的稳定、易推广的光学系统实现超分辨成像具有重大的工程意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统。在本实用新型中，系统所需的角度有限且固定，不需要动态调节功能。

2、为了实现本实用新型的目的之一，本实用新型提供一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其包括用于发光的激光器、第一透镜、第二透镜、用于滤波的针孔和第一非偏振分光棱镜，激光器发出的光经过第一透镜聚焦依次通过针孔、第二透镜进入第一非偏振分光棱镜，第一非偏振分光棱镜后设置多光栅窗口和第五透镜；

3、多光栅窗口包括一个矩形孔窗口和多个依次横向排列的光栅窗口，多光栅窗口通过步进电机移动并切换不同窗口，多光栅窗口后依次设置第三透镜、光阑、第四透镜、用于放置待测样品的待测样品区域、物镜、第一反射镜、成像透镜、第二非偏振分光棱镜和图像传感器；

4、第五透镜后依次设置第二反射镜、第六透镜、第二非偏振分光棱镜和所述图像传感器；

5、多光栅窗口设置在第三透镜的物方焦面上，光阑设置在第三透镜的像方焦面和第四透镜的物方焦面上。

6、优选的，多光栅窗口包括一个矩形孔窗口和多个依次横向排列的光栅窗口。

7、优选的，多光栅窗口中的光栅包括正弦型相位光栅。

8、优选的，多光栅窗口通过步进电机移动并切换不同窗口使其位于光路中。

9、优选的，光阑开有小孔，其位置对应于多光栅窗口中不同窗口产生的透射光或+1级衍射光经过第三透镜在光阑的聚焦处。

10、优选的，光阑中每个小孔前附有可移动的遮光板，根据多光栅窗口中处于光路中的窗口进行调节。

11、优选的，待测样品区域设置在第四透镜的像方焦面和物镜的物方焦面上。

12、优选的，图像传感器放置于成像透镜的像方焦面上。

13、本实用新型的有益效果如下:

14、本实用新型采用将多光栅横向集成在一个窗口上，由步进电机移动，获得不同倾斜角度的物光，装置简单稳定，成本低，本实用新型对系统中的核心器件参数均无固定要求，如显微物镜、图像传感器，可根据不同的器件灵活使用现有系统，具有很强的商用价值。

技术特征：

1.一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：包括用于发光的激光器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(4)、用于滤波的针孔(3)和第一非偏振分光棱镜(5)，激光器发出的光经过第一透镜(2)聚焦依次通过针孔(3)、第二透镜(4)进入第一非偏振分光棱镜(5)，第一非偏振分光棱镜(5)后设置多光栅窗口(6)和第五透镜(14)；

2.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)包括一个矩形孔窗口和多个依次横向排列的光栅窗口。

3.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)中的光栅包括正弦型相位光栅。

4.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：多光栅窗口(6)通过步进电机移动并切换不同窗口使其位于光路中。

5.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：光阑(8)开有小孔，其位置对应于多光栅窗口(6)中不同窗口产生的透射光或+1级衍射光经过第三透镜(7)在光阑(8)的聚焦处。

6.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：光阑(8)中每个小孔前附有可移动的遮光板，根据多光栅窗口(6)中处于光路中的窗口进行调节。

7.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：待测样品区域(10)设置在第四透镜(9)的像方焦面和物镜(11)的物方焦面上。

8.根据权利要求1所述的基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，其特征在于：图像传感器(18)放置于成像透镜(13)的像方焦面上。

技术总结本技术公开了一种基于多光栅的超分辨数字全息成像系统，该成像系统是在传统的马赫曾德全息光路的物光光路中加入多个光栅所集成的窗口，通过移动该窗口，产生不同倾斜角度的光照射待测样品，与参考光发生干涉，从而在图像传感器采集到多幅数字全息图。本技术采用多光栅衍射的方式实现不同倾斜角度的物光，造价低，方便稳定，且对系统中的核心器件参数均无固定要求，如显微物镜、图像传感器等，可根据所述成像方法灵活运用现有系统，实现超分辨成像，具有很强的商用价值。技术研发人员：查宝飞,刘辰,张凌峰,薛融淼,苏衍峰受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：20231128技术公布日：2024/12/12