光纤照明数字全息显微镜实验研究
发布时间：2022-01-24 00:51
设计并组建了光纤照明的多分辨率数字全息显微镜系统。激光器出射的激光经光纤耦合器、光纤分束器,分别形成照明样品的照明光波和参考光波。照明光波经扩束准直后透过样品形成物光波,与参考光在图像传感器表面干涉形成全息图。相较于普通数字全息显微镜,该系统更加紧凑稳定,并且通过转动物镜转盘,可选择采用不同的显微物镜,实现多分辨率显微定量相位成像。对该系统进行了实验测试,首先用标准样品聚苯乙烯微球验证了该系统定量相位成像的准确性,并测量了系统的时空噪声,得到空间噪声在2 nm以内,时间噪声在0.8 nm以内;然后将系统应用于单模光纤、微光学元件和生物样品的测量,获得了准确的定量相位像。实验结果表明组建的光纤照明多分辨率光纤型数字全息显微镜稳定性高,能够实现准确的定量相位成像。
【文章来源】：光学与光电技术. 2020,18(01)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
光纤照明数字全息显微镜系统原理图
?y)]Re[U(x?y)]（3）其中，Re是取实部，Im是取虚部。由（3）式解出的相位值分布在(-π?π]区间。为获取样品真实的相位分布，还需要解包裹操作。本文采用可靠度导向的快速相位解包裹算法［11］。从图1中可看出，照明光波经过透射样品之后的光学元件会有附加相位因子的影响，从而由式（3）得到的相位分布并不是真实的样品相位分布。需要消除系统中附加相位因子的影响。本文采用减去参考平面相位的方法消除附加相位影响［12］。3实验及结果分析3.1系统实物图与结构参数组建的实验系统如图2所示。图2光纤照明数字全息显微镜Fig.2Digitalholographicmicroscopewithopticalfiberillumination照明光源是波长为532nm的光纤耦合输出激光器。显微物镜是普通商用显微物镜，将不同参数的显微物镜置于物镜转盘，通过转动物镜转盘，可根据需要选择不同参数的显微物镜，实现多分辨率显微成像。记录相机CCD的像元间距是3.45μm×3.45μm，像素数是2048×2248，可根据需要选择部分像素。同时，我们开发了系统软件，该软件系统具有完整的记录和数据处理功能，可以对样品进行实时观测。3.2系统成像准确度和时空敏感性首先测试系统成像的准确性。我们分别对不同分辨率的显微系统做了测试。这里以40×/0.65的显微物镜系统为例。选用标准聚苯乙烯微球作为被测样品，微球直径为2±5%μm，折射率为1.59。取少量微球散落于盖波片，等蒸发完水分后，为了确保拍摄得到的干涉条纹不会因相位差太大而断裂，需滴入折射率匹配溶液，这里我们使用奥林巴斯物镜浸油（折射率为1.518）浸没微球。将做好的样品水平置于载物台上，选用卜晓博等：光纤照明数字全息显微镜实验研究69
学与光电技术第18卷光40×/0.65的显微物镜，进行调焦使CCD上清晰地接收到微球的像。采集到的数字全息图如图3（a）所示。通过数值处理得到微球相位像如图3（b）。光经过微球的几何高度h(x?y)和测量得到的相位分布φ(x?y)之间的关系为：h(x?y)=λφ(x?y)2π(n-n0）。已知微球折射率、浸没介质折射率、记录波长，可由测量得到的相位分布φ(x?y)，计算得到微球的厚度分布为2.08μm与标准值相符。图3（c）是沿图3（b）中所画过微球中心直线的微球厚度分布截线图，证实了组建的数字全息显微镜具有准确的定量相位成像性能。（a）像面全息图（b）再现相位像（c）沿着图（b）中直线的微球厚度分布截线图图3标准微球实验结果Fig.3Experimentalresultsforstandardmicro-beads时空噪声是任何测量系统的一个重要参数，直接影响系统的测量敏感度，即决定系统能测量的最小光程变化。接着测量了该系统的时空噪声［13，14］。选用40×/0.65的显微物镜，在移除任何样品的情况下，记录257张数字全息图，像素数为512×512，记录帧率20frame/s。将第一帧全息图作为参考全息图，对所有的全息图作数据处理，得到256个相位图。利用相位和光程的关系，继而得到256张光程分布图。对任一张光程分布图求均方差，得到空间噪声均低于2nm。对所有256张光程分布图作时间堆积，然后做空间均方差，得到时间噪声，时间噪声小于0.8nm。因此，该系统具有很高的时空敏感性。3.3单模光纤定量相位成像实验采用的单模光纤型号是SMF-28，包层直径125μm，纤芯直径8.2μm，包层折射率为n1=1.461，纤芯折射率为n2=1.467。制备样品的过程中首先用剥线钳剥去光纤的涂覆层，再将光纤放置于折射率匹配溶液中（折射率：n0=
【参考文献】：
硕士论文
[1]离轴数字全息气溶胶粒子的检测[D]. 张晓雪.合肥工业大学 2021
本文编号：3605500
【文章来源】：光学与光电技术. 2020,18(01)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
光纤照明数字全息显微镜系统原理图
?y)]Re[U(x?y)]（3）其中，Re是取实部，Im是取虚部。由（3）式解出的相位值分布在(-π?π]区间。为获取样品真实的相位分布，还需要解包裹操作。本文采用可靠度导向的快速相位解包裹算法［11］。从图1中可看出，照明光波经过透射样品之后的光学元件会有附加相位因子的影响，从而由式（3）得到的相位分布并不是真实的样品相位分布。需要消除系统中附加相位因子的影响。本文采用减去参考平面相位的方法消除附加相位影响［12］。3实验及结果分析3.1系统实物图与结构参数组建的实验系统如图2所示。图2光纤照明数字全息显微镜Fig.2Digitalholographicmicroscopewithopticalfiberillumination照明光源是波长为532nm的光纤耦合输出激光器。显微物镜是普通商用显微物镜，将不同参数的显微物镜置于物镜转盘，通过转动物镜转盘，可根据需要选择不同参数的显微物镜，实现多分辨率显微成像。记录相机CCD的像元间距是3.45μm×3.45μm，像素数是2048×2248，可根据需要选择部分像素。同时，我们开发了系统软件，该软件系统具有完整的记录和数据处理功能，可以对样品进行实时观测。3.2系统成像准确度和时空敏感性首先测试系统成像的准确性。我们分别对不同分辨率的显微系统做了测试。这里以40×/0.65的显微物镜系统为例。选用标准聚苯乙烯微球作为被测样品，微球直径为2±5%μm，折射率为1.59。取少量微球散落于盖波片，等蒸发完水分后，为了确保拍摄得到的干涉条纹不会因相位差太大而断裂，需滴入折射率匹配溶液，这里我们使用奥林巴斯物镜浸油（折射率为1.518）浸没微球。将做好的样品水平置于载物台上，选用卜晓博等：光纤照明数字全息显微镜实验研究69
学与光电技术第18卷光40×/0.65的显微物镜，进行调焦使CCD上清晰地接收到微球的像。采集到的数字全息图如图3（a）所示。通过数值处理得到微球相位像如图3（b）。光经过微球的几何高度h(x?y)和测量得到的相位分布φ(x?y)之间的关系为：h(x?y)=λφ(x?y)2π(n-n0）。已知微球折射率、浸没介质折射率、记录波长，可由测量得到的相位分布φ(x?y)，计算得到微球的厚度分布为2.08μm与标准值相符。图3（c）是沿图3（b）中所画过微球中心直线的微球厚度分布截线图，证实了组建的数字全息显微镜具有准确的定量相位成像性能。（a）像面全息图（b）再现相位像（c）沿着图（b）中直线的微球厚度分布截线图图3标准微球实验结果Fig.3Experimentalresultsforstandardmicro-beads时空噪声是任何测量系统的一个重要参数，直接影响系统的测量敏感度，即决定系统能测量的最小光程变化。接着测量了该系统的时空噪声［13，14］。选用40×/0.65的显微物镜，在移除任何样品的情况下，记录257张数字全息图，像素数为512×512，记录帧率20frame/s。将第一帧全息图作为参考全息图，对所有的全息图作数据处理，得到256个相位图。利用相位和光程的关系，继而得到256张光程分布图。对任一张光程分布图求均方差，得到空间噪声均低于2nm。对所有256张光程分布图作时间堆积，然后做空间均方差，得到时间噪声，时间噪声小于0.8nm。因此，该系统具有很高的时空敏感性。3.3单模光纤定量相位成像实验采用的单模光纤型号是SMF-28，包层直径125μm，纤芯直径8.2μm，包层折射率为n1=1.461，纤芯折射率为n2=1.467。制备样品的过程中首先用剥线钳剥去光纤的涂覆层，再将光纤放置于折射率匹配溶液中（折射率：n0=
【参考文献】：
硕士论文
[1]离轴数字全息气溶胶粒子的检测[D]. 张晓雪.合肥工业大学 2021
本文编号：3605500
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3605500.html
