定量研究阶段由双波长数字全息显微成像

文摘

提出了一种双波长数字全息显微镜与premagnification获得物体表面的测量在大梯度。定量阶段标本捕获的图像的高精度过滤和相位补偿的处理。没有获得相位图像相位,这是必要的在传统的数字全息显微术;从而提出了系统可以极大地提高重建的速度。数值模拟和光学实验的结果表明,重建的速度增长了37.9倍,测量的相对误差是4%,传统的全息显微镜系统。这意味着该系统可以直接获得更高质量的量化阶段分布标本。

1。介绍

数字全息显微术(DHM)是一个强大的技术微观样本的测量记录和重建波的振幅和相位。双波长数字全息显微镜使用两个不同波长激光同时记录全息图和数值重构相位信息根据相位分布在两个波长。早在1998年,一种新的提取方法量化相位成像利用部分相干照明和一个普通的透射显微镜提出了a巴蒂et al .,甚至可以恢复阶段的振幅调制(1]。绝对相位测量提出了解决方案,Cuche艾蒂安et al。2]。他们引入了数字参考波相位掩模,在相衬成像和光学应用气象学。这个属性的全息图提供了相衬显微镜的技术,可用于定量3 d成像。固有的波前曲率补偿的减去参考全息图DHM介绍了定量相衬成像费拉罗,皮特,et al。3]。这个简单的方法可以有效地实现在理想的实验条件。的双波长移相波长数字全息术,选择性地提取信息从五个wavelength-multiplexed全息图提出了Tahara, Tatsuki et al。4]。颜色超混沌图像加密方法的DHM由四川大学和CA编码算法,具有伟大的安全性和鲁棒性5,6]。它是一个重要的应用程序对数字全息术。增强的定量JaeYong李三维测量系统。它可以简化配置由双峰量子点波长转换器和一个蓝色LED (7]。有伟大的研究减少散斑噪声和提高重建的速度(8- - - - - -10]。我们已经成功地达到了接近实时的三维表面测量的数字全息术(11,12]。

如果光程差小于等效波长,真正的相位分布的对象可以直接获得没有相位的双波长数字全息干涉法。如果光程差大于等效波长,相位展开过程将被简化的双波长数字全息干涉法。噪声免疫力和相位展开算法的范围将会改善和扩展,分别为(13- - - - - -15]。c·j·曼获得表面高度的测量结果在几个微米范围的three-wavelength数字全息术(16]。的光学路径长度可以转化成物理厚度,并将提供样品的高度信息。的双波长DHM成像实验的相位板,烟雾粒子进行了p .歌曲等。17]。抗议;金等人成功地实现了三维成像的分辨率板和癌症细胞使用双波长DHM [18]。phase-imaging技术定量研究细胞的三维结构,同时给出了反射双波长数字全息术,A Khmaladze et al。19]。它证明了双波长DHM允许更快的成像,不依赖周围的像素来正确的相位不连续,只是比较两个单波长阶段。双波长DHM已广泛应用在表面形貌测量领域(20.- - - - - -22),细胞成像(23,24),3 d粒子成像(25,26)、透明介质物理量测量(27- - - - - -29日),等等。由于双波长的限制DHM技术,将引入更多的噪音与合成波长的增加和扩大样本范围。测量的准确性随着噪声的增加而减少。的设置双波长DHM包含两个激光机器,这使得它很难确保集中性的两束激光光学装配。上述所有的负面影响得到高精度的相位信息。

系统的双波长DHM premagnification,可直接、准确地获取图像定量阶段,。表面形貌测量的原理和相位展开方法介绍了基于双波长数字全息术。通过计算机模拟实验验证了系统的有效性和光学实验使用1951美国空军的目标和标准槽对象。与传统的单波长DHM相比,该系统不仅可以获取相位信息没有相位,还获得低噪声和图像高精度定量阶段。

2。实验原理

2.1。原则

在双波长数字全息显微术,两束激光在不同波长激光源分离耦合成一个梁,和光学组件图所示1。这两个激光是相干光源。两束平行空间滤波器。梁的配电箱(BS1)把光束分成引用和对象。物体光束穿过样品,显微镜物镜。有不同的倾斜在正交方向供参考的两个激光器,它允许我们同时捕获两个波长。然后参考波和对象之间的干涉图样波由CCD相机记录。

双波长组合在CCD数字全息图将被收购,和干扰模式可以表示为

在哪里复合材料的强度数字全息图, , 全息平面上的坐标,复共轭, 对象梁, 参考光束。

可以提取干涉相位空间滤波法和转移到中心位置进行傅里叶变换。的复振幅分布再现光场可以获得如下:

光场的强度和波前相位分布可以根据以下计算表达式:

为了克服单一波长产生的相位模糊问题的方法,使用合成beat-wave-length并表示如下:

在哪里是高度分布的样本,这意味着两倍的光程差反映地形的计划。是均匀的光程差样本在空中。相当于波长定义如下:

如果光程差小于等效波长,标本可以直接获得真正的阶段而展开。否则,包装之间的相位分布和 。在这种情况下,包裹相位差补偿获得其等价的阶段。

总之,双波长数字全息显微镜测量大梯度的标本可以解决相位展开问题的单波长数字全息显微术。随着测量范围的增加,噪声相位分布的单波长数字全息显微镜也增加。因此,合理选择波长和降噪的方法要点在双波长全息显微镜。

3所示。实验结果

3.1。实验装置

实验在DHM由我们的团队开发的。原理图和安装图所示2,在那里 和 ,等效波长, 。两激光器发出的光束通过光束扩展器和准直系统(SF)、镜子和多维数据集分束棱镜(BS)。然后光束分为两个光束分束器;一个是对象波,另一个是参考波。波premagnification光学路径的对象,由镜子反射,经过显微镜物镜(密苏里州, ,NA= 0.25)和样例。另一方面,参考波穿过梁障碍和中性密度。应该注意的是,梁障碍是打开的光路是离轴数字全息术(在这个实验中,梁的障碍是打开);否则,它将成为在线数字全息术。两束光相结合的多维数据集分割棱镜。最后,CCD记录全息图的干涉(SENTECH STC-SBS241POE;像素面积 )。值得注意的是,双波长的前置放大数字全息显微镜系统与大数值孔径显微镜目标可以获得更多的样本信息,可以压缩放大CCD采样频率可接受(30.]。

3.2。数值模拟

为了说明相位图像样本的光程差小于等效波长可以直接获得,并迅速通过双波长DHM;数值模拟实验。电脑锥是一个阶段对象最高阶段的高度 。锥的仿真参数如下: , ,每一个单一的波长小于光程差。根据(6),等效波长 ,这意味着双波长相位将获得连续相分布。基于设计高度,单波长的包装阶段分布和相位分布的等效波长图所示3,分别。

演示和比较优势的打开速度双波长DHM和传统单波长DHM, a包裹相位图像选择获得最终的高度分布的展开过程,这叫quality-guided相位展开算法。和结果通过quality-guided相位展开算法(31日,32)如图4。

锥高度分布的双波长DHM quality-guided相位展开方法进行了比较。结果如表所示1。结果表明,他们能够准确地获取的高度分布锥,但在时间方面,双波长全息显微镜系统中更快。提出了系统重建的速度是37.9倍的价值quality-guided相位展开方法。

3.3。光学实验

3.3.1。定量阶段美国空军1951年目标的成像

基于双波长相位成像系统,美国空军1951目标测量的表面。同时,目标也是衡量扫描三维分析器(NanoMap 500 ls, AEP技术有限公司、美国),结果表明,高度 。自从样本高度远小于单波长,相位分布的样本可以直接获得。数据5和6现在使用传统的单波长和双波长测量结果,分别。

在重建过程中,过滤和二次相位失真补偿处理执行(33- - - - - -35]。傅里叶变换全息图是可怕地隔开。显微镜物镜将介绍系统中二次相位失真系数。为了获得真正的阶段,两种记录全息图,全息图的引用的背景全息图的全息图测量样本。真正的阶段可以被减去两个重建阶段的全息图。

高度分布曲线的比较以及对称线的中间阶段具有不同波长(数据5(一个),5 (b),6(一))如图7。沿着中间对称线高度分布的样本扫描NanoMap 500 ls,绝对高度测量54纳米。平均绝对高度和测量结果之间的相对误差和扫描结果使用三种测量方法如表所示2。

表2表明,等效波长的结果更接近于扫描值。从实验结果可以看出,传统DHM和双波长DHM可以获得物体表面的相位分布。不难看出系统的双波长DHM能够准确地获取物体表面的三维形态分布。结果证明,该系统的测量精度和稳定性都比传统的单一波长。

3.3.2。定量阶段成像的槽

透明槽标准板,这是人为设计的,被用来作为一个实验样本来衡量它的三维外观。槽的宽度深度是 。图8(一个)显示了相位分布以波长来衡量, 。图8 (b)显示了相位分布以波长来衡量, 。很明显看到有阶段的折叠阶段分布在每个单一的波长。相位分布的双波长干涉图所示9。

中间的高度分布的对称线槽(图9(一个))通过中值滤波,如图所示10。根据表面轮廓分布和相位分布的公式((5)),基础之间的高度差和槽的底部 。之间的相对误差实际槽高度和实验结果 ,这是在良好的协议与理论价值。

4所示。结论

为了解决传统的量化相位成像问题数字全息显微镜系统的大梯度物体表面,一个双波长数字全息显微镜光学系统前置放大。数值模拟和实验,验证了系统的有效性。样品的实验结果的成像阶段传统DHM和双波长前置放大DHM系统进行了比较。结果表明,该实验系统可以有效克服的局限性单波长法在复杂表面的成像对象,提高观测速度,简化重建过程,进一步验证的有效性为量化相位成像实验系统。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作一直支持中国的国家自然科学基金(11272368和11272368号),特殊项目的国际合作在中国科学技术(2015号dfr70480),重庆市教委科学技术研究项目(KJ1600929)和重庆理工大学的研究生创新基金会(没有。ycx2018216)。

引用

1. a .施k·a·纽金特,d . Paganin和a·罗伯茨,“定量光学相位显微镜,”光学表达,23卷,不。11日,第819 - 817页,1998年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. e . Cuche f . Bevilacqua, c . Depeursinge“数字全息术定量相衬成像,”光学表达,24卷,不。5,291 - 293年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. a . Finizio c . Magro g . Pierattini et al .,“补偿的固有波前曲率在数字全息相干显微定量相衬成像,”应用光学,42卷,不。11,1938年,页2003。视图:谷歌学术搜索
4. t . Tahara r . Mori s Kikunaga Arai y, y高木,“双波长移相数字全息术从wavelength-multiplexed全息图波长选择性地提取信息,“光学表达,40卷,不。12日,第2813 - 2810页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 王x, y,问:h . Wang”修改积分成像重建使用一种改进的SR重建算法和加密,“在工程光学和激光,第162 - 112页,2019年。视图:谷歌学术搜索
6. 李x·d·肖,Q.-H。王”,无错的全息与CA pixel-permutation编码帧加密算法,”光学和激光工程卷,100年,第207 - 200页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 全,j·李,j .赵张成泽,y . Kim和n公园,“Wavelength-multiplexed定量阶段数字全息术测量使用量子点电影,”光学表达,26卷,不。21日,第27305页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. w·h·曹,d . Kim y Yu荣格,申美国,“双波长数字全息显微镜BGA测量使用部分相干源,”韩国光学学会杂志》上,15卷,不。4、352 - 356年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j .赵j . Lim美国全et al .,“双波长离轴数字全息术使用单个发光二极管,”光学表达,26卷,不。2、2123 - 2131年,2018页。视图:谷歌学术搜索
10. 诉比安科、p . Memmolo和m . Leo”策略减少散斑噪声在数字全息术。”光科学与应用2018年,p . 7日。视图:谷歌学术搜索
11. z, z Zhixiong, w .华瑞,y,“接近实时的数字全息显微镜基于GPU的并行计算,”学报学报- 2017光学仪器和技术国际会议:光学系统和现代光电仪器,10616年,页2018。视图:谷歌学术搜索
12. z赵”,全息显示方法梳理振幅全息图的实际情况和阶段,“箴。学报卷,10255篇文章ID 1025503, 2017。视图:谷歌学术搜索
13. j·库恩,j . Conchello c . j . Cogswell et al .,“实时双波长数字全息显微术与增强的轴向分辨率,扩展测量范围”生物医学光学光学和光子学的国际社会,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 江z高,z, y王et al .,“相位成像光折变全息光栅的双波长数字全息术”亚洲光学学报》上,p . 85561 g,北京,中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h . y曾庆红,f . Wang, x, x和,“表面轮廓测量微观结构基于双波长数字显微像平面全息术,”Guangxue学报/视学报,33卷,不。10日,2013年。视图:谷歌学术搜索
16. c·j·曼·r·宾厄姆v c . Paquit和k·w·托宾,”量化相位成像通过three-wavelength数字全息术,”光学表达,16卷,不。13日,9753 - 9764年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. s . Peiyong3 d地形恢复对象的基于数字全息技术,南京师范大学,2011。
18. d . Parshall和m·k·金”与双波长相位数字全息显微术”,应用光学,45卷,不。3、451 - 459年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. a . Khmaladze m . Kim和C.-M。看哪,”阶段的细胞成像同时反射双波长数字全息术,”光学表达,16卷,不。15日,第10911 - 10900页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. j . y口,e . Li Di, y, m·李和j .赵”表面形态测量微小对象的基于双波长数字全息术,”中国的客人第41卷。。2、2014。视图:谷歌学术搜索
21. d . g . Abdelsalam和d . Kim Two-wavelength直列式移相干涉测量基于偏振分离为精确的表面分析,“应用光学,50卷,不。33岁,6153 - 6161年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. w·Yunxin w . Dayong y为et al .,“应用程序和分析使用数字全息技术在生物医学领域,“中国日报的激光第41卷。。2、文章ID 002, 2014。视图:谷歌学术搜索
23. a . Khmaladze e·斯利j . Jasensky et al .,“双波长数字全息成像的细胞与背景相减法”2012。视图:谷歌学术搜索
24. d . g . Abdelsalam r . Magnusson, d .金正日“基于偏振分离、单发、双波长数字全息术”应用光学,50卷,不。19日,3360 - 3368年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. s Grare s Coetmellec d .首席g . Grehan m·布鲁内尔和d . Lebrun“双波长数字全息三维粒子图像测速技术显现的,”欧洲光学学会杂志》:快速的出版物,10卷,不。3,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. z延安,l . Junshen l .元et al。”三维位移跟踪粒子基于数字全息显微技术,”中国日报的激光,44-12,2017页。视图:谷歌学术搜索
27. b . Rappaz p . Marquet e . Cuche y金刚砂,c . Depeursinge和p . j . Magistretti”积分测量折射率和动态细胞活细胞的形态测量学与数字全息显微术,”光学表达,13卷,不。23日,第9373 - 9361页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. d .老板,p . t .所以,大肠Beaurepaire et al .,“双波长数字全息术量化细胞体积和积分的折射率(RI)”欧洲会议生物医学光学学报》上p。808608年,德国慕尼黑。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. m . Frometa g·莫雷诺,j·里卡多et al .,“优化设置积分折射率直接测定应用数字全息显微镜通过反射和传输,”光学通信卷,387年,第256 - 252页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. z延安,l .海l .元et al .,“补偿阶段Aberrationsin数字全息显微镜透镜的方法,基于参考”Photonica学报卷,47号1,第222 - 216页,2018。视图:谷歌学术搜索
31. x y Lu Wang和x张,“基于导数方差的加权最小二乘相位展开算法相关地图,”Optik——国际期刊光和电子光学,卷118,不。2、62 - 66年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. s . Li w·陈,苏x”Reliability-guided相位小波变换轮廓术”,应用光学卷,47号18日,第3377 - 3369页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. z文静、x强生和y英杰,“二次相位畸变补偿Off2axis数字Micro2holography”Photonica学报,38卷,不。8,1972 - 1976年,2009页。视图:谷歌学术搜索
34. y z . Wang Chen和江z,“双波长数字全息相位重建基于polarizationmultiplexing配置”中国光学信,14卷,不。1,31-35,2016页。视图:谷歌学术搜索
35. 刘,“动态相差显微镜检查活细胞的数字全息术,”《北京航空航天大学,38卷,不。9日,第1188 - 1186页,2012年。视图:谷歌学术搜索

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