CN106164784A - 数字全息设备 - Google Patents

Abstract

描述了用于便携式摄像机设备的技术、装置、材料和***，所述便携式摄像机设备能够附接到常规透射或反射式显微镜的摄像机端口以进行复杂波前分析。至少一个全息元件(BS，光栅)将包含样品信息的光束分离成两个光束(r，o)并且对其滤波(r’，o’)。提出的发明具有对于来自显微镜的光束的位移的不严格的对准敏感度。此外，由于其补偿参考和物体臂之间的相干平面倾斜角，所以其允许在整个视场上创建高可见度的干涉。全场离轴全息图提供完整的样品信息。

Description

数字全息设备

相关申请的交叉引用

本申请主张2014年2月6日提交的美国临时申请No.61/936,380的权益，将该美国临时申请的整体内容通过引用并入于此。

技术领域

本发明涉及数字全息设备并且更具体地涉及便携式数字全息设备。本发明涉及数字全息显微成像领域，并且更具体地，本发明涉及用于获得数字全息图的设备或***。具体地，本发明涉及用于在短相干照明下并且在单拍(single shot)中、在自参考配置中获得数字全息图的装置或***。所述***或设备可连接到任意标准的透射或反射显微镜的摄像机端口并且获得提供相位和振幅信息的样品的离轴全息图。

背景技术

由数字全息显微术(DHM)获取的光信息包括由样品反射或投射的波前的相位和振幅的定量值。相位改变可具体地被解译为3D形貌测量。另外，在细胞成像中，已证实定量相位测量(QPM)使得能够监测形态学的、细胞内浓度的改变、通道活性以及许多其他潜在的细胞过程。其是正在发展的领域。

DHM是抓取呈唯一全息图形式的、由样品反射或投射的光信息的技术。为了产生全息图，必须要组合两个光束。

一般地，这两个光束为(1)包含样品信息的物体光束，和(2)参考光束，该参考光束应当尽可能接近完美的均匀光束(平面波或高斯光束)。参考光束还需要在空间上和时间上与物体光束相干。否则，它们将不会干涉并且不会构建全息图。一般利用相干单色源例如激光并且将相干单色源分成物体光束和参考光束，其中物体光束穿过样品并且与参考光束组合以产生被记录的全息图。

然而，现有的数字全息显微镜是繁琐且庞大的。这样的设备难以在实验室之间移位并且以不合适用于现场工作。缺乏便携性也是的这样的设备不适合用于教育目的。

本发明提供对上述问题的解决方案。

因此，本发明的目的是提供一种便携式全息设备或***，其可以安装在任何标准的显微镜上并且能够生成与DHM相同的定量相位信息，相比于已知全息设备具有减少的假象。

发明内容

本发明涉及根据权利要求1的全息图生成设备以及根据权利要求23的用于生成全息图的方法。可以在从属权利要求中找到其他有利特征。

根据本发明的设备能够被附接到常规反射或投射式显微镜的摄像机端口进行复杂的波前分析。光学元件将含有样品信息的光束分成两个光束并且全息元件对它们进行滤波。本发明有利地具有对例如来自显微镜的光束的位移的不严格的对准敏感度。其匹配参考和物体臂之间的相干平面倾斜角以产生在整个视场上的高可见度干涉。有利地产生的全场离轴全息图提供整个样品的信息。

本发明提供一种便携式设备或***，其可以被改造到标准显微镜的现有端口中，从任意反射或透射式显微镜的视频输出产生振幅和定量相位图像，图像的分辨率等级可以比得上当前的数字全息显微镜的分辨率等级并且不需要对显微镜硬件的用户干预。

在根据本发明的全息图生成设备中，不具有分开的参考和物体光束(通过在样品之前使光束分光)，通过对样品光束频率谱执行低通滤波来仅利用样品光束来生成参考光束。这种配置的主要优点是其可以放置在常规显微镜的图像平面之后并且提取样品的相位和振幅信息。

另外，根据本发明的全息图生成设备优选配置在离轴配置中并且为单拍技术(单次摄像机采集拍摄获得或捕获全息图)：没有必要进行垂直或横向扫描。本发明的设备开辟了对任何动态过程的调查。

为了利用离轴几何结构中摄像机的全视场，光束的相干平面应当是平行的。在根据本发明的全息图生成设备中，对参考光束执行相干平面操控以允许在离轴几何结构中的全场成像。

更改参考光束的相干平面以使得即使利用低相干源也能够形成离轴数字全息图。

根据本发明的全息图生成设备有利地利用直接应用在傅里叶域内的滤波方法(即，光束传播角上)。本发明提供了从对正在调查的样品或样品架不敏感的样品光束产生参考光束的设备和方法。

本发明提供了一种用于从发射自图像形成设备的样品光束生成全息图的装置或设备。所述装置包括：布置成将样品光束分成物体光束和参考光束的光束生成单元，物体光束是样品光束的不滤波或部分滤波的第一部分而参考光束是样品光束的部分滤波或完全滤波的第二部分，布置成使物体光束和参考光束中的至少一个的相干平面倾斜的相干管理单元，将物体光束和参考光束组合以通过参考光束和物体光束之间的干涉来创建全息图的全息图创建单元，以及布置成捕获全息图并处理全息图以提取强度图像和/或相位图像的采集和处理单元。

优选地，所述全息图是离轴全息图。

有利地，所述光束生成单元包括至少一个厚全息光栅，用于滤波样品光束中的高空间频率以便生成参考光束。

有利地，所述厚全息光栅布置成使得在获得参考光束之前其被样品光束连续地渡过两次，借此所述两次渡过中的第二次是在样品光束的光束旋转或样品光束的反射之后，以便实现对样品光束中的空间频率的二维(2D)滤波，以生成参考光束。

有利地，所述光束生成单元包括具有正交光栅向量的至少两个厚全息光栅，以通过样品光束的衍射来实现空间频率的二维(2D)滤波，用于生成参考光束的目的。

有利地，所述光束生成单元包括至少一个厚全息光栅以及两个薄全息光栅，所述薄光栅管理角色散，而具有与所述薄光栅相同的色散的所述厚光栅滤波样品光束中的空间频率，以便在多色光下生成参考光束。

有利地，所述光束生成单元进一步包括至少一个复用(厚和/或薄)全息光栅，以同时地滤波样品光束的不同分量(例如通过波长进行区分)或将光束分成几个子光束。

有利地，所述装置进一步包括分光器，该分光器布置成在通过使用至少一个厚光栅对样品光束滤波以生成参考光束之前将入射在该分光器上的样品光束分离成两个部分。

有利地，所述相干管理单元包括至少一个薄全息光栅，该至少一个薄全息光栅布置成使物体光束或参考光束中的至少一个的相干平面倾斜。

有利地，所述相干管理单元进一步包括配置成修改物体光束和参考光束中的至少一个的光路长度的至少一个器件，以便为产生全息图的干涉确保时间相干的适当条件。

有利地，所述光路长度通过对下列中的至少一个的平移来修改：镜子、多个镜子、直角棱镜、几个直角棱镜。

有利地，所述相干管理单元进一步包括配置成旋转或反射物体光束或参考光束中的至少一个的至少一个器件，以便为产生全息图的干涉确保空间相干的适当条件。

有利地，所述光束生成单元和相干管理单元共享共同的至少一个薄光栅，所述薄光栅布置成具有对厚光栅的色散补偿功能并且还具有使参考光束相干平面倾斜的功能。

有利地，所述全息图创建单元通过使用薄光栅来组合物体光束和参考光束。

有利地，所述全息图创建单元通过使用分光器来组合物体光束和参考光束。

有利地，所述相干管理单元和全息图生成单元共享共同的至少一个薄光栅，所述薄光栅布置成具有组合物体光束和参考光束的功能并且进一步具有使参考光束和/或物体光束的相干平面倾斜的功能。

根据本发明的另一方面，所述图像形成设备被包括在所述装置中并且所述图像形成设备是光学显微镜。

有利地，所述设备中包括放大、缩小或传递(relay)由成像***提供的样品的图像的透镜。

所述光学显微镜包括作为光源的发光二极管(LED)，所述发光二极管具有可能经滤波的发射谱，以便管理时间相干。

有利地，所述采集和处理单元包括配置成捕获全息图的视频摄像机以及配置为数值地重建全息图用以根据数字全息术的方法提取强度和相位图像。

附图说明

根据结合附图的下面的具体实施方式，将能最佳地理解本发明的上述目的、特征和其他优点，其中：

图1描述并示出本发明的全息设备或***的原理概要。

图2示出用于执行全息空间滤波的厚全息光栅，其直接地对光束传播角执行全息空间滤波，允许对准敏感度不严格。

图3示出了多色1D滤波的原理。

图4示出了具有时间相干啁啾校正(chirp correction)的多色1D滤波的紧凑版本(具有色散补偿的紧凑多色1D滤波元件)。

图5示出利用复用厚全息光栅的复用全息滤波的原理。

图6示意了用于在两个步骤中形成参考光束的优选实施方式。

图7示出了利用单个厚全息光栅在单个步骤中形成参考光束的原理。

图8示出了利用厚体积全息光栅的1维滤波的结果。

图9示意了根据本发明的相干管理原理。

图10描绘了与窄带宽设置相关的根据本发明的第一示例性全息***。图11描绘了与例如宽带宽设置相关的根据本发明的第二示例性全息***，所述宽带宽设置具有包括在分离光束分光器周围的缩小透镜。

图12示出了对于RGB光的复用多色1D滤波的示例。

图13示意了配置成在摄像机的记录平面附近或记录平面之内组合物体光束和参考光束的薄全息光栅。

图14示意了利用具有正交地布置的光栅向量的两个厚光栅对于单色光束的2D滤波原理。

图15示意了利用两个正交地布置的滤波元件(在图4中示出)对于多色光束的2D滤波原理。

具体实施方式

本发明提供一种便携式设备或***，其可以被改造到标准显微镜的现有端口上，从任意反射或透射式显微镜的视频输出产生振幅和定量相位图像，图像的分辨率等级可以比得上当前的数字全息显微镜的分辨率等级并且不需要对显微镜硬件的用户干预。

照明样品(物体)以生成包含样品信息的光束。然后例如由显微镜物镜收集样品光束。例如分束器将样品光束分成到两个臂中。通过利用厚全息滤波器完全或部分地低通滤波样品光束频谱来在一个臂中生成参考光束。可以执行一维或二维滤波。

然后通过光学组件来更改参考光束的相干平面以匹配另一臂的物体光束的相干平面，所述另一臂的物体光束是未滤波的或者也已经以与参考臂滤波的相同方式被部分滤波。作用在相干平面上的这样的组件可以但不限于是全息光栅。参考和物体光束然后重组以在最后在数字摄像机上干涉。

二维滤波利用至少一个厚全息元件来实现。该全息元件可以在两个方向上将大的相干平面倾斜引入到参考光束中(衍射角可为几十度)。这意味着参考光束的相干平面与物体光束的相干平面形成不便利的角度并且需要物体光束的离面传播以在摄像机上取得光束的全场干涉。匹配光束的相干平面的光学组件(其可以为全息元件)被设计为对参考光束上该大的相干平面倾斜进行补偿并且在相干平面中引入受控的小倾斜，以使得物体和参考光束在离轴配置中的整个摄像机视场上干涉。

必须满足两个条件以利用短相干长度光源(例如，在标准显微镜中发现的那些光源)来进行干涉：(I)在干涉仪的两个臂中的等光路，(II)空间相干。

为了满足第一条件，引入了延迟，延迟的引入例如但不限于通过安装在线性平移载物台上的参考光束臂或物体光束臂中的棱镜或镜子。

为了满足第二条件，参考光束和物体光束的取向要相同，意味着参考和物体光束的对应区域彼此干涉以产生振幅和相位信息丰富的全息图。

因此，如果在参考臂的路径中引入了旋转***(例如，以执行2D滤波)，则必须在物体光束的路径中引入等效的光束旋转***。

图1概略地示意了本发明的便携式设备或***。本发明的便携式设备或***包括例如五个单元1、2、3、4、5，如图1所示。***的目的是为了捕获并且提供与样品(或物体)S有关的振幅和相位信息。

单元1将形成样品的图像。其输出是样品光束。单元2将创建部分或完全包含物体的复杂信息(振幅和相位)的物体光束以及已经部分或完全净化了包含在样品光束中的空间频率信息的参考光束。单元3管理参考光束和物体光束的相干平面以便具有共面的相干平面用于在全息图形成单元(单元4)中进行适当或优化的干涉。单元4记录传输到并且由处理单元(单元5)处理的全息图以提取关于样品的振幅和相位信息。

单元1：图像形成单元

图像形成单元能够从样品创建图像。即，来自物体或样品S的电磁辐射经收集以产生样品光束。单元1例如通过利用光学元件(比如透镜、镜子或棱镜)提供包含源自样品的复杂场(振幅和相位)的样品光束。

图像形成单元可包括用于照明样品的其自己的光源以便生成样品光束。该光源可为例如激光、LED或白光光源。样品光束也可以利用环境光或外部光或利用由样品自身发射的光来生成。

对样品照明以使得可通过单元1根据从物体或样品S发射的包含样品信息的光来生成样品光束。

单元1还可以为非光学成像***，例如x射线***，电子显微镜。

优选地，图像形成单元1是光学反射或投射式显微镜。单元1作为替代包括显微镜物镜MO和/或准直透镜L1(例如见图10)。可以使用额外的透镜来放大、缩小或传递通过图像形成单元生成的样品的图像进一步到设备中。这些透镜可以位于图像形成单元(单元1)和光束生成单元(单元2)之间，或者为了增加***的紧凑性，混合在不同的单元中(例如见图11中缩小光束的透镜L2-L4以及将图像传递到摄像机的透镜L5-L7)。

在图像形成单元是光学反射或投射式显微镜的情况下，根据本发明的设备或***可包括所述光学反射或投射式显微镜，或者作为替代可以不包括所述光学反射或投射式显微镜。

根据本发明的设备或***在包含样品信息的光束(优选地，经准直)被提供到光束生成单元2时发挥功能。

单元2：光束生成(或参考形成)单元

第二单元2从样品光束s创建参考光束r和物体光束o。

物体光束部分地或完全包含与样品有关的振幅和相位信息。

物体光束包含(部分地或完全地)在电磁辐射与样品S的相互作用之后通过样品S印记在电磁辐射上的振幅和相位信息。

参考光束可为部分或完全净化的光束。

优选地，物体光束包括与样品光束相同的空间谱，并且参考光束应当尽可能接近完美的均匀光束(平面波或高斯光束)。

由单元2生成参考和物体光束包含两个部分或者由两个部分构成，所述两个部分可以相继地(例如见图6)或同时地(例如见图7)完成。

第一部分是将样品光束分成两个光束。第二部分是净化包含在产生的光束中的期望信息，即，滤波光束的空间频率以创建参考和物体光束。作为替代，将样品光束分成两个光束作为第一步骤并且然后净化经过分离的光束中的一个或两个(一个或两个光束的空间频率被滤波)以创建参考光束和物体光束。可以利用从一个光束创建两个光束的任何元件(例如，分束器、衍射元件、光纤耦合器、隐失波耦合器等)来将样品光束分成两个光束。

可以通过在K(波矢量)-空间(埃瓦耳德球)中滤波来净化参考和物体光束(例如见示意厚全息光栅的原理的示例图2)，这相对于通过例如针孔空间滤波实现的傅里叶平面滤波具有保证x-y位置上的独立性和避免聚焦的必要性的优点。

图2示出了利用厚全息光栅(全息滤波元件)直接在样品光束的光束传播角上完成的根据本发明的全息空间滤波。有利地，这允许设备组件对于光束的位移的对准敏感度不严格。

可利用衍射元件(例如，衍射光栅)或厚全息光栅来执行K-空间滤波。术语“厚全息光栅”指厚体积的全息光栅或其中光栅存在于包含光栅的材料的整个体积(块体)的厚体积衍射光学元件(VDOE)。

厚全息光栅(或全息滤波元件)包括操作为滤波元件以滤波样品光束或样品光束的分离光束的一个或多个光栅。例如，光热折变(photo-thermo-refractive，PTR)玻璃用于在其中记录厚光栅。在玻璃材料中记录光栅通过在干涉图案下照明玻璃材料来执行。所述照明将根据干涉图案强度在材料中创建折射率调制。干涉图案利用每个都具有在记录材料上限定的入射角的两个干涉光束来创建。要被印记在玻璃中的图案根据耦合波理论(H.Kogelnik(1969)，“Coupled-wave theory for thick hologram gratings”，BellSystem Technical Journal 48:2909)来计算。针对一个波长来优化参数以最小化角选择性并最大化折射效率。为了简便性和对称设计，厚光栅被设计不带有倾斜角。所计算的元件的色散限定了用于其他波长的入射和出射角。经曝光的玻璃然后被热处理以稳定光栅。

在滤波元件包括两个附加的薄光栅的情况下(见图4)，归因于厚光栅不具有倾斜角的事实，薄光栅是相同的。具有垂直于光栅表面的入射角和由厚光栅给定的色散的约束确定薄光栅的光栅向量和倾斜角。

在复用光栅的情况下(例如图5和图12所示)，独立地执行计算并且顺序地对于每个光栅执行记录。必须执行照明时间的优化以便对于两个光栅具有相同地高效的衍射。

在复用滤波元件的情况下(如图12所示)，对于复用组件中的每一个独立地执行计算(每个薄/厚/薄光栅组件与其他光栅独立并且独立地被计算)。衍射角的取向可以为每个组件任意地选择。

厚全息光栅(或全息滤波元件)执行光束净化或滤波以去除或衰减存在于傅里叶变换频率谱中的较高强度空间频率(见图8(b))。存在于傅里叶变换频率谱中的较高强度空间频率归因于光束与样品的相互作用，归因于像差或光学***中的过量或随机空间变化。

厚全息光栅(或全息滤波元件)通过作用在光束传播角或更具体地说作用在构成光束的电磁辐射的传播角上来执行光束净化或滤波。

厚全息光栅(或全息滤波元件)包括记录的全息图或光栅，其选择性地衍射或偏转落入限定的频率或波长范围内的光束中的电磁辐射，并且其以预定的或特定的角度(或角范围)入射到光栅上。参考光束和/或物体光束(其随后在设备的摄像机处被干涉)由该选定(衍射)的部分构成。

落在限定的波长范围和角度外的入射样品光束的其余部分在没有被衍射或偏转的情况下被传输通过厚全息光栅(或全息滤波元件)并且因此被去除。

记录的光栅的这种角选择性去除了光束的具有过量或任意空间变化的部分。产生的参考光束和/或物体光束因此被净化了较高的空间频率(低频率和高频率)，如图8(d)所示意。

产生的经滤波或净化的光束由更均匀的空间分布组成。执行所述滤波以产生平滑的横向光束分布，其应当尽可能接近均匀光束(平面波或高斯光束)，类似于撞击样品的光束。由样品导致的所有信息被去除。

利用厚体积全息光栅的一维滤波的结果呈现在图8中。图8(a)是未滤波的强度图像并且图8(b)是图8(a)的图像的傅里叶变换，示出了其空间频率(频率谱示出图8(a)的图像中低频率到高频率信息的强度，其中图8(b)的中心包含低频率信息)。图8(c)是一维滤波的图像并且图8(d)是其空间频率。仅保留沿一个方向的空间频率。所有其他的空间频率都被过滤掉了。在直接的图像中，作为丢失的频率的结果，其导致在一个方向上不锐利的边缘。其他方向保持锐利。

图6示意了以两个步骤形成参考光束。对样品光束的分离和滤波是顺序地执行的。使用厚全息光栅和分束器立方体BS以两个步骤形成净化(滤波)的参考光束。分束器BS将样品光束分成两个光束。分离光束中的一个SB1保持未变(未滤波)并且为物体光束o。厚全息光栅对在一个方向(第一任意方向)上的另一分离光束SB2滤波。产生的光束然后被设置成45°角的棱镜反射镜反射，所述棱镜反射镜倒转分离光束SB2的x和y轴，以使得当其穿回通过相同的厚全息光栅时，第二方向(与所述第一方向正交，因为x和y轴已经被棱镜反射镜倒转)被相同的厚全息光栅滤波。输出光束在两个方向上被滤波(2D滤波)并且产生参考光束R(图6)。

图14示意了利用两个正交地布置的厚光栅的滤波。第一厚光栅滤波在第一光栅矢量的方向(设定在选择的任意方向)上的光束。衍射光束然后到达布置得使其光栅矢量正交于第一光栅矢量的第二厚光栅。光束再次衍射并且在第二方向上被滤波。由于在两个正交方向上被滤波，因此光束已经被2D滤波并且产生参考光束R。

从样品光束生成两个滤波的光束可以作为替代地由单元2利用如图5示意的厚复用全息光栅来执行。对样品光束的分离和滤波同时被执行。在这种情况下，两个光栅被记录在材料中(例如，在之前提及的玻璃材料中)并且每个光栅独立于其他光栅(图5)执行。两个或更多个复用光栅可以记录有它们的彼此平行、相互垂直或具有它们之间的任意角度的光栅矢量。

图5示出了利用复用厚全息光栅的复用全息滤波。入射的样品光束被分成三个光束。两个衍射光束中的每一个使得其衍射平面中的其空间频率被滤波掉。在示意的情形中，复用全息光栅是正交的。这意味着在一个衍射光束中保留的空间频率与在其他衍射光束中保留的空间频率正交。在图5中示意的第三传输光束不衍射。厚复用全息光栅同时地(i)分离样品光束和(ii)滤波。

如果利用例如一个(图7)或多个厚全息光栅直接从样品光束提取时，参考和物体光束也可以在单个步骤中被创建。图7示出了利用单个厚全息光栅在单个步骤中形成参考光束。样品光束S穿过生成两个光束的厚全息光栅(厚光栅)。笔直地穿过(到示意的反射镜M2上)的分离光束SB1具有未修改的空间频率并且为物体光束O。衍射光束在一个方向上被厚光栅滤波。其被以45°角设置的棱镜反射镜反射，该棱镜反射镜将光束的x和y轴倒转。当穿回到厚全息光栅时，其在第二方向上被滤波。产生的光束是净化的或经滤波的参考光束R。

在本发明的优选实施方式中(见设置图10)，利用分束器立方体(如同用于图6中的示例)将样品光束分成两个光束。一个光束成为物体光束O。利用在一个方向上对光束低通滤波的厚全息光栅对另一光束滤波。在第一次穿过厚全息光栅后，光束以适当的方式被反射以在返回时倒转x和y轴并且该光束在穿回过相同的厚全息光栅时在第二方向上被滤波。

图10描绘了根据本发明的全息设备或***并且涉及窄带宽设置。所述***包括单元1、2、3、4和5。

成像单元(单元1)包括显微镜物镜MO和准直透镜L1。该单元生成样品光束s。

光束生成单元(单元2)包括将样品光束分成两个光束的分束器立方体BS。一个光束是通过厚全息光栅(厚光栅)而衍射的分离光束SB1。这在一个方向上对光束滤波并且使相干平面倾斜等于衍射角的角度。该光束然后被以45°角倾斜的棱镜反射镜反射。该配置使光束的x和y方向倒转。当该光束穿回通过厚全息光栅时，其在第二方向上被滤波并且引入在第一方向的垂直方向上的另一相干平面倾斜。产生的光束是具有大的相干平面倾斜的净化的或经滤波的参考光束。

相干平面可以被定义为波前中具有相同相位的点的几何轨迹。在我们的设置中，如果相干平面还没有穿过光栅，则相干平面垂直于传播方向。

厚全息元件引入两个方向上的在参考光束中的大的相干平面倾斜。这意味着在完整的滤波***之后两个光束的相干平面在它们之间形成不便利的角度。由此必须由单元3来管理相干平面。

图9示意了根据本发明的相干管理原理。在参考臂R中，厚全息光栅(厚光栅)引入相干平面的大的倾斜。薄全息光栅(薄光栅)校正相干平面倾斜角以匹配物体光束(O)的相干平面。

如在图10中示意的，参考光束r产生的相干平面倾斜随后被薄全息光栅(薄光栅)调整以使得校正的参考光束r’与物体光束o’的相干平面倾斜共面。

从分束器立方体BS出来的第二光束是物体光束o(或分离光束SB2)。其被反射镜M1偏转到包括四个反射镜M2-M5的光路长度延迟***OPLDS中。所述延迟***通过平移(移位)反射镜M3和反射镜M4来将物体光束路径长度调整到参考光束的路径长度。

然后利用道威棱镜以与作用在参考光束r上的棱镜反射镜的方式等效的方式反射物体光束。产生的校正的物体光束o’确保两个校正的光束r’和o’的空间相干。

反射镜M6然后会将物体光束o’反射到全息图形成单元(单元4)中。两个(立方)透镜L2和L3在摄像机记录平面处或附近对校正的光束成像。两个校正的光束最后以离轴的配置在摄像机上干涉仪形成全息图h。

摄像机然后将获得的全息图h传输到包括计算机或处理器C及软件SW的处理单元(单元5)，该处理单元获取全息图h的振幅和相位信息。

单元2的厚干涉光栅可以由玻璃、聚合物和晶体材料制成，但是不限于此。作用在传输中的高的角度上的选择性布拉格效应有效地通过衍射对样品光束空间滤波。由于衍射波长与角度的相关性(参见Joseph Goodman“Introduction to Fourier Optics”,Mc GrawHill)，经空间滤波的光束具有被厚全息元件规定的谱带宽(一般低于一纳米)。可由于样品本身或样品托架(显微镜载玻片，但不限于此)而发生的多色样品光束的入射角的改变(其可以但不限于几十到几百纳米)生成具有光谱位移的光谱的经空间滤波的光束。不同于针孔滤波方法(在透镜的傅里叶平面处)，针孔滤波方法对于角偏移非常敏感，本发明的单元2的所描述的实施方式提供了在这样的情况下在空间上不变更的光束。

在单元2的另一实施方式中，如针对图3中的例子所示出的(图3示出了多色一维滤波)，借助两个薄光栅和一个厚光栅，利用薄和厚光栅的组合来执行空间频率滤波。薄光栅被用作色散和相干管理元件。

第一薄光栅对光束色散以匹配厚光栅需要的角色散从而在所有波长进行高效衍射。第二薄光栅补偿由厚光栅导致的角色散以便再次对齐所有的k-矢量。

适当的设计使得能够在一个方向上对多色光束低通滤波。其还允许进行滤波而不改变相干平面角也不改变角色散并且其最小化了由色散导致的时间相干啁啾。可以添加适当的元件(例如，玻璃窗)作为相干管理单元的一部分以通过补偿啁啾针对每个波长使干涉仪中两个臂中的光路长度相等。薄光栅以这样的方式设计——它们平行于厚光栅，允许它们层压在厚光栅表面上以形成块。

可以在所述块的一侧或两侧上添加色散补偿窗以构建紧凑的元件。它们的材料和厚度可为不同。图4示出了具有时间相干啁啾校正的多色1D滤波的紧凑版本(具有色散补偿的紧凑的多色1D滤波元件)。两个薄光栅层压在厚光栅的每一侧上。未必由相同玻璃和厚度制成的两个窗密封在所述块的每一侧上。

图15示意了利用图4的两个这样的滤波元件的2D滤波。所述两个两件布置成使得两个厚光栅的光栅矢量是正交的。该布置允许对多色光束2D滤波。在第一元件之后，光束在第一方向(任意设置的第一厚光栅矢量的方向)上被滤波。出来的光束方向与进入的光束方向相同。在第二光栅之后，光束在第二方向(第二厚光栅波矢量的方向，正交于第一厚光栅波矢量的方向设置)上被滤波。出来的光束是2D滤波的并且仍然具有与进入的方向相同的方向。由于所有元件可结合以形成块，所以该滤波组件非常紧凑。通过移位和/或组合以进一步使2D滤波组件紧凑，在设计中可以重新布置玻璃窗。

在本发明的另一实施方式中，(如示意复用滤波元件的图12示出的)，利用两薄和一厚的复用全息光栅，样品光束S被分成三个光束。光栅的复用使得能够扩展多色光束的带宽，就像在图4中示意的三个不同的滤波元件叠置一样。

图11描述了根据本发明的全息设备或***的另一实施方式，其涉及宽带宽设置。

原理与图10的设置相似，但是差别在于其可以利用宽带源来工作。

除了图10中示意的设置之外，在图11的实施方式中的样品光束首先利用透镜L2-L4被缩小。L2对缩小针对分离光束1(SB1)组合到L3和针对分离光束2(SB2)组合到L4的光束。透镜在分束器(BS)的每一部分上的位置等效于在分束器之前的两个独特透镜，但是允许更紧凑的***。

单元2包括示意在图4中并且是具有色散补偿的紧凑的多色1D滤波元件的滤波元件。该滤波元件包括第一薄全息光栅以对多色入射样品光束色散。具有与第一薄全息光栅大约相同色散的第二厚全息光栅平行于第一薄全息光栅放置(光栅表面平行，但光栅矢量未必平行)。在第一次穿过执行在第一方向上的滤波的厚全息光栅之后，近似或基本与第一薄光栅相同的第二薄光栅收集多色光束以生成(完美地)被准直的多色光束。该光束被以45°设置(但不以光束为中心)的棱镜反射镜反射，以在返回时倒转光束的x和y轴并使光束侧向移位，并且在穿回过相同的三重全息光栅(滤波元件)时在第二方向上被滤波。在双重穿过之后，参考光束r是多色的，其谱带宽由薄光栅的带宽确定(几十或几百纳米)。其相干平面保持与光束的传播方向垂直。由棱镜反射镜导致的侧向移位允许参考光束r穿出透镜L3和分束器(BS)外。

除了图10中示意的单色设置之外，图11的实施方式中的多色设置的参考光束还包括精确地匹配物体光束和参考光束之间的色散的色散补偿器。参考和物体路径之间的色散差源自于构成参考和物体的不同的光学元件。即便滤波元件的色散已经被玻璃窗补偿，但是由于光学元件(例如，参考臂中的棱镜反射镜和物体臂中的道威棱镜)的其他差异，色散差依然存在。

参考光束r然后穿过使光束偏离的薄光栅并使参考光束r的相干平面倾斜(或定向)以在摄像机上发生干涉时(基本)匹配物体光束的相干平面。

在本实施方式中，参考光束r’和物体光束o’的重组利用分束器BS来执行。

在本实施方式中，全息图形成单元(单元4)包括由透镜L5-L7组成的图像传递***。透镜L6和L7使样品的图像聚焦在摄像机的记录平面上或附近。透镜L5和L7使参考光束以与物体光束相同的方式定向用于最优的空间相干。

有利地，透镜L5-L7可被用作放大或缩小透镜***以使光束直径匹配摄像机的记录平面的大小。

图12描绘了根据本发明的作为替代的滤波元件。样品光束S穿过第一复用光栅。光栅中的每一个经计算以对以RGB(红、蓝、绿)波长中的一个为中心的多色带宽衍射。为了当前示意的简便，该三个光栅矢量被选择为是共面的。光栅矢量也可具有在其之间的任意角度。厚光栅由三个复用光栅组成，每个复用光栅被计算和定向成对由第一薄光栅衍射的三个光束中的一个衍射。最后的薄光栅也被复用并且定向成使得每个光栅收集回由厚光栅衍射的三个光束并且将它们组合到单个光束中。出来的光束因此有利地在三倍于非复用版本的带宽上被1D滤波。如果还复用管理相干倾斜的薄光栅，则该复用滤波元件可以***在任何多色设置中，如同例如图11中示出的一般。该后一个管理相干倾斜的薄光栅将随后被复用并且包括具有平行的光栅矢量以及与滤波元件的带宽匹配的带宽的三个光栅。

单元3：相干管理单元

第三单元将确保参考和物体光束干涉以保证全息图形成。必须要满足或部分满足两个条件来在短相干中在完整的视场上具有干涉：

1.对于每个波长，干涉仪的两个臂中的等光路长度，

2.空间相干。

为了满足第一条件，利用如例如在图10和图11中所示的延迟线OPLDS在物体臂(用物体光束遵循的路径来限定)和参考臂(用参考光束遵循的路径来限定)中引入延迟。延迟线可为使得物体或参考光束中的一个的路径长度增加或减少以匹配另一光束的路径长度的任意***。其可以利用在设置中移动部件、在设置中***/移除部件来实现。优选地，通过安装在线性平移载物台上的物体臂中的直角棱镜来调整路径长度。

如果色散元件(例如，图10中示意的单元2的厚全息光栅)位于物体臂或参考臂(用参考光束遵循的路径来限定)中的一个中，则其将导致针对每个波长的不同的光路延迟并且因此导致时间相干啁啾。延迟线将不校正该啁啾，因为其被设计为对于每个波长都具有恒定延迟。可以引入一些适当的色散元件(例如但不限于玻璃窗、光栅等)以补偿该啁啾(图4)。

为了满足第二条件(空间相干)，样品光束的对应区域必须叠置或重叠在相干平面中。取决于设置设计，可自然满足该条件。在本发明的实施方式中(图10和图11)，其中以适当的方式反射参考光束来倒转x和y轴，光束(参考或物体光束)中的一个必须使得其轴倒转。可以利用能够使得光束的x-y轴倒转的任何元件。这可以例如在物体光束上利用图10所述的道威棱镜来执行。在图11示意的***中，道威棱镜也执行这种功能。

空间相干还要求参考和物体光束的相干平面要共面。取决于设置设计，可自然满足该条件。利用衍射元件(例如全息光栅)来处理使未匹配的相干平面匹配以使得相干共面。

在本发明的优选实施方式中(图10)，利用离轴配置和厚全息光栅来滤波参考光束，不允许参考和物体平面匹配(将要共面)在摄像机的记录平面上。利用衍射元件来对此进行校正。在图10的优选实施方式的情况下，参考光束中的薄全息光栅被用于匹配参考和物体相干平面。在图11示意的设备的单元3中利用薄全息光栅来处理和定向参考光束的相干平面以产生基本与物体光束o’共面的校正的参考光束r’。

用于相干平面管理的薄光栅通过将光栅记录在塑料光聚合物中来制造。所述记录通过利用具有已限定入射角的两个干涉光束照射材料并且记录干涉来执行。利用与用于厚光栅的耦合波理论相同的理论，根据光束入射角、光束出射角和期望的相干平面倾斜旋转来计算确切的参数。使用白光来漂白曝光的元件以稳定光栅。

有利地，相干平面倾斜管理可以与滤波元件的光栅组合。例如，图15示出的第二滤波元件的第二薄光栅可以组合补偿厚光栅的色散的功能和使相干平面倾斜以在摄像机的记录平面上匹配参考和物体相干的功能。

在***在例如如图11所示的多色设置中的例如如图12所示的复用光栅的优选实施方式中，将参考光束的相干平面匹配到摄像机记录平面上的物体光束的相干平面的薄光栅也需要被复用以便将带宽匹配到滤波元件的带宽。在图12示意的示例中，滤波元件复用用于三个不同带宽的三个滤波元件，每一个都以RGB波长中的一个为中心。相干管理单元的薄膜需要工作在相同带宽下。其因此需要复用三个光栅，每个光栅独立地对于每个带宽进行计算。

单元4：全息图形成单元

第四单元4确保形成全息图并且其到处理单元(单元5)的传输。全息图由参考和物体光束之间的干涉产生。配置可为同轴或离轴的，在同轴配置中，当干涉时参考和物体光束是共线的，在离轴配置中，参考光束相比于物体光束倾斜。

在本发明的优选实施方式中(例如见图10和图11)，所述***和设置创建离轴全息图。光学设计确保在摄像机的记录平面中或附近形成样品的图像。利用数码摄像机执行记录。如图10示意的，干涉发生在校正的参考光束r’和校正的物体光束o’之间。将数值记录的图像传送或传达给处理单元(单元5)。作为替代，处理单元5可包括在摄像机中。

在图10中示意的实施方式中，作为单元3的一部分的薄全息光栅(除了定向参考光束的相干平面之外)被配置为使参考光束偏离以在摄像机的记录平面中或附近组合参考光束和物体光束。类似地，这样的薄全息光栅可以用于使物体光束偏离以组合物体光束和参考光束。

如图13所示意的，薄全息光栅可以被配置为在摄像机的记录平面中或附近组合物体光束和参考光束。图13描绘了利用光栅作为重组元件对参考光束r’和物体光束o’重组。参考光束在衍射条件下到达光栅并且朝摄像机衍射。物体光束o’在衍射条件下不到达光栅并且因此未被修改地穿过。

优选地，透镜L1和L2将光栅成像到摄像机上。这确保由光栅导致的角色散被完美地重组到摄像机上。

在图11示意的实施方式中，如上所提到的，利用分束器和透镜L5-L7来执行参考光束r’和物体光束o’的重组。

单元5：处理单元

处理单元包括计算机或处理器C以及操作处理器c的软件SW。处理单元从传输的全息图提取出源自样品的光学振幅和相位信息。单元5包括存储器或存储装置，以存储用于处理接收的数值地被记录的全息图的软件和算法以提取光学振幅和相位信息。

优选地，处理单元是具有专用软件的计算机或处理器。

振幅和相位的计算例如可如在参考文献4、5、6、7中描述般地执行或可以调适。

参考和物体光束的干涉创建由摄像机数字地记录的全息图。由光学***获得的处于调查下的物体(样品或样品区域)的图像不必聚焦在摄像机上，而是可以在前后几厘米。然后将图像传送到处理器或计算机。专用软件处理图像以获取振幅和相位中的复光学波前，如下所述。

全息图是由参考(R)和物体(O)光束二者的干涉产生的波前的记录的强度(I)。强度由以下四项构成：

I＝|O+R|²＝OO*+RR*+OR*+RO*

其中|.|表示绝对值并且^*表示复共轭。两个第一项是物体、各个参考光束的强度并且构成0级。两个最后项是干涉项(1和-1级)。

所述过程首先对全息图滤波以保留感兴趣的空间频率。这些是干涉项中的一个(优选是涉及物体光束的项，OR*)中的频率。这在通过对全息图的快速傅里叶变换(FFT)获得的空间频率域中执行。离轴几何结构暗示在该域中不同的干涉级(0、-1和1)的空间分离。通过应用掩膜而执行滤波。反FFT生成在摄像机的平面中OR*的复光学波前。

由于物体图像可能没有聚焦，所以过程的第二部分在于波前到聚焦的数值传输。这可以以菲尼尔近似来执行。

最后，通过计算绝对值和幅角来从传播的波前提取出振幅和相位测量。

本发明还涉及一种用于生成全息图的方法。通过收集来自物体S的电磁辐射来形成样品光束s。

利用全息滤波元件来执行样品光束的分离和对样品光束的空间滤波，以产生包括空间上滤波的分离样品光束的物体光束o和参考光束r。作为替换，样品光束被分成第一分离光束SB1和第二分离光束SB2，并且利用全息滤波元件来执行对第一或第二分离光束的空间滤波以产生包括未滤波的分离样品光束的样品光束o和包括经空间滤波的分离样品光束的参考光束r。

物体光束o和参考光束r中的至少一个的相干平面被定向或倾斜以使得物体光束o和参考光束r的相干平面基本平行。

组合物体光束和参考光束以通过参考光束和物体光束的干涉来创建全息图。

优选地，物体光束和参考光束被组合以创建离轴全息图并且单次摄像机采集拍摄获得或捕获全息图。

现在已经描述了本发明的优选实施方式，对本领域内技术人员来说显而易见的是，可以使用结合其构思的其他实施方式。本发明不应限制于公开的实施方式，而是仅由随附的权利要求的范围来限制本发明。

应当要注意，一个单元的一个部件或多个部件可以作为替代地包括在不同的单元中或者由多个单元(例如，两个单元)共享。

参考文献

1J.E.Ludman,J.R.Riccobono,N.O.Reinhard,I.V.Semenova,Y.L.Korzinin,S.M.Shahriar,“Holographic nonspatial filter”,SPIE,2532卷,1995

2B.Bhaduri,H.Pham,M.Mir,G.Popescu,“Diffraction phase microscopy withwhite light”,Opt.Lett.,37卷,No.6,1094-6,2012

3P.Girshovitz and N.T.Shaked,“Compact and portable low-coherenceinterferometer with off-axis geometry for quantitative phase microscopy andnanoscopy”,Opt.Exp.,21卷,No.16,5701-5714,2013.

4EP1119798:METHOD AND APPARATUS FOR SIMULTANEOUS AMPLITUDE ANDQUANTITATIVE PHASE CONTRAST IMAGING BY NUMERICALRECONSTRUCTION OF DIGITALHOLOGRAMS

5US7649160 APPARATUS AND METHOD FOR DIGITAL HOLOGRAPHIC IMAGING

6E.Cuche,P.Marquet,and C.Depeursinge,“Simultaneous amplitude-contrastand quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconstruction ofFresnel off-axis holograms”,Appl.Opt.38(34),6994–7001(1999).

7E.Cuche,F.Bevilacqua,and C.Depeursinge,“Digital holography forquantitative phase-contrast imaging”,Opt.Lett.24(5),291–293(1999).

Claims (25)

1.一种用于从样品光束(s)生成全息图的全息图生成设备，所述样品光束通过采集来自物体(S)的电磁辐射形成，所述设备包括：

-布置成将样品光束分成物体光束和参考光束的光束生成单元，物体光束是样品光束的不滤波或部分滤波的第一部分，而参考光束是样品光束的部分滤波或完全滤波的第二部分，

-相干管理单元(3)，所述相干管理单元(3)布置成定向物体光束(o)和参考光束(r)中的至少一个的相干平面以使得物体光束(o)和参考光束(r)的相干平面基本平行，

-全息图创建单元(4)，所述全息图创建单元(4)配置成组合物体光束和参考光束以通过参考光束和物体光束之间的干涉来创建全息图。

2.根据权利要求1所述的设备，其中全息图生成单元(2)包括全息滤波元件，该全息滤波元件配置成分离样品光束并且对样品光束空间滤波以产生物体光束(o)和包括具有空间强度均匀性的滤波的分离样品光束的参考光束(r)；或包括分光器(BS)和全息滤波元件，所述分光器将样品光束分离成第一分离光束(SB1)和第二分离光束(SB2)，该全息滤波元件配置成对第一分离光束(SB1)或第二分离光束(SB2)空间滤波以产生包括未滤波的分离样品光束的物体光束(o)和包括滤波的分离样品光束的参考光束(r)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述全息图是离轴全息图。

4.根据权利要求1或2所述的设备，进一步包括用于从来自物体的电磁辐射形成样品光束的图像形成设备(1)。

5.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括捕获并数字地记录全息图的摄像机。

6.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括处理器，该处理器配置成处理数字地记录的全息图并从所述全息图提取强度和/或相位信息。

7.根据前述权利要求2至6中的任一项所述的设备，其中全息滤波元件作用在构成样品光束或第一(SB1)或第二(SB2)分离样品光束的电磁辐射的传播角上以选择以预定角度传播的电磁辐射，从而对样品光束或第一或第二分离样品光束空间滤波以产生滤波的物体光束(o)或滤波的参考光束(r)。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中光束生成单元(2)包括用于滤波样品光束或分离样品光束中的高空间频率的至少一个厚全息光栅，以便生成参考光束。

9.根据权利要求8所述的设备，其中厚全息光栅布置成使得其被分离样品光束连续地穿越两次、或者被样品光束穿越一次并且被分离样品光束穿越一次以获得参考光束，借此厚全息光栅的第二次穿越在分离样品光束的光束旋转或分离样品光束的反射之后，以便实现对分离样品光束中的空间频率的二维滤波。

10.根据权利要求8或9所述的设备，进一步包括分光器(BS)，所述分光器布置成在利用至少一个厚全息光栅对分离样品光束滤波以生成参考光束之前，将入射在该分光器上的样品光束分离成两个部分。

11.根据前述权利要求2至10中的任一项所述的设备，其中全息滤波元件配置成同时地分离样品光束和对样品光束空间滤波。

12.根据任一前述权利要求所述的设备，其中相干管理单元(3)包括布置成定向物体光束或参考光束中的至少一个的相干平面的至少一个薄全息光栅。

13.根据任一前述权利要求所述的设备，其中相干管理单元(3)进一步包括配置成修改物体光束和参考光束中的至少一个的光路长度的至少一个器件，以便确保光束之间的时间相干，从而产生干涉和全息图的创建。

14.根据权利要求13所述的设备，其中通过平移下列元件中的至少一个来修改光路长度：反射镜、多个反射镜、直角棱镜或多个直角棱镜。

15.根据任一前述权利要求所述的设备，其中相干管理单元(3)进一步包括配置成旋转或反射物体光束或参考光束中的至少一个的至少一个器件，以便确保光束之间的空间相干，从而产生干涉和全息图的创建。

16.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括配置成使物体光束或参考光束偏移以组合物体光束和参考光束的薄全息光栅。

17.根据权利要求1至15中的任一项所述的设备，其中全息图创建单元(4)包括分光器以组合物体光束和参考光束。

18.根据前述权利要求1至15中的任一项所述的设备，其中相干管理单元(3)和全息图创建单元(4)共享共同的至少一个薄全息光栅，该薄全息光栅配置成使物体光束或参考光束偏移以组合物体光束和参考光束并且定向物体光束和/或参考光束的相干平面。

19.根据权利要求4所述的设备，其中图像形成设备(1)是光学显微镜。

20.根据前一权利要求所述的设备，其中光学显微镜包括作为光源的发光二极管(LED)或具有滤波的发射谱的作为光源的发光二极管(LED)，以便管理时间相干。

21.根据权利要求1所述的设备，进一步包括计算机，该计算机配置成数值地重建全息图，以根据数字全息术的重建方法提取强度和相位图像。

22.一种包括根据前述权利要求1至18中的任一项所述的设备和显微镜的组合。

23.一种用于生成全息图的方法，包括下列步骤：

-提供通过收集来自物体(S)的电磁辐射而形成的样品光束(s)；

-分离样品光束并利用全息滤波元件对样品光束空间滤波以产生物体光束(o)和包括空间滤波的分离样品光束的参考光束(r)；或将样品光束分离成第一分离光束(SB1)和第二分离光束(SB2)并利用全息滤波元件对第一分离光束或第二分离光束空间滤波以产生包括未滤波的分离样品光束的物体光束(o)和包括空间滤波的分离样品光束的参考光束(r)；

-定向物体光束(o)和参考光束(r)中的至少一个的相干平面以使得物体光束(o)和参考光束(r)的相干平面基本平行；以及

-组合物体光束和参考光束以通过参考光束和物体光束之间的干涉来创建全息图。

24.根据前一权利要求所述的方法，包括组合物体光束和参考光束以创建离轴全息图。

25.根据前一权利要求所述的方法，包括执行单次摄像机采集拍摄以采集全息图。