本发明涉及全息显微领域，具体涉及一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置及方法。
背景技术：
1、在当今科技发展日新月异的时代，显微成像技术作为生命科学和医学领域中不可或缺的重要工具，对于揭示生物体内部微观结构和功能具有至关重要的作用。随着科学技术的不断进步，人们对于显微成像技术的要求也越来越高，希望能够实现更高分辨率、更全面的成像，以更好地理解生命活动的机制和规律。近年来，三维成像技术如激光扫描和共聚焦显微镜得到了广泛应用，但这些三维显微镜技术需要非常复杂的过程、漫长的时间及高昂的成本。在这样的背景下，基于光学扫描的数字全息术应运而生，作为一种全新的成像方法，具有巨大的潜力和发展空间。
2、然而，传统数字全息术的缺点之一是物体光和参考光是相干的，因此全息图和重建图像都含有严重的散斑噪声。基于光学扫描的数字全息术是一种特殊的数字全息术，利用外差扫描光束生成装置生成时变环形扫描光束来对被测的三维物体进行扫描，随后使用单像素光电探测器对物体的信息进行采集，即可使系统在不受光电探测器的像感分辨率即像素数量的限制依然获取物体的三维信息，理论上可达到的分辨率比传统数字全息术高出很多。因此可以捕获更加微观的数字全息图。此外，非相干的成像方法也解决了传统数字全息术中存在严重散斑噪声的问题。
3、在基于光学扫描的全息装置中，汇聚透镜用于将物体信息汇聚到光电探测器上。然而会聚透镜的存在使物体的高频信息发生了部分缺失，使系统的数值孔径na降低，从而影响了系统的分辨率精度。
4、相比自由空间下搭建的数字全息系统，采用多轴笼式结构进行系统光路搭建具有高度的集成化。由于笼杆的高度固定，且原件滑动架均与系统光轴为共轴关系，所以该结构与自由空间的光路搭建相比具有非常高的稳定性和精准度，同时也降低了光路校准的难度。高稳定性的光学记录部分也便于携带，使系统可以走出实验室。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置及方法。
2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
3、一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，包括：光学记录部分、电学处理部分；
4、所述光学记录部分沿着光路依次包括：外差扫描光束生成装置、第一透镜、第一分束镜、显微物镜、物体、压电位移台、第一光阑、第一光电探测器、第二光电探测器；外差扫描光束生成装置出射两束具有相同外差信号的时变环形扫描光束，第一光阑置于第一束环形扫描光束与第一光电探测器之间；第一透镜置于第二束环形扫描光束后，第一分束镜置于第一透镜与显微物镜之间，且第一透镜与显微物镜共焦；待扫描物体置于压电位移台上，压电位移台置于显微物镜后；第二光电探测器置于第一分束镜自显微物镜的反射光方向处。
5、所述电学处理部分包括：带通滤波器、锁相放大器、数据采集卡、计算机。
6、所述电学处理部分与所述光学记录部分通过第一光电探测器、第二光电探测器相连接，所述电学处理部分用于将光学记录部分获取的光学信息转化为电信号，对所述电信号进行采集传输及处理；第一光电探测器输出端与锁相放大器的参考信号端相连；第二光电探测器的输出端连接带通滤波器；带通滤波器与锁相放大器的输入信号端直接相连；锁相放大器输出信号端紧接数据采集卡；数据采集卡接计算机。
7、对于外差扫描光束生成装置，提出三种不同示例；使用平面波和球面波干涉，并对两路光分别进行不同的频率调制来形成时变环形扫描光束；或者使用空间光调制器快速播放不同的环形光束图案来达成时变环形扫描光束的效果。
8、所述外差扫描光束生成装置例一，包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、衰减片、第二分束镜、第一声光移频器、第三反射镜、第二透镜、第一针孔、第三透镜、第二声光移频器、第四反射镜、第四透镜、第二针孔、第五透镜、第六透镜、第三分束镜；激光器出射光经第一反射镜、第二反射镜后经衰减片调节光强，与第二分束镜中心保持共轴，第一反射镜置于激光器出射方向；第一声光移频器置于第二分束镜反射光方向，并置于第三反射镜和第二分束镜之间；第三反射镜置于第一声光移频器一级衍射光方向，与零级光方向相比发生了一定角度的偏转；第二透镜置于第三反射镜反射光方向，同时第二透镜与第三透镜共焦，第一针孔放置在第二透镜与第三透镜的焦点上，且第三反射镜反射光光轴方向和第二透镜、第一针孔、第三透镜的中心保持一致；第二声光移频器置于第二分束镜透射光方向；第四反射镜置于第二声光移频器一级衍射光方向，与零级光方向相比发生了一定角度的偏转；第四透镜置于第四反射镜反射光方向，同时第四透镜与第五透镜共焦，第二针孔放置在第四透镜与第五透镜的焦点上，且第四反射镜反射光光轴方向和第四透镜、第二针孔、第五透镜的中心保持一致；第六透镜置于第五透镜后；第三分束镜置于第六透镜透射光与第三透镜透射光同轴交汇处。
9、所述外差扫描光束生成装置例二，包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、衰减片、第二分束镜、第一声光移频器、第三反射镜、第二透镜、第一针孔、第三透镜、第二声光移频器、第四反射镜、第四透镜、第二针孔、第五透镜、第六透镜、第三分束镜；第四分束镜；第五反射镜；激光器出射光经衰减片调节光强后经第一反射镜、第二反射镜，与第二分束镜中心保持共轴，第一反射镜置于激光器出射方向；第一声光移频器置于第二分束镜反射光方向，第三反射镜置于第一声光移频器一级衍射光垂直方向，与零级光方向相比发生了一定角度的偏转；第二透镜置于第三反射镜垂直反射光经第一声光移频器透射发生偏转后的方向，同时第二透镜与第三透镜共焦，第一针孔放置在第二透镜与第三透镜的焦点上，且第三反射镜垂直反射光经第一声光移频器透射后的光轴方向和二分束镜、第二透镜、第一针孔、第三透镜的中心保持一致；第二声光移频器置于第二分束镜透射光方向；第四反射镜置于第二声光移频器一级衍射光垂直方向，与零级光方向相比发生了一定角度的偏转；第三分束镜置于第二分束镜与第二声光移频器之间；第四透镜置于第三分束镜经第二声光移频器反射光方向，同时第四透镜与第五透镜共焦，第二针孔放置在第四透镜与第五透镜的焦点上，且第三分束镜反射光光轴方向和第四透镜、第二针孔、第五透镜的中心保持一致；第六透镜置于第五透镜后；第五反射镜置于第六透镜后，第四分束镜置于第六透镜经第五反射镜反射光与第三透镜透射光同轴交汇处。
10、所述外差扫描光束生成装置例三，包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、衰减片、第二分束镜、第二透镜、第一针孔、第三透镜、第六透镜、第三分束镜、空间光调制器、第二光阑；激光器出射光经衰减片调节光强后经第一反射镜、第二反射镜，与第二分束镜中心保持共轴，第一反射镜置于激光器出射方向；第二透镜置于第二反射镜反射光方向，同时第二透镜与第三透镜共焦，第一针孔放置在第二透镜与第三透镜的焦点上，且第二反射镜反射光光轴方向和第二透镜、第一针孔、第三透镜的中心保持一致；第二分束镜置于第三透镜后，空间光调制器置于第二分束镜反射光方向；第六透镜置于空间光调制器经反射光方向，且透射经过第二分束镜；第二光阑置于第六透镜焦点位置，第三分束镜置于第二光阑后。
11、所述光学记录部分需要紧凑且牢固的固定在一个可以平放，同时也可以垂直于桌面挂起的光学平台上；为了使光路更加稳定、简洁、具体化，采用多轴笼式结构进行光路搭建，以实现集成化的光学显微系统。该结构的搭建理念与自由空间的光路搭建有所不同。首先需要在光学平台上将固定支撑座架进行固定，然后将笼杆在需要的高度穿过底座的孔隙，随后将系统中所需的透镜等原件的滑动架依次穿入笼杆，最后在笼杆另一端固定第二个固定支撑座架。由于笼杆的高度固定，且原件滑动架均与系统光轴为共轴关系，所以该结构自由空间的光路搭建相比具有非常高的稳定性和精准度，同时也降低了光路校准的难度。
12、本发明的另一目的在于提供一种基于光学扫描的显微全息数据采集方法，包括如下步骤：
13、步骤1：外差扫描光束生成装置出射两束具有相同外差信号的时变环形扫描光束，其中第一束环形扫描光束经第一光阑得到单一差频变化的光斑，该光斑被第一光电探测器接收并转化为差频电信号由同轴电缆接入锁相放大器的参考信号端，第二束环形扫描光束用于扫描物体。
14、步骤2：扫描光束通过第一透镜对光路的直径进行压缩，使光斑直径正好可以充满显微物镜的通光孔径；随后再通过显微物镜继续对光路直径进一步压缩，两步压缩后将时变环形扫描光束的直径压缩到肉眼无法分辨的宽度；通过扫描控制器移动压电位移台，实现扫描光束对置于压电位移台上的待扫描物体(待成像微小物体或生物标本)的二维扫描，扫描得到携带有物体三维信息的反射光重新经过显微物镜的放大，通过第三分束镜的反射面被第二光电探测器接收；
15、所述步骤2中，通过外差扫描光束生成装置形成的时变环形扫描光束打到物体表面上时强度s的表达式为：
16、
17、其中，a和b分别表示平面波和球面波的振幅，j为虚数单位，w0为激光器发出激光的固有时间频率，ω1为外差扫描光束生成装置中第一声光移频器的移频量，ω2为外差扫描光束生成装置中第二声光移频器的移频量，ω2＞ω1，t为时间变量，k0为波数，x和y表示波前平面的坐标，z为球面波传播方向显微物镜和物体之间的球面波一次汇聚点距离物体的距离。
18、步骤3：第二光电探测器将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流信号，电流信号接入带通滤波器后通过锁相放大器滤除直流电流与非差频信号，得到差频电流信号；随后信号被传输至数据采集卡，计算机通过数据采集卡可以实时观测从正在移动的压电位移台上的待扫描物体的电流信号，并在扫描结束后获得待扫描物体的三维全息图。
19、所述步骤3中，第二光电探测器将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流i(t)的表达式为：
20、i(t)∝∫|s(x,y,t；z)γ(x,y,t；z)|2dxdy]
21、经带通滤波器后，得到电流信号iω为：
22、
23、其中，re[]表示取实部；d表示第二光电探测器的二维面积；x和y表示波前平面的坐标，z为球面波传播方向显微物镜和物体之间的球面波一次汇聚点距离物体的距离；t为时间变量，k0为波数；ω＝ω2-ω1；γ(x，y；z)表示位于空间坐标(x，y；z)处物体函数。
24、步骤4：基于全息图再现程序，将获得的全息图进行再现以获得高分辨率生物标本的三维信息。
25、本发明的增益效果为：
26、本发明去除了光电探测器前常见的汇聚透镜，用于数字全息的无透镜成像技术在成本、便携性、成像视野、三维重建能力、数字处理灵活性和景深方面都具有显著优势。这些优势使得无透镜成像在微生物检测、医学研究、即时检测等领域具有广阔的应用前景。
27、相比较目前常见的三维成像技术如激光扫描和共聚焦显微镜，基于光学扫描的显微全息数据采集技术只需一次拍摄就可以捕捉标本的三维信息，所以全息装置的记录过程更为简洁、单次记录拍摄时间更短，可以避免长时间记录荧光样本时增加的光漂白效果，同时系统成本也大大降低。
28、相比传统的数字全息显微术，记录像素的数量和ccd的尺寸限制了数字全息术的分辨率，此外相干照明固有的散斑噪声也对成像效果产生了很大的影响。由于基于光学扫描的显微全息数据采集装置是使用二维光束来扫描立体物体以此获取物体的三维信息，所以分辨率不受记录像素的数量和ccd的尺寸影响，非相干成像重建也不再具有散斑噪声，具有更好的成像质量。
29、相比自由空间下搭建的数字全息系统，采用多轴笼式结构进行光路搭建，具有高度的集成化。由于笼杆的高度固定，且原件滑动架均与系统光轴为共轴关系，所以该结构与自由空间的光路搭建相比具有非常高的稳定性和精准度，同时也降低了光路校准的难度。高稳定性的光学记录部分也便于携带，使系统可以走出实验室。
1.一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，其特征在于，包括：光学记录部分(1)、电学处理部分(2)；
2.根据权利要求1所述的一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，其特征在于，所述的第一光电探测器(10)输出端与锁相放大器(13)的参考信号端相连；第二光电探测器(11)的输出端连接带通滤波器(12)；带通滤波器(12)与锁相放大器(13)的输入信号端直接相连；锁相放大器(13)输出信号端紧接数据采集卡(14)；数据采集卡(14)接计算机(15)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，其特征在于，所述外差扫描光束生成装置(3)，包括：激光器(16)、第一反射镜(17)、第二反射镜(18)、衰减片(19)、第二分束镜(20)、第一声光移频器(21)、第三反射镜(22)、第二透镜(23)、第一针孔(24)、第三透镜(25)、第二声光移频器(26)、第四反射镜(27)、第四透镜(28)、第二针孔(29)、第五透镜(30)、第六透镜(31)、第三分束镜(32)；
4.根据权利要求1所述的一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，其特征在于，所述外差扫描光束生成装置(3)，包括：激光器(16)、第一反射镜(17)、第二反射镜(18)、衰减片(19)、第二分束镜(20)、第一声光移频器(21)、第三反射镜(22)、第二透镜(23)、第一针孔(24)、第三透镜(25)、第二声光移频器(26)、第四反射镜(27)、第四透镜(28)、第二针孔(29)、第五透镜(30)、第六透镜(31)、第三分束镜(32)；第四分束镜(33)；第五反射镜(34)；
5.根据权利要求1所述的一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，其特征在于，所述外差扫描光束生成装置(3)，包括：激光器(16)、第一反射镜(17)、第二反射镜(18)、衰减片(19)、第二分束镜(20)、第二透镜(23)、第一针孔(24)、第三透镜(25)、第六透镜(31)、第三分束镜(32)、空间光调制器(35)、第二光阑(36)；
6.一种基于光学扫描的显微全息数据采集方法，其特征在于，采用根据权利要求1到5任一项所述的一种基于光学扫描的显微全息数据采集装置，所述的包括如下步骤：
