一種三維顯微觀測裝置的製作方法

2023-06-01 04:29:26

專利名稱：一種三維顯微觀測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種三維顯微觀測裝置，更特別地說，是指一種基於數字全息的 長工作距離原位三維顯微觀測裝置。
背景技術：
數字全息技術是利用CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合器件)、CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體)等光電成 像探測器件作為記錄介質並以數字形式記錄全息圖，利用計算機糹莫擬再現參考光通過 全息圖的光學衍射過程以數字方法重構三維物光場，從而獲得物光場的振幅和相位的 信息，其優點包括(1)以非接觸方式獲取物體三維信息、對觀測樣本影響非常小、 系統結構簡單等優點；(2)數字全息圖的記錄與再現過程都以數位化形式完成，因 此能夠以數字形式重構物光場並可以對物體三維信息進行定量分析；(3)在數字重 構過程中，可方便的運用數字圖像處理技術，矯正、補償光學像差以及各種噪聲和探 測器非線性效應等的影響。
伹是，目前數字全息技術在實際應用中仍存在一些技術問題，主要是再現物光的 解析度受光電圖像傳感器(CCD、 CMOS)性能指標的制約，具體表現為(1)目 前光電圖像傳感器的像素尺寸較大(約3.5 10微米)，因此僅能夠記錄與參考光夾 角較小(約小於1° )的物光；(2)光電圖像傳感器光敏面的面積較小(約 1 cm XIcm),使得物光場的髙頻成分無法記錄。因此，由於上述因素，特別是在長 工作距離條件下，造成嚴重的解析度受限問題，進而使得數字全息技術在實際應用中 受到一定限制。為了解決這一問題，普遍利用顯微物鏡對待觀測物體進行預放大，然 後將所得到的物體放大實像進行數字全息記錄與再現，從而能夠獲得高解析度物光 場，伹是此方法的工作距離受顯微物鏡焦距的限制，同時再現物光場受顯微物鏡引起 的像差、畸變影響。發明 內 容
本實用新型的目的是提出一種基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝 置，該裝置一方面未採用顯微物鏡對待觀測物體進行預放大，使得長工作距離得以實
現；另一方面採用了合成孔徑成像方法，保證了待觀測物體再現像的解析度；第三方 面以非接觸、原位探測方式獲取待觀測物體的三維信息。
本實用新型的一種基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，該裝置包 括有光源l、分光單元2、 A光束準直器3、 A反射鏡4、 B反射鏡ll、 B光束準直 器12、光照明單元13、消偏振分光稜鏡5和CMOS相機6;本實用新型裝置的光 路為光源1出射的雷射la入射至分光單元2中，經分光單元2進行分光處理後輸 出A雷射21、 B雷射22; A雷射21順次經A光束準直器3、 A反射鏡4後輸出第 一平行光4a入射至消偏振分光稜鏡5; B雷射22順次經B反射鏡11、 B光束準直 器12、光照明單元13後照射到待觀測物體14上，由待觀測物體14反射的包含物 體形貌信息的物光14a入射至消偏振分光稜鏡5;消偏振分光稜鏡5對入射的第一 平行光4a、物光14a進行合光處理得到合併光束5a，該合併光束5a形成的幹涉全 息圖被CMOS相機6的光敏面捕獲。
本實用新型的一種基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其具有如 下優點(1) CMOS相機與消偏振分光稜鏡之間的工作距離達到50c7w 100cm， 該工作距離比利用顯微物鏡的焦距(lmw lc附)的距離要長得多，因此，在本實 用新型中稱為長工作距離，本實用新型的觀測裝置在長工作距離條件下以原位探測方 式獲取高解析度的待觀測物體三維信息。(2)採用兩路光(第一平行光4a和物光 14a)在消偏振分光稜鏡上進行合光，可以通過數字全息記錄方式獲取待觀測物體的 三維信息。(3)運用基座、磁力座、二維調整架、反射鏡組合形成光照明單元，可 以實現在不同入射角度的照明光照射待觀測物體的條件下，記錄多幅數字全息圖，從 而為實現高解析度的三維合成孔徑成像提供多幅存在互補信息的再現物光場。(4) 本實用新型觀測裝置結構緊湊，操作方便。

圖1是本實用新型的長工作距離原位三維顯微觀測裝置的結構框圖。
圖2是本實用新型分光單元的結構圖。圖3是本實用新型光照明單元的結構圖。
圖3A是本實用新型光照明單元的光路傳輸的結構圖。
圖中l.光源la.雷射2.分光單元 21.A雷射
22.B雷射201.C反射鏡202.A波片203.偏振分光稜鏡
204.B波片3.A光束準直器4.A反射鏡4a-第一平行光5.消偏振分光稜鏡
5&.合併光束6.CM0S相機ll.B反射鏡12.B光束準直器
12&第二平行光13.光照明單元13a,D反射鏡13b.E反射鏡 13c.F反射鏡
nA.第一反射光13B.第二反射光13C.第三反射光131.基座 132.導軌
133.滑塊134.A磁力座135.B磁力座136.支撐柱 137，A二維調整架
138.B二維調整架139.C二維調整架
H.待觀測物體14a.物光
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。
本實用新型是一種基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，該裝置包
括有光源l、分光單元2、 A光束準直器3、 A反射鏡4、 B反射鏡ll、 B光束準直 器12、光照明單元13、消偏振分光稜鏡5和CMOS相機6;本實用新型裝置的光 路為光源1出射的雷射la入射至分光單元2中，經分光單元2進行分光處理後輸 出A雷射21、 B雷射22; A雷射21順次經A光束準直器3、 A反射鏡4後輸出第 一平行光4a (用於數字全息記錄的參考光)入射至消偏振分光稜鏡5; B雷射22 順次經B反射鏡11、 B光束準直器12、光照明單元13後照射到待觀測物體14上, 由待觀測物體14反射的包含物體形貌信息的物光14a入射至消偏振分光稜鏡5;消 偏振分光稜鏡5對入射的第一平行光4a、物光14a進行合光處理得到合併光束5a， 該合併光束5a形成的幹涉全息圖被CMOS相機6的光敏面捕獲。
在本實用新型中，由分光單元2分出的A雷射21經A光束準直器3、 A反射鏡 4後入射至消偏振分光稜鏡5，這路光路可以稱為參考光路。由分光單元2分出的B 雷射22經B反射鏡11、 B光束準直器12、光照明單元13、待觀測物體14後入 射至消偏振分光稜鏡5，這路光路可以稱為物光光路。通過調整所述物光光路中的光 束方向可以改變照明光照射物體時的入射角，從而記錄多幅數字全息圖，進而基於所述的多幅數字全息圖運用數字方法重構、放大物光場，然後將所得的物光場分布進行 平均相加，從而合成高解析度、低噪聲的物體三維立體像。另外本實用新型採用光照 明單元13對待觀測物體14採用非接觸方式的工作模式，使得對物體的原位獲取信 息、無透鏡像差影響。
在本實用新型中，光源1,該光源1用於為本實用新型長工作距離原位三維顯微 觀測系統提供光信息，該光源1提供了的中心波長為532"m的雷射。
在本實用新型中，A光束準直器3和B光束準直器12結構相同，可以是北京大 恆光電公司生產的GCO-2503型號光束準直器。
在本實用新型中，消偏振分光稜鏡5具有將兩束傳播方向垂直的入射光合成一 束光。選取北京大恆光電公司生產的GCC-403012型號消偏振分光稜鏡。
在本實用新型中，CMOS相機6可以選取加拿大Lumenera公司生產、型號為 LU125M-WOIR、解析度為1280X1024像素、幀頻為15fps、光敏面尺寸為2/3 英寸、信號接口為USB2.0。
參見圖2所示，分光單元2，一方面用於接收從光源1出^f的中心波長為532"m 的雷射la，另一方面將接收到的雷射la分為傳播方向垂直、偏振方向相同的A激 光21和B雷射22。該分光單元2由C反射鏡201、 A半波片202、偏振分光稜鏡 203和B半波片204構成，A半波片202置於C反射鏡201與偏振分光稜鏡203 之間，B半波片204置於A光束準直器3之間。C反射鏡201與光源1的垂直距 離為5cm lOcrn 。其中，所述的A半波片202用於將經C反射鏡201反射的激 光進行偏振方向的調整，而B半波片204用於將經偏振分光稜鏡203透射後的雷射 進行偏振方向的調整，採用兩個半波片(A半波片202、 B半波片204)對入射後 的雷射進行偏振方向的調整，保證了A雷射21、 B雷射22的偏振方向相同，且A 雷射21與B雷射22的光強比為1:5。在本實用新型中，偏*辰分光稜鏡203具有將 一束入射光分為兩束傳播方向垂直、偏振方向正交的光。可以選取公司生產的 GCC-401102型號的偏振分光稜鏡。
參見圖3所示，光照明單元13包括有三個反射鏡、三個二維調整架、兩個磁力 座、 一個基座131、導軌132和滑塊133。
三個反射鏡是指D反射鏡13a、 E反射鏡13b和F反射鏡13c。三個二維調整架是指A 二維調整架137、 B 二維調整架138和C 二維調整架 139。在本實用新型中，二維調整架用於安裝反射鏡，二維調整架為外購件，可以是 北京大恆光電公司生產的GCM-082305M型號二維調整架。
兩個磁力座是指A磁力座134、 B磁力座135。 B磁力座135上放置待觀測物 體14。 A磁力座134上安裝有A二維調整架137, A 二維調整架137上安裝有D 反射鏡13a。
基座131上安裝有A磁力座134、 B磁力座135和導軌132，導軌132位於 縱向中心線上，導軌132上設有滑塊133，滑塊133上安裝有支撐柱136，支撐柱 136上安裝有B 二維調整架138和C 二維調整架139， B 二維調整架138上安裝 有E反射鏡13b， C 二維調整架139上安裝有F反射鏡13c;導軌132的兩側是A 磁力座134、 B磁力座135;在本實用新型中，基座131上設有多個安裝孔，安裝 孔的設計有利於方便安裝與折卸A磁力座134、 B磁力座135、導軌132在基座 131上的安裝位置，從而方便地調節三個反射鏡對光的反射角度。
參見圖3A所示，第二平行光12a入射到D反射鏡13a上，第二平行光12a 經D反射鏡13a後形成的第一反射光13A入射到E反射鏡13b上；
第一反射光13A經E反射鏡13b後形成的第二反射光13B入射到F反射鏡13c
上；
第二反射光13B經F反射鏡13b後形成的第三反射光13C入射到待觀測物體 14上。
參見圖3A所示，在本實用新型中，第二平行光12a進入光照明單元13後，首 先轉化為平面波並通過二維調整架調節光束的方向，使得以不同入射角形成的光均能 夠照射到待觀測物體14。當光照射到待觀測物體14的表面，將有部分反射光作為 物光14a入射至消偏振分光稜鏡5上，第一平行光4a和物光14a通過消偏振分光 稜鏡5合成合併光束5a，該合併光束5a形成的幹涉全息圖被CMOS相機6的光敏 面捕獲。
在本實用新型中，長工作距離是指待觀測物體至CMOS相機之間的垂直距離， 該距離為50c/n 100cw 。在本領域中， 一般顯微觀察距離為lw附 lcw ,故稱本 實用新型中待觀測物體至CMOS相機的距離為長工作距離。在本實用新型中，A反射鏡4、 B反射鏡ll、 C反射鏡201、 D反射鏡13a、 E反射鏡13b和F反射鏡13c為結構相同的反射鏡，可以選取北京大恆光電公司生 產的GCC-102102型號反射鏡。
本實用新型的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，該觀測裝置的 工作過程為雷射器光源l發出的雷射光束la經分光單元2分為A雷射21、 B激 光22; A雷射21順次經A光束準直器3、 A反射鏡4後出射的第一平行光4a入射 至消偏振分光稜鏡5; B雷射22順次經B反射鏡11、 B光束準直器12、光照明單 元13、待觀測物體14後出射的物光14a入射至消偏振分光稜鏡5;第一平行光4a 和物光14a通過消偏振分光稜鏡5合成合併光束5a,該合併光束5a形成的幹涉全 息圖被CMOS相機6的光敏面捕獲。對於CMOS相機6能夠獲取的多幅存在互補 物光三維信息的合息圖像，可以進行基於合成孔徑成像方法的高解析度三維重構。
權利要求1、一種基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特徵在於該裝置包括有光源(1)、分光單元(2)、A光束準直器(3)、A反射鏡(4)、B反射鏡(11)、B光束準直器(12)、光照明單元(13)、消偏振分光稜鏡(5)和CMOS相機(6)；光源(1)出射的雷射(1a)入射至分光單元(2)中，經分光單元(2)進行分光處理後輸出A雷射(21)、B雷射(22)；A雷射(21)順次經A光束準直器(3)、A反射鏡(4)後輸出第一平行光(4a)入射至消偏振分光稜鏡(5)；B雷射(22)順次經B反射鏡(11)、B光束準直器(12)、光照明單元(13)後照射到待觀測物體(14)上，由待觀測物體(14)反射的包含物體形貌信息的物光(14a)入射至消偏振分光稜鏡(5)；消偏振分光稜鏡(5)對入射的第一平行光(4a)、物光(14a)進行合光處理得到合併光束(5a)，該合併光束(5a)形成的幹涉全息圖被CMOS相機(6)的光敏面捕獲。
2、 根據權利要求1所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於分光單元(2) —方面用於接收從光源(1)出射的中心波長為532腦的 雷射(la)，另一方面將接收到的雷射(la)分為傳播方向垂直、偏振方向相同 的A雷射(21)和B雷射(22);該分光單元(2)由C反射鏡(201)、 A半波 片(202)、偏振分光稜鏡(203)和B半波片(204)構成，A半波片(202) 置於C反射鏡(201)與偏振分光稜鏡(203)之間，B半波片(204)置於A 光束準直器(3)之間；C反射鏡(201)與光源(1)的垂直距離為5c附 10cm 。
3、 根據權利要求2所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於A雷射(21)與B雷射(22)的光強比為1:5。
4、 根據權利要求1所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於光照明單元(13)包括有D反射鏡(13a)、 E反射鏡(13b)、 F反射 鏡(13c)、 A二維調整架(137)、 B二維調整架(138)、 C 二維調整架(139)、 A磁力座(134)、 B磁力座(135)、基座(131)、導軌(132)和滑塊(133), 基座(131)上安裝有A磁力座(134)、 B磁力座(135)和導軌(132)，導軌(132)位於縱向中心線上，導軌(132)上設有滑塊(133)，滑塊(133)上 安裝有支撐柱(136)，支撐柱(136)上安裝有B二維調整架(138)和C 二維 調整架(139), B二維調整架(138)上安裝有E反射鏡(13b)， C 二維調整 架(139)上安裝有F反射鏡(13c);'導軌(132)的兩側是A磁力座(134)、B磁力座(135); B磁力座(135)上放置待觀測物體(14); A磁力座(134) 上安裝有A 二維調整架(137) ， A 二維調整架(137)上安裝有D反射鏡(13a)。
5、 根據權利要求4所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於光照明單元(13)中的光路為，第二平行光(12a)入射到D反射鏡(13a) 上，第二平行光(12a)經D反射鏡(13a)後形成的第一反射光(13A)入射 到E反射鏡(13b)上；第一反射光(13A)經E反射鏡(13b)後形成的第二 反射光(13B)入射到F反射鏡(13c)上；第二反射光(13B)經F反射鏡(13b) 後形成的第三反射光(13C)入射到待觀測物體(14)上。
6、 根據權利要求1所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於長工作距離是指待觀測物體(14)至CMOS相機(6)之間的垂直距離， 該距離為50 cm ~ 100 cw。
7、 根據權利要求1所述的基於數字全息的長工作距離原位三維顯微觀測裝置，其特 徵在於光源(1)輸出的雷射的中心波長為532"m。
專利摘要本實用新型公開了一種三維顯微觀測裝置，該裝置包括有光源、分光單元、A光束準直器、A反射鏡、B反射鏡、B光束準直器、光照明單元、消偏振分光稜鏡和CMOS相機；本實用新型裝置的光路為光源出射的雷射入射至分光單元中，經分光單元進行分光處理後輸出A雷射、B雷射；A雷射順次經A光束準直器、A反射鏡後輸出第一平行光入射至消偏振分光稜鏡；B雷射順次經B反射鏡、B光束準直器、光照明單元後照射到待觀測物體上，由待觀測物體反射的包含物體形貌信息的物光入射至消偏振分光稜鏡；消偏振分光稜鏡對入射的第一平行光、物光進行合光處理得到合併光束，該合併光束形成的幹涉全息圖被CMOS相機的光敏面捕獲。
文檔編號G01B11/24GK201407997SQ20092010673
公開日2010年2月17日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者伊小素, 路 戎, 瑞 李, 鋒 潘, 文 肖, 博 魏 申請人:北京航空航天大學