一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置的製作方法

2023-05-05 15:09:21

專利名稱：一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維顯微觀測系統，更特別地說，是指一種基於多偏振態合成的
數字全息三維顯微觀測系統。
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，利用計算機模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散射光場，從而獲得散射光場的振幅和相位的信息，其優 點包括(l)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散 射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。
但是在數字全息再現像的三維重構中，數字全息再現像的各種噪聲有非常大的影 響。噪聲的存在會使得用算法判斷像的聚焦出現錯誤，從而使獲得的三維重構像失真。減 小甚至消除各種噪聲的影響是三維重構的關鍵所在，噪聲消除的程度直接影響到三維重構 像的質量。散斑噪聲是影響數字全息再現像質量的重要因素，也是一種比較難處理的噪聲。 它是由於相干光照射到粗糙物體的表面發射散射，在散射體的表面或附近的光場中形成並 可觀測的一種無規則的亮暗斑紋。被散斑覆蓋的再現像細節很難分清楚，使得再現像模糊 不清。減小雷射散斑對提高數字全息再現像的質量有重要意義，對於實現再現像的三維重 構也非常關鍵。

發明內容
本發明的目的是提出一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，該裝
置一方面採用線偏振光作為參考光，圓偏振光作為照射待觀測物體的照明光；另一方面利
用改變線偏振參考光的偏振方向和包含有物體形貌信息的圓偏振散射光幹涉，可以在不改
變照射光角度以及物體和相機相對位置的情況下獲得多幅包含物體不同信息的全息圖；第
三方面本觀測裝置能以非接觸、原位探測方式獲取待觀測物體的三維信息。 本發明的一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，該裝置包括有光
源、分光單元、空間濾波器、平凸透鏡、反射鏡、消偏振分光稜鏡和CMOS相機。 光源用於為本發明三維顯微觀測系統提供光信息。 分光單元一方面用於接收從光源出射的雷射，分光單元另一方面將接收到的雷射 分為線偏振光和圓偏振光，並分別輸入兩個空間濾波器。偏振分光稜鏡置於A半波片和B 半波片之間，1/4波片置於偏振分光稜鏡的反射光位置。其中，所述的A半波片用於將光源 發射的雷射進行偏振方向的調整和偏振分光稜鏡配合實現透射光和反射光的光強比連續 可調，而B半波片用於調整偏振分光稜鏡的透射光的偏振方向；採用1/4波片可以將偏振分
3光稜鏡的反射光轉化為圓偏振光；通過旋轉B半波片使得線偏透射光的偏振態改變，實現 不同偏振方向的線偏光與圓偏光相干疊加，得到多幀包含不同偏振信息的數字全息圖。同 時通過調節連續可調衰減器可以調節線偏振光和圓偏振光的光強比，進而通過控制參考光 和散射光的光強比，提高參物光幹涉圖像的信噪比。雷射經A半波片和偏振分光稜鏡後，通 過光纖耦合器形成圓偏振光輸出至光照明單元。 本發明的一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置的優點在於(1) 分光單元可以同時輸出線偏振光和圓偏振光，並精確控制照明光和參考光的偏振態和光強 比。 (2)本發明通過改變線偏振參考光的偏振方向，和包含有物體形貌信息的圓偏振 散射光發生幹涉，可以在不改變照明光照射物體的角度或者物體和相機之間的相對位置的 前提下，記錄多幀包含物體信息並且散斑噪聲相互獨立的數字全息圖，進而通過合成上述 數字全息圖的再現像，得到高解析度、低噪聲的物體像。 (3)採用線偏振參考光4a和具有物體形貌信息的圓偏振散射光14a在消偏振分光
稜鏡上進行合光，利用數字全息記錄與再現方法獲取待觀測物體的三維信息。 (4)本發明觀測裝置結構緊湊，操作方便，尤其適用於對照射角度有特殊要求的物
體的顯微觀測。


圖1是本發明的基於多偏振態合成的三維顯微觀測裝置的結構框圖。
圖1A是本發明分光單元的結構圖。 圖中 1.光源 la.雷射 lb.透射光 lc.反
射光 2.分光單元 201.A半波片 202.偏振分光稜鏡 203. B
半波片 204.連續可調衰減器 205. 1/4波片 21.線偏振光 22.圓
偏振光 3A.A空間濾波器3B.A平凸透鏡3C. B空間濾波器 3D.B平凸透鏡4.A反
射鏡 4a.參考光 5.消偏振分光稜鏡 5a.合併光束6. CMOS
相機 7.B反射鏡 7a.照明光 14.待觀測物體 14a.具有物體形貌信息
的散射光
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。 參見圖1、圖1A所示，本發明是一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測 裝置，該裝置包括有光源1、分光單元2、A空間濾波器3A、B空間濾波器3C、A平凸透鏡3B、 B平凸透鏡3D、A反射鏡4、B反射鏡7、消偏振分光稜鏡5和CMOS相機6。分光單元2接收 光源1出射的雷射，並輸出線偏振光21和圓偏振光22 ;線偏振光21順次經A空間濾波器3A、A平凸透鏡3B、A反射鏡4後入射至消偏振分光稜鏡5上；圓偏振光22順次經B空間濾 波器3C、 B平凸透鏡3D、 B反射鏡7、待觀測物體14後入射至消偏振分光稜鏡5上；最後被 CM0S相機6所採集。 分光單元2包括有A半波片201、偏振分光稜鏡202、 B半波片203、連續可調衰減 器204和1/4波片205。 本發明設計的數字全息三維顯微觀測裝置的光路連接為 光源1出射的中心波長為532nm的雷射la穿過分光單元2的A半波片201上入 射至偏振分光稜鏡202上； 雷射la經分光單元2進行分光處理後分別輸出線偏振光21和圓偏振光22 ;
線偏振光21順次經空間濾波器3A、平凸透鏡3B後，經反射鏡4反射輸出參考光 4a入射至消偏振分光稜鏡5 ; 圓偏振光22順次經空間濾波器3C、平凸透鏡3D後，經反射鏡7反射輸出照明光 7a照明光7a照射到待觀測物體14上； 在照明光7a的照射下，待觀測物體14反射具有物體形貌信息的散射光14a入射 至消偏振分光稜鏡5 ; 消偏振分光稜鏡5對入射的參考光4a、具有物體形貌信息的散射光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。
在本發明中，由分光單元2分出的線偏振光21經空間濾波器3A、平凸透鏡3B、反 射鏡4後，形成的參考光4a入射至消偏振分光稜鏡5，這路光路可以稱為參考光路。
在本發明中，由分光單元2分出的圓偏振光22經光照明單元13照射至待觀測物 體14上後，反射或透射形成的具有物體形貌信息的散射光14a入射至消偏振分光稜鏡5，這 路光路可以稱為物光光路。 通過旋轉分光單元2中B半波片203，可以改變參考光路中線偏振光21的偏振方 向，從而使CMOS相機6記錄多幅數字全息圖。然後通過CMOS相機6採集的多幅數字全息 圖運用數字方法重構，從而合成高解析度、低噪聲的物體三維立體像。 在本發明中，光源1用於為本發明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532nm的雷射。 分光單元2 —方面用於接收從光源1出射的中心波長為532nm的雷射la，分光單 元2另一方面將接收到的雷射la分為線偏振光21和圓偏振光22，並分別輸入空間濾波器 3A和空間濾波器3C。偏振分光稜鏡202置於A半波片201和B半波片203之間，1/4波片 205置於偏振分光稜鏡202的反射光位置。其中，所述的A半波片201用於將光源發射的激 光la進行偏振方向的調整和偏振分光稜鏡配合實現透射光lb和反射光lc的光強比連續 可調，而B半波片203用於調整偏振分光稜鏡202的透射光lb的偏振方向；採用1/4波片 205可以將偏振分光稜鏡202的反射光lc轉化為圓偏振光22 ;通過旋轉B半波片203使得 線偏透射光lb的偏振態改變，實現不同偏振方向的線偏光與圓偏光相干疊加，得到多幀包 含不同偏振信息的數字全息圖。同時通過連續可調衰減器204來調整線偏振光21和圓偏 振光22的光強比(1 : 5 1 : 2)，來控制參考光4a和散射光14a的光強比，從而提高了 參物光幹涉圖像的信噪比。雷射la經A半波片201和偏振分光稜鏡202後，通過光纖耦合 器206形成中心波長為532nm的圓偏振光22輸出至光照明單元13。
在本發明中，A半波片201和B半波片203可以改變入射線偏振光的偏振方向，可
以選取北京大恆光電公司生產的GCL-060411型號的石英零級半波片。 在本發明中，偏振分光稜鏡202具有將1束入射光分為兩束傳播方向垂直、偏振方
向正交的光。可以選取北京大恆光電公司生產的GCC-401102型號的偏振分光稜鏡。 在本發明中，連續可調衰減器204可根據圓盤的旋轉而線性改變出射空間光的光
功率，可以是北京大恆光電公司生產的GC0-0704M圓形可調衰減器/分光鏡。 在本發明中，1/4波片205可以選取北京大恆光電公司生產的GCL-060401型號的
石英零級波片。 在本發明中，空間濾波器3A和3C可以對一束入射的雷射光束進行空間濾波，得到
均勻的出射光斑，選取北京大恆光電公司生產的GCM-01M型空間濾波器。 在本發明中，平凸透鏡3B和3D用於對空間濾波器3A和3C近似點光源出射光擴
束為一定尺寸的平行光。選用北京大恆光電公司生產的GCL-010115型K9平凸透鏡。平凸
透鏡3B和3D可以安裝在北京大恆光電公司生產的GCM-2701381M型號透鏡/反射鏡支架。 在本發明中，反射鏡4和7可以選取北京大恆光電公司生產的GCC-102102型號反
射鏡，安裝在北京大恆光電公司生產的GCM-082305M型號二維調整架。 在本發明中，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。
選取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生產的NT49-004型號消偏振分光稜鏡。 在本發明中，CMOS相機6可以選取加拿大Lumenera公司生產、型號為 LU125M-W0IR、解析度為1280X 1024像素、幀頻為15fps、光敏面尺寸為2/3英寸、信號接口 為USB2. 0。對於CMOS相機6能夠獲取的多幅含有散射光三維信息的全息圖像，並基於平均 疊加法消除再現像中的散斑噪。
權利要求
一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，其特徵在於該裝置包括有光源(1)、分光單元(2)、空間濾波器(3A、3C)、平凸透鏡(3B、3D)、反射鏡(4、7)、消偏振分光稜鏡(5)和CMOS相機(6)；分光單元(2)包括有A半波片(201)、偏振分光稜鏡(202)、B半波片(203)、連續可調衰減器(204)和1/4波片(205)；偏振分光稜鏡(202)置於A半波片(201)和B半波片(203)之間，1/4波片(205)置於偏振分光稜鏡(202)的反射光位置；光源(1)出射的雷射(1a)穿過分光單元(2)的A半波片(201)上入射至偏振分光稜鏡(202)上；該雷射(1a)經分光單元(2)進行分光處理後分別輸出線偏振光(21)和圓偏振光(22)；線偏振光(21)順次經空間濾波器(3A)、平凸透鏡(3B)後，經反射鏡(4)反射輸出參考光(4a)入射至消偏振分光稜鏡(5)；圓偏振光(22)順次經空間濾波器(3C)、平凸透鏡(3D)後，經反射鏡(7)反射輸出照明光(7a)照明光(7a)照射到待觀測物體(14)上；在照明光(7a)的照射下，待觀測物體(14)反射具有物體形貌信息的散射光(14a)入射至消偏振分光稜鏡(5)；消偏振分光稜鏡(5)對入射的參考光(4a)、具有物體形貌信息的散射光(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；所述的分光單元(2)中的A半波片(201)用於將光源發射的雷射(1a)進行偏振方向的調整和偏振分光稜鏡配合實現透射光(1b)和反射光(1c)的光強比連續可調，而B半波片(203)用於調整偏振分光稜鏡(202)的透射光(1b)的偏振方向；採用1/4波片(205)可以將偏振分光稜鏡(202)的反射光(1c)轉化為圓偏振光(22)；通過旋轉B半波片(203)使得線偏透射光(1b)的偏振態改變，實現不同偏振方向的線偏光與圓偏光相干疊加，得到多幀包含不同偏振信息的數字全息圖；同時通過調整連續可調衰減器(204)對線偏振光(21)和圓偏振光(22)的光強比進行調節，該光強比為1∶5～1∶2，進而通過控制參考光(4a)和散射光(14a)的光強比，提高參物光幹涉圖像的信噪比。
2. 根據權利要求1所述的基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，其特徵在 於光源(1)出射的雷射(la)的中心波長為532nm。
3. 根據權利要求1所述的基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，其特徵在 於由分光單元(2)分出的線偏振光(21)經空間濾波器(3A)、平凸透鏡(3B)、反射鏡(4) 後，形成的參考光(4a)入射至消偏振分光稜鏡(5)，這路光路稱為參考光路。
4. 根據權利要求1所述的基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，其特徵在 於由分光單元(2)分出的圓偏振光(22)經光照明單元(13)照射至待觀測物體(14)上 後，反射或透射形成的具有物體形貌信息的散射光(14a)入射至消偏振分光稜鏡(5)，這路 光路稱為物光光路。
5. 根據權利要求1所述的基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，其特徵在 於在分光單元(2)中通過旋轉B半波片(203)，能夠改變參考光路中線偏振光(21)的偏 振方向，從而使CMOS相機(6)記錄多幅數字全息圖。
全文摘要
本發明公開了一種基於多偏振態合成的數字全息三維顯微觀測裝置，該裝置中的分光單元將接收的雷射分為線偏振光和圓偏振光後，並分別輸入兩個空間濾波器；線偏振光順次經平凸透鏡、反射鏡後成為參考光進入消偏振分光稜鏡；圓偏振光順次經平凸透鏡、反射鏡後成為照明光，該照明光照射在待觀測物體上被散射後進入消偏振分光稜鏡。分光單元中的偏振分光稜鏡置於A半波片和B半波片之間，1/4波片置於偏振分光稜鏡的反射光位置。本發明裝置利用改變線偏振參考光的偏振方向和包含有物體形貌信息的圓偏振散射光幹涉，可以在不改變照射光角度以及物體和相機相對位置的情況下獲得多幅包含物體不同信息的全息圖；第三方面本觀測裝置能以非接觸、原位探測方式獲取待觀測物體的三維信息。
文檔編號G01B11/24GK101788273SQ20101010808
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者伊小素, 劉爍, 常君磊, 戎路, 潘鋒, 肖文 申請人:北京航空航天大學