數字全息顯微測量裝置的製作方法
2023-06-10 21:15:11
專利名稱：數字全息顯微測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種顯微結構測量裝置，特別是一種用於測量透明物體，如活體細胞、相位物質的顯微結構。
背景技術：
目前實現物質顯微結構測量的主要儀器有共焦掃描顯微鏡、非掃描共焦顯微鏡、掃描探針顯微鏡及幹涉顯微鏡等。共焦掃描顯微鏡目前已具有超衍射極限的高解析度、高成像對比度以及能夠層析成像，掃描速度是主要受限制條件之一，且對系統配件如掃描實現裝置要求高而複雜。共焦非掃描顯微鏡雖省去了複雜的掃描過程，但同樣需要多幅圖像，其處理時間等同於掃描時間，其速度的進一步提高依賴於圖像採集器件的幀採集速度，且因為需要多幅圖像，故而兩者都不適合生物樣本的動態測量。
掃描探針顯微鏡，如原子力顯微鏡，與其它表面分析技術相比，具有一些獨特優點，如原子級高解析度，即可以分辨出單個原子、實時獲得三維圖像、可實現原子或分子層的局面表面結構分析。但也存在一些問題，如探針與樣本的極近距離需嚴格控制；探針針尖尺寸對精度影響較大；必須的機械驅動環節引入了較大噪聲，且降低了測量的實時性，不適於活體生物樣本的動態觀測；對於活體生物樣本的測量，需硬化處理，且由於探針與樣本的近距離接觸，或多或少有著「入侵」的不安全性。
傳統的幹涉顯微鏡只能目視反映物質顯微結構的幹涉圖，引入相移技術的幹涉顯微鏡雖然可以實現物質顯微結構的測量，但需要採集多幅相移幹涉圖進行計算。其橫向解析度受限於顯微物鏡的衍射極限。
與掃描探針技術、共焦掃描技術和共焦非掃描技術相比，數字顯微全息技術雖目前尚存低解析度的局限，但對於微機電系統(MEMS)器件、空間微粒、生物樣本的變形或形貌或空間位置測量而言，其解析度已可以滿足，且數字顯微全息技術具有測量裝置簡單、非入侵及適於動態測量的特點。
目前僅瑞士的Lynceetec公司推出了DHM-1000顯微鏡，也是基於數字顯微全息技術，具有了上述優點，可以實現物質結構的動態測試。該裝置具有物體顯微圖像數字記錄系統，而沒有物體顯微圖像目視系統，可進行顯微圖像數字記錄，而不適用於目視動態觀測顯微圖像，而且由於該裝置採用的是單色的雷射光源，限制了相鄰採樣點間的深度。
發明內容
本發明裝置的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供一種數字全息顯微測量裝置，可以用於實現物質顯微圖像的目視和數字記錄，具有動態性好、非接觸、待測物質非製備的特點，可以採集多波長數字全息圖，擴大了深度測量範圍。
為達到上述目的，本發明採用下述技術方案；一種數字全息顯微測量裝置，由一個雷射分束系統(1)經一個全息顯微系統(2)連接一個物體顯微圖像數字記錄系統(3)構成，所述的全息顯微系統(2)由物光傳輸光路(5)、參考光傳輸光路(6)和數字全息圖記錄系統(7)組成，其特徵在於所述的全息顯微系統(2)的輸出還連接至一個物體顯微圖像目視系統(4)。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的物體顯微全息圖像目視系統(4)是一個反射鏡(23)經一個成像鏡組(22)連接一個目鏡(19)構成。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的雷射分束系統(1)是由一個可調諧半導體雷射器(8)經一個可調衰減片(9)、一個轉向反射鏡(10)和一個光纖耦合器(11)連接分束光纖組件；所述的分束光纖組件是連接光纖耦合器(11)輸出的一根光纖(12)經一個光纖分束器(13)連接二根分束光纖(14、15)構成。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的物光傳輸光路(5)是由一個光纖調整架(16)進口連接所述的一根分束光纖(15)，而出口對準一個載物臺(17)上的樣本，下方對準安置顯微物鏡(21)和分光鏡(24)所構成。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的參考光傳輸光路(6)的結構是所述的另一根分束光纖(14)連接一個光纖調整架(26)的輸入口，光纖調整架(26)輸出口經一個衰減片(27)和一個透鏡(28)對準數字全息圖記錄系統(7)的分光鏡(29)，光纖調整架(26)連接一個壓電陶瓷(25)，壓電陶瓷(25)連接一個壓電陶瓷控制器(32)，壓電陶瓷控制器(32)連接數字全息圖記錄系統(7)的計算機(33)。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的數字全息圖記錄系統(7)的結構是一個分光鏡(29)輸入參考光和物光，輸出對準一個CCD攝像機(30)，CCD攝像機(30)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。
在上述的數字全息顯微測量裝置中，所述的物體顯微圖像數字記錄系統(3)的結構是一個CCD攝像機(18)鏡頭對準一個處於物體顯微圖像目視系統(4)的成像鏡組(22)與目鏡(19)之間光路上的分光稜鏡膠合組(20)，CCD攝像機(18)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。
本發明裝置與現有技術相比，具有以下特點1、可同時完成離軸全息圖或同軸全息圖的數字記錄、顯微圖像的數字記錄和顯微圖像的目視觀察；2、可完成單幅全息圖的重構，也可實現移相全息技術；3、可調諧半導體雷射器波長可調，可利用雙(多)波長幹涉測量技術，擴大深度測量範圍；4、可完成透明顯微物體輪廓測量和變形檢測，也可實時監測活體透明顯微物體的形態變化；5、整個測量系統具有動態性好、非接觸、待測物質非製備的特點，裝置簡單緊湊，操作方便。
圖1是本發明一個實施例的結構框圖。
圖2是圖1示例的結構圖。
具體實施例方式
本發明的一個優先實施例詳述如下參見圖1，本數字全息顯微測量裝置由一個雷射分束系統(1)經一個顯微全息系統(2)連接一個物體顯微圖像數字記錄系統(3)構成，所述的顯微全息系統(2)由一個雷射分束系統(1)經一個全息顯微系統(2)連接一個物體顯微圖像數字記錄系統(3)構成，所述的全息顯微系統(2)由物光傳輸光路(5)、參考光傳輸光路(6)和數字全息圖記錄系統(7)組成，其特徵在於所述的全息顯微系統(2)的輸出還連接至一個物體顯微圖像目視系統(4)。
參見圖2，上述的物體顯微圖像目視系統(4)是由一個反射鏡(23)經一個成像鏡組(22)連接一個目鏡(19)構成。上述的雷射分束系統(1)是由一個可調諧半導體雷射器(8)經一個可調衰減片(9)、一個轉向反射鏡(10)和一個光纖耦合器(11)連接分束光纖組件；所述的分束光纖組件是連接光纖耦合器(11)輸出的一根光纖(12)經一個光纖分束器(13)連接二根分束光纖(14、15)構成。上述的物光傳輸光路(5)是由一個光纖調整架(16)進口連接所述的一根分束光纖(15)，而出口對準一個載物臺(17)上的樣本，下方對準安置顯微物鏡(21)和分光鏡(24)所構成。上述的參考光傳輸光路(6)的結構是所述的另一根分束光纖(14)連接一個光纖調整架(26)的輸入口，光纖調整架(26)輸出口經一個衰減片(27)和一個透鏡(28)對準數字全息圖記錄系統(7)的分光鏡(29)，光纖調整架(26)連接一個壓電陶瓷(25)，壓電陶瓷(25)連接一個壓電陶瓷控制器(32)，壓電陶瓷控制器(32)連接數字全息圖記錄系統(7)的計算機(33)。上述的數字全息圖記錄系統(7)的結構是一個分光鏡(29)輸入參考光和物光，輸出對準一個CCD攝像機(30)，CCD攝像機(30)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。上述的物體顯微圖像數字記錄系統(3)的結構是一個CCD攝像機(18)鏡頭對準一個處於物體顯微圖像目視系統(4)的成像鏡組(22)與目鏡(19)之間光路上的分光稜鏡膠合組(20)，CCD攝像機(18)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。
本裝置基本工作過程可調諧半導體雷射器(8)發出雷射經可調衰減片(9)和轉向反射鏡(10)進入光纖耦合器(11)，經光纖(12)和光纖分束器(13)，分為第一路分束光纖(14)和第二路分束光纖(15)。這兩束分束光之間要求保持一定的相干性和相同的偏振態及方向。第一路分束光纖(14)發出的光束經光纖調整架(26)、衰減片(27)和準直透鏡(28)，進入分光鏡(29)，作為參考光波。第二路分束光纖(15)經光纖調整架(16)後，照射載物臺(17)上的顯微樣本，經顯微物鏡(21)放大，形成物光波進入分光鏡(24)，反射進入分光鏡(29)和參考光波會合相干涉，形成全息圖由CCD(30)記錄。該CCD(30)要求安裝在可上下移動的接筒上，以實現記錄距離的改變。從分光鏡(24)透射出的物光波經轉向反射鏡(23)和成像鏡組(22)，進入分光稜鏡膠合組(20)，透射光進入目鏡(19)，進行物體顯微圖像觀察。分光稜鏡膠合組(20)的反射光波進入CCD(18)，完成物體顯微圖像的數字記錄。CCD(18)和CCD(30)經多通道圖像採集卡(31)，將全息圖和顯微圖像儲存於計算機(33)中。計算機(33)同時控制壓電陶瓷控制器(32)，產生電壓控制信號，推動壓電陶瓷(25)工作，改變參光光波，完成移相。
本發明裝置中，雷射器(8)的作用和相關要求是提供測量光源，可以是單頻雷射器，也可以是波長可調諧雷射器。利用單頻雷射器可以實現對相鄰採樣點深度差不超過一個波長的樣本測量；波長可調諧雷射器可提供不同波長雷射光源，可利用雙(多)波長技術，實現對相鄰採樣點深度差超過一個波長的樣本測量；本發明裝置中，可調衰減片(9)和(28)的作用和相關要求是實現對入射光束進行分光，要求兩束光強的分束比連續可調，得到合適的出射光束；本發明裝置中，光纖耦合器(11)的作用和相關要求是實現雷射光源與光纖的最佳耦合，獲得最大功率的傳輸光源。要求耦合器能實現六維精密可調；本發明裝置中，光纖分束器(13)的作用和相關要求是實現按不同比例(如3比7)將光纖光源進行分光，使得經不同路徑傳輸後相干涉的物光波和參光光波之比接近1比1；本發明裝置中，分光稜鏡膠合組(20)的作用和相關要求是實現45度的分光功能，目視方向的分光比比CCD接收方向的要大。要求為普通分光鏡。
本發明裝置中，顯微物鏡(21)的作用和相關要求是實現顯微樣本的倍率放大。要求設計上顯微物鏡可換，但不影響後續的信號接收；本發明裝置中，成像鏡組(22)的作用和相關要求是實現顯微物體的二次成像及成像光束口徑的調整；本發明裝置中，分光鏡(24)和分光鏡(29)的作用和相關要求是實現1比1的分光，要求為消偏振分光鏡；本發明裝置中，壓電陶瓷(25)的作用和相關要求是改變參考光波的位相，實現移相全息技術。要求壓電陶瓷線在一個波長的有效工作範圍內具有良好的線性度。
權利要求
1.一種數字全息顯微測量裝置，由一個雷射分束系統(1)經一個全息顯微系統(2)連接一個物體顯微圖像數字記錄系統(3)構成，所述的全息顯微系統(2)由物光傳輸光路(5)、參考光傳輸光路(6)和數字全息圖記錄系統(7)組成，其特徵在於所述的全息顯微系統(2)的輸出還連接至一個物體顯微圖像目視系統(4)。
2.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的物體顯微全息圖像目視系統(4)是由一個反射鏡(23)經一個成像鏡組(22)連接一個目鏡(19)構成。
3.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的雷射分束系統(1)是由一個可調諧半導體雷射器(8)經一個可調衰減片(9)、一個轉向反射鏡(10)和一個光纖耦合器(11)連接分束光纖組件；所述的分束光纖組件是連接光纖耦合器(11)輸出的一根光纖(12)經一個光纖分束器(13)連接二根分束光纖(14、15)構成。
4.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的物光傳輸光路(5)是由一個光纖調整架(16)進口連接所述的一根分束光纖(15)，而出口對準一個載物臺(17)上的樣本，下方對準安置顯微物鏡(21)和分光鏡(24)所構成。
5.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的參考光傳輸光路(6)的結構是所述的另一根分束光纖(14)連接一個光纖調整架(26)的輸入口，光纖調整架(26)輸出口經一個衰減片(27)和一個透鏡(28)對準數字全息圖記錄系統(7)的分光鏡(29)，光纖調整架(26)連接一個壓電陶瓷(25)，壓電陶瓷(25)連接一個壓電陶瓷控制器(32)，壓電陶瓷控制器(32)連接數字全息圖記錄系統(7)的計算機(33)。
6.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的數字全息圖記錄系統(7)的結構是一個分光鏡(29)輸入參考光和物光，輸出對準一個CCD攝像機(30)，CCD攝像機(30)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。
7.根據權力要求1所述的數字全息顯微測量裝置，其特徵在於所述的物體顯微圖像數字記錄系統(3)的結構是一個CCD攝像機(18)鏡頭對準一個處於物體顯微圖像目視系統(4)的成像鏡組(22)與目鏡(19)之間光路上的分光稜鏡膠合組(20)，CCD攝像機(18)的輸出經圖像採集卡(31)連接至計算機(33)。
全文摘要
本發明涉及一種數字全息顯微測量裝置。它由一個雷射分束系統經一個顯微全息系統連接一個物體顯微圖像數字記錄系統構成，所述的數字全息顯微系統由物光傳輸光路、參考光傳輸光路和數字全息圖記錄系統組成，全息顯微系統的輸出還連接至一個物體顯微圖像目視系統。本發明可實現透明顯微物體輪廓測量和變形檢測，也可監測透明顯微物體的形態變化，在測量中還可以實現物質顯微圖像的目視和數字記錄。在本裝置上可以實現基於數字全息顯微技術的透明物質顯微結構的非接觸式檢測，動態性好，且被測物質不需螢光、切片等製備。
文檔編號C12Q1/04GK1971253SQ200610117319
公開日2007年5月30日 申請日期2006年10月19日 優先權日2006年10月19日
發明者於瀛潔, 周文靜, 張之江, 倪萍, 鄭鵬 申請人:上海大學