CN102147233B - 基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，包括照明单元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，照明单元和显微单元分别放置在样品的两侧，照明单元包括激光器，设置在激光器前方的光强控制器；显微单元包括由显微物镜和第三透镜组成的第二望远镜单元，所述样品放置在第二望远镜单元的前焦面上；干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度控制单元；成像单元包括CCD相机，CCD相机放置在第七透镜的后焦面上。本发明具有稳定性好，对环境振动不敏感的优点。

Description

基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量微小物体三维形貌的相移数字全息显微装置。

背景技术

一般的显微镜只能观测微小物体的强度分布，对于透明物体的相位分布却无能为力。然而，被测物体的相位分布直接关联着被测物体的三维形貌，准确测量微小物体的相位分布具有重要意义。

瑞士Lunceetec公司开发出的DHM-1000数字全息显微镜，可以用于测量微小物体的相位分布。但其缺点是：1、采用离轴全息光路因而不能充分利用CCD相机的视场和分辨率；2、不能在光路中消除物镜引起的相位畸变，这为被测物体相位重构带来了困难与挑战；3、物光和参考光在空间上历经了不同的路径，所以环境振动对测量结果影响较大，降低了实验的可重复性。

西班牙Valencia大学的Mico教授提出一种对环境振动不敏感的全息显微光路。他们所提出的光路采用点光源照明，并利用一光栅将显微镜视场分成两半，一半用作物光，另一半被空置并用作参考光。由于物光和参考光经历了相同的光学元件，该光路具有对振动影响不敏感的优点，同时也具有了视场减半的缺点。

美国麻省理工学院的Popescu教授提出一种相衬显微光路。利用相位调制器来调制物光零频分量的相位，从而使物光的相位信息变成了强度信息。所提出的光路也具有对振动影响不敏感的优点。由于物光的零频频谱往往小于相位调制器的像素尺寸，调制区域在覆盖物光的零频频谱的同时，也覆盖了一部分低频频谱，因此相位调制降低了测量精度。

发明内容

本发明目的是提供一种基于光栅衍射的物参共路相移数字全息显微装置，其解决了现有技术对环境振动较敏感(稳定性差)、可重复性差、视场小、物镜引起相位畸变、测量精度差的技术问题。

本发明的技术解决方案为：

一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特殊之处是，包括照明单元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，所述照明单元和显微单元分别放置在样品的两侧，所述照明单元包括激光器，设置在激光器前方的光强控制器；所述显微单元包括由显微物镜和第三透镜组成的第二望远镜单元，所述样品放置在第二望远镜单元的前焦面上；所述干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度控制单元；所述分束单元包括放置在第三透镜后焦面上的第一光栅；所述滤波单元包括4f滤波系统，所述4f滤波系统包括第四透镜和第五透镜，以及设置在第四透镜和第五透镜共焦面上的第二针孔滤波器；所述合束单元包括放置在第五透镜后焦面上的第二光栅，由第六透镜和第七透镜组成的第三望远系统，以及设置在第六透镜和第七透镜共焦面上的光阑；所述对比度控制单元包括设置在第一光栅+1级衍射光光路上的第一偏振片、置于第一光栅-1级衍射光光路上第二偏振片，以及设置于第七透镜和CCD相机之间的第三偏振片；所述成像单元包括CCD相机，CCD相机放置在第七透镜的后焦面上。

上述显微装置包括设置于第三透镜和第一光栅之间的反射镜。

上述照明单元包括由透镜和组成的第一望远镜单元，以及设置在透镜和共焦面上的针孔滤波器。

上述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向正交。

上述第二针孔滤波器为加工在金属薄片上的小孔，所述金属薄片上还加工有可使-1级衍射光频谱全部通过的大孔。

上述第一光栅和第二光栅是振幅型光栅或相位型光栅，所述第二光栅的周期Λ₂和第一光栅的周期Λ₁满足以下关系：Λ₂＝Λ₁×V，其中V为两光栅中间4f滤波系统的放大率。

上述第一光栅和第二光栅是相位阶为π的二进制相位光栅。

上述激光器为波长处在可见光范围的激光器或红外激光器，所述CCD相机相应为可见光CCD相机或红外CCD相机。

上述激光器(1)为氦氖激光器。

本发明具有以下优点：

1、本发明因为装置中物光和参考光经历了相同的光学元件，所以该装置稳定性好，对环境振动不敏感。

2、本发明采用同轴全息光路，物光和参考光垂直照射CCD相机，该装置充分利用了CCD相机的视场和分辨率。

3、本发明采用了适宜的相移方法---通过移动光栅来实现相移。由于物光和参考光都经过了光栅，所以移动光栅实施相移后条纹可以很快稳定下来。

4、本发明所涉及的相移方法具有消色差特性。每次移动光栅1/4个光栅周期可得到π/2的相移，相移操作对波长不具有依赖性。

5、因为物参共路的结构降低了装置对光源相干性(单色性)的要求，同时相移操作对波长也不具有依赖性，所以相对于其它光路，本发明所提出的光路对光源单色性要求较低(可采用扩展光源照明)。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为本发明另一种结构示意图。

图3为本发明滤波单元局部放大图。

图4至图7为微透镜阵列的四步相移干涉图样。

图8为数字再现的微透镜阵列的厚度三维分布图。

附图标记如下：

1-激光器，2-光强控制器，3-第一透镜，4-第一针孔滤波器，5-第二透镜，6-样品，7-显微物镜，8-第三透镜，9-第一光栅，10-第四透镜，11-第-偏振片，12-第二偏振片，13-第二针孔滤波器，14-第五透镜，15-第二光栅，16-第六透镜，17-光阑，18-第七透镜，19-第三偏振片，20-CCD相机，21-反射镜。

具体实施方式

本发明所包含的部件功能如下：

1、激光器1，波长在可见光范围，输出激光功率稳定，用于照明待测样品。

2、光强控制器2，可以为连续可调的衰减器，也可以为两个平行放置的偏振片(第二个偏振片用于固定照明光的偏振方向，旋转第一个偏振片来调节照明光的光强)。

3、第一透镜3、第二透镜5、第三透镜8、第四透镜10、第五透镜14、第六透镜16、第七透镜18，要求为消球差透镜。

4、第二针孔滤波器13。为了方便安装固定，可以在一块金属薄片加工出一小孔和一大孔。小孔即第二针孔滤波器13应具有合适直径用于对+1级衍射光进行低通滤波，应能保证滤波后的光束在CCD相机视场内光强均匀。大孔用来使-1级衍射光频谱全部通过。

5、第一光栅9，可以为振幅光栅也可以为相位光栅。为了提高光强利用率，最好选用二进制相位光栅(相位阶为π的Ronchi相位光栅)。二进制相位光栅在±1级上具有较高衍射效率。

6、第一偏振片11、第二偏振片12的偏振方向正交。若入射光为线偏振光，这两个偏振片方向最好与入射光的偏振方向分别成45°角和-45°角。

7、光阑17，孔径大小适宜，既能保全沿轴向方向传播光束的频谱，又可以滤掉沿其它方向传播的光束。

8、CCD相机20，一般为黑白CCD相机，具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。

本发明所提出的光路如图1所示。激光器1发出的激光经过光强控制器2后，被一个由第一透镜3和第二透镜5组成的第一望远镜单元扩束准直成平行光。放置在第一透镜3的后焦面上的第一针孔滤波器4对光束进行低通滤波，用以提高照明光束质量。样品6放在由显微物镜7和第三透镜8组成的第二望远镜单元的前焦面上，因此放大的实像将出现在第二望远镜单元的后焦面上。第一光栅9放置在该像面上，通过衍射将物光复制成完全相同的几份沿各个衍射级方向传播。各级衍射光通过由第四透镜10和第五透镜14组成的4f滤波系统，它们的频谱在第四透镜10的后焦平面上。偏振方向正交的第一偏振片11、第二偏振片12分别置于+1和-1级衍射光的频谱面之前。+1级衍射光受到位于其频谱面上的第二针孔滤波器13的小孔滤波，经过第五透镜14后变成平行光(作为参考光)。-1级衍射光直接通过第二针孔滤波器13的大孔，经过第五透镜14后变成平行光(作为物光)。在第五透镜14的后焦面上，垂直于光轴放置一个与第一光栅9完全相同的第二光栅15。将经过第二光栅15前的-1级衍射光和滤波后的+1级衍射光分别记为O_-1和O_1f，两者经第二光栅15衍射后，将各自产生不同的衍射光。其中，O_-1的+1衍射光和O_1f的-1级衍射光分别沿光轴方向传播并且被分别用作物光和参考光。其它衍射级被设置在第六透镜16后焦平面上的光阑17滤掉。最后第六透镜16和第七透镜18组成一个第三望远镜单元，对物光和参考光进行放大。CCD相机20放在第七透镜18的后焦平面上来接收物光和参考光的干涉图样。旋转第三偏振片可以调整物光和参考光的相对光强，从而调整干涉条纹的对比度。综上所述：由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，因此该装置对环境的振动影响较小。同时，光路中采用由显微物镜和长焦距透镜组成的望远系统对样品进行放大显微，物光经该系统后仍然是平行光，因此消除了物镜引入的附加相位。

图1所示光路为线性走向，虽然结构简单但占空间较大。为了减小装置的体积，可以在光路中加入反射镜21来折转光路，如图2所示。

本发明原理如下：

第一光栅9的复透过率可以展开为傅立叶级数：

$\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(x\right)=\underset{l=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_l\exp \left(\mathrm{ilKx}\right),$

$a_l=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\widetilde{\mathrm{\τ}}\exp (-\mathrm{ilKx})d\left(\mathrm{Kx}\right).---\left(1\right)$

这里，l为表示衍射级，K＝2π/Λ₁为光栅矢量，Λ₁为光栅周期，a_l为傅立叶系数。通过对公式(1)的数值计算可知，对于本发明中使用的Ronchi第一光栅9的±1级衍射光分别具有40.5％的衍射效率，他们分别被有效地用作参考光和物光。若将第一光栅9入射面的物光记为O_I(x，y)，那么光栅±1级衍射光的复振幅可以分别写为：

$\left\{\begin{array}{c}{O}_{+1}(x,y)=O_I(x,y)\·a_1\exp \left(\mathrm{iKx}\right),\\ O_{-1}(x,y)=O_I(x,y)\·a_{-1}\exp (-\mathrm{iKx}).\end{array}\right.---\left(2\right)$

如图3所示，第二针孔滤波器13对+1级衍射光进行低通滤波(即滤掉样品的高频信息，只保留照明光的零频信息)。滤波后+1级衍射光经过第五透镜14变成平行光(作为参考光)，其复振幅可以表示为：

O_1f(x，y)＝O₀·a₁exp(iKx).                (3)

其中O₀表示物光通过频谱滤波所得到的平面照明光的复振幅。由于第二光栅15和第一光栅9完全相同，两者仅在光栅矢量方向上相差Δx，因此第二光栅15的复透过率可以表示为

O_-1和O_1f经过第二光栅15衍射产生不同的衍射光沿不同方向传播，其中O_-1的+1衍射光和O_1f的-1级衍射光分别沿光轴方向传播并且被分别用作物光和参考光，它们的复振幅为：

$\left\{\begin{array}{c}O(x,y)=O_{-1}\·a_1\exp \left[\mathrm{iK}(x+\mathrm{\Δx})\right]=O_I(x,y)T_O\exp \left(\mathrm{iK\Δx}\right);\\ R(x,y)=O_{1f}\·a_{-1}\exp [-\mathrm{iK}(x+\mathrm{\Δx})]=T_R\exp (-\mathrm{iK\Δx}).\end{array}\right.---\left(4\right)$

这里，T_O＝a₁a_-1，T_R＝a₁a_-1O₀，可以认为是滤波系统(10)～(14)对物光和参考光的有效透过率。通过第三望远镜单元的放大，CCD相机面上的干涉条纹的强度分布可以表示为：

这里，O’＝(1/M)O(-x’/M，-y’/M)，R’＝(1/M)R(-x’/M，-y’/M)，x和y为第二光栅15所在平面的空间坐标，x’和y’为CCD相机面上的空间坐标，M＝f₆/f₅为第三望远镜单元的放大率；

是待测样品的相位分布。从(5)式可以看出：当第二光栅15在光栅矢量方向上移动Δx，物参光将会产生相位差2KΔx，我们利用该原理来实现相移。

为了实现相移，本发明采取以下方法：

本发明相移操作：将第二光栅15固定在电动平移台上，保证光栅矢量方向与电动平移台的运动方向平行。沿光栅矢量方向移动第二光栅15，可以产生物参光的之间的相移。

光栅移动距离和产生的相移量之间的定量关系：若第二光栅15移动Δx，则物参光的相移量为：2KΔx。其中K＝2π/Λ₂，Λ₂为第二光栅15的周期。例如，每当平移台移动1/8个光栅周期，即Λ₂/8，物光和参考光之间将会出现π/2的相位差。

实施例：以一微透镜阵列作为被测样品；激光器1为He-Ne激光(λ＝633nm)；第一望远镜单元的放大倍率为15X。显微物镜7的放大倍率为10X，数值孔径NA＝0.3。第三透镜8焦距f₂＝200mm；第四透镜10和第五透镜14的焦距分别为f₃＝f₄＝80mm，第六透镜16的焦距为f₅＝100mm，第七透镜18的焦距为f₆＝300mm。第二针孔滤波器的小孔直径为20μm；第一光栅9和第二光栅15的周期Λ₁＝Λ₂＝15μm。第一光栅9所在平面物光的最大频谱v_max＝NA/(M₂λ)3.2×10⁴m^-1，M₂为第二望远镜单元的放大倍率。因为1/Λ₁＞2v_max，所以该装置可以在保留物镜最大分辨率的前提下分开不同衍射光的频谱，以便独立地对+1级衍射光进行滤波。

依次在第二光栅15矢量方向上移动平台0，1.875μm(Λ/8)，3.75μm(Λ/4)，5.625μm(3Λ/8)，从而得到微透镜阵列的四步相移干涉图样，如图4至图7所示。图4至图7中的相移量依次为0，π/2，π，3π/2。通过标准的四步相移理论，可以得到被测微透镜阵列(折射率n＝1.45704)的三维厚度分布，如图8所示。

Claims (5)

1.一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于：包括照明单元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，所述照明单元和显微单元分别放置在样品（6）的两侧，

所述照明单元包括激光器（1），设置在激光器（1）前方的光强控制器（2），由第一透镜（3）和第二透镜（5）组成的第一望远镜单元，以及设置在第一透镜（3）和第二透镜（5）共焦面上的第一针孔滤波器（4）；

所述显微单元包括由显微物镜（7）和第三透镜（8）组成的第二望远镜单元，所述样品（6）放置在第二望远镜单元的前焦面上；

所述干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度控制单元；

所述分束单元包括放置在第三透镜（8）后焦面上的第一光栅（9）；

所述滤波单元包括4f滤波系统，所述4f滤波系统包括第四透镜（10）和第五透镜（14），以及设置在第四透镜（10）和第五透镜（14）共焦面上的第二针孔滤波器（13）；所述第二针孔滤波器（13）为加工在金属薄片上的小孔，所述金属薄片上还加工有可使-1级衍射光频谱全部通过的大孔；

所述合束单元包括放置在第五透镜（14）后焦面上的第二光栅（15），由第六透镜（16）和第七透镜（18）组成的第三望远系统，以及设置在第六透镜（16）和第七透镜（18）共焦面上的光阑（17）；

所述对比度控制单元包括设置在第一光栅（9）+1级衍射光光路上的第一偏振片（11）、置于第一光栅（9）-1级衍射光光路上第二偏振片（12），以及设置于第七透镜（18）和CCD相机（20）之间的第三偏振片（19）；所述第一偏振片（11）和第二偏振片（12）的偏振方向正交；

所述第一光栅（9）和第二光栅（15）是振幅型光栅或相位型光栅，所述第二光栅（15）的周期Λ₂和第一光栅（9）的周期

满足以下关系：Λ₂=Λ₁×V，其中V为两光栅中间4f滤波系统的放大率；

所述成像单元包括CCD相机（20），CCD相机（20）放置在第七透镜（18）的后焦面上。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于：

所述显微装置包括设置于第三透镜（8）和第一光栅（9）之间的反射镜（21）。

3.根据权利要求1或2所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于：所述第一光栅（9）和第二光栅（15）是相位阶为π的二进制相位光栅。

4.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于：所述激光器（1）为波长处在可见光范围的激光器或红外激光器，所述CCD相机（20）相应为可见光CCD相机或红外CCD相机。

5.根据权利要求4所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于：所述激光器（1）为氦氖激光器。

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