CN107305289B - 一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微区空间相干图样的光学系统，该系统包括沿光路依次设置的显微镜(2)、第一全反镜(3)、第一透镜(4)、双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)、第二全反镜(9)；该系统还包括沿第二全反镜(9)的反射光路上依次设置的成像透镜(11)、第三全反镜(13)、第二双缝干涉成像透镜(14)和电荷耦合器件(16)；双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜、成像透镜和第二双缝干涉成像透镜为可移动元件，通过各可移动元件在光路上的放置或去除形成不同的光学路径。本发明还提出了该系统的工作方法。该系统和方法能通过干涉图样的采集来测量微纳尺度下的光源的空间相干性以及相干面积，弥补现有光学显微系统的不足。

Description

一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像领域，具体涉及一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法。

背景技术

具有空间相干性的光源在照明、显示、测量以及信息处理等方面已经展现出极其重要的应用价值。光源在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在一定空间范围内的光波才有相对固定的相位差，使得只有一定空间内的光波才是相干的，这种特性叫做波的空间相干性。研究光源的空间相干性，不仅有利于设计和制备不同结构和不同尺度的高质量相干光源，而且有利于通过相干性质反过来研究发光物质的形态和属性。目前用来研究光场空间相干性的典型装置是杨氏双缝，它可用来比较两个狭缝处光场的相位关系。从狭缝出来的两束光在相遇区域若满足振动方向相同、振动频率相同、相位相同或相位差保持恒定，那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。

随着微纳米技术的飞速发展，对光与物质相互作用的研究进入微纳尺度的领域，使纳米光子学得到极大发展。纳米光子学领域所发现的一些独特的光子学性质，使其有可能应用于具有快速、低损耗、高带宽等信息处理的集成光子学回路。对微纳尺度光源的性质研究以及通过光学现象来研究微纳尺度的发光物质的形态，可以指导相关人员设计和制备新颖的光子学器件，推动光子学领域的发展。显微镜技术是微纳米领域非常重要的研究观测手段，它利用不同的成像原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，供人们提取微细结构的信息。光学显微镜是最古老的一种，也是其他各类显微镜的基础，在微纳米技术及其分支学科中的研究及应用极其广泛，对微纳米相关技术以及光学性质的研究发展起到了重要的推动作用。

利用已有的光学显微镜系统可以采集样品的明场图像以及荧光显微图像，结合光谱仪可以表征材料的发光性质，如荧光、拉曼、倍频等线性/非线性光学性质。但是基于目前的系统来研究微纳尺度下光源的空间相干性，或者利用相干性来研究物质形态都存在诸多挑战。由于存在衍射极限，光学显微镜的分辨率在亚微米量级，为了提高其分辨率，人们利用激光诱导材料自身的光学信号，在收集光路中加入微孔对激光光斑以外的区域进行遮挡。虽然这种方法显著提高了光学分辨率及成像质量，但是也存在显著的不足之处。通过微孔收集到的信号来自于激光激发的整体区域，而对空间相干性的测试，需要在这个整体区域内精确的选择两个微小的区域，对这两个区域的发射光进行相干性研究。而目前的显微系统存在两个主要挑战：1)如何精确的选择感兴趣的两个区域进行测量；2)如何对这两个区域出射的光信号进行相干图样的采集以及光谱的测量。因此需要在显微镜的成像及信号采集光路上进一步发展和创新。

发明内容

为了解决常规光学显微技术在进行微纳样品光学表征时选择区域的盲目性以及光学性质测量的局限性，本发明提供了一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法，该系统和方法可精确选择微纳光源两个不同区域进行空间干涉图样，能够判别微纳光源是否具有空间相干性，并测量其相干面积，弥补现有光学显微技术的不足。

本发明提出的一种用于微区空间相干图样的光学系统，该系统包括沿光路依次设置的显微镜、第一全反镜、第一透镜、双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜；该系统还包括沿第二全反镜的反射光路上依次设置的成像透镜、第三全反镜、第二双缝干涉成像透镜和电荷耦合器件；其中，双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜、成像透镜和第二双缝干涉成像透镜为可移动元件，通过各可移动元件在光路上的放置或去除形成不同的光学路径。

进一步地，该系统还包括沿第一全反镜的反射光路并在第二全反镜后依次设置的第四全反镜、第二透镜和光纤接口，当所述第二全反镜从光路上去除时，原本经第二全反镜反射的光经第四全反镜反射后经过第二透镜和光纤接口。

进一步地，该系统还包括转盘和三维平移台，所述双缝在转盘上可拆卸安装，调节转盘能够使双缝转动到任意角度，三维平移台能够使双缝在前后、左右、上下三个维度上移动，从而通过转盘和三维平移台调节所述双缝的位置。

进一步地，所述双缝所处平面与样品面共轭，通过双缝在其所处平面上进行位置调整，选择目标区域。

进一步地，工作时，所述双缝位于第一透镜的焦点，该焦点位于样品面的共轭面。

进一步地，所述双缝的两个狭缝尺寸相同。

进一步地，所述不同的光学路径包括第一光路，通过将第一双缝干涉成像透镜和第二双缝干涉成像透镜从光路中去除，将双缝、第二全反镜和成像透镜放置在光路上，形成所述第一光路。

进一步地，所述不同的光学路径包括第二光路，通过将成像透镜光路上去除，将双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜和第二双缝干涉成像透镜放置在光路上，形成所述第二光路。

进一步地，所述不同的光学路径包括第三光路，通过将双缝、第一双缝干涉成像透镜和第二全反镜去除，将成像透镜和第二双缝干涉成像透镜放置在光路上，形成所述第三光路。

本发明还提出一种如前所述的用于微区空间相干图样的光学系统的工作方法，所述方法包括：在光路中放置或去除双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜、成像透镜和/或第二双缝干涉成像透镜，在显微镜出光位置后方形成不同的光学路径。

本发明的有益效果：

(1)本发明的用于微区空间相干图样的光学系统，可有效地实现微观观测区域的实时监控，配合双缝，能够精确阻挡兴趣点之外的图像，仅选择感兴趣的两个微区用来采集空间干涉条纹图像以及相应的光谱。因此该系统能测量微纳尺度下的光源的空间相干性，以及判别微纳光源是否具有空间相干性，为微纳光源性质的研究和新型光源的设计提供一种有效的手段。

(2)由于双缝的位置可以任意调节，该系统能够测量各种形状发光物体的出射光的空间相干性，如一维、圆形、方形、以及其它不规则形状的发光体。更重要的是，对于未知发光物体，配合不同参数的双缝，精确调节双缝的位置，对目标物体的各个微小区域进行空间相干性测试，可确定发光物体的空间相干性形成的具体部位，借此手段，让人们有机会更深入的研究微纳光源的特性，亦弥补现有光学显微技术的不足。

(3)该系统利用具有不同间距的双缝，可实现干涉面积的测量，这对于发光物体的形态研究具有重要意义。例如，此方法可以用来研究某些可辐射光子的玻色子向凝聚态发展的整个过程，通过空间相干性的形成，以及形成后的相干面积的测量，可以让我们实时监控物质形态的变化。

附图说明

图1是本发明的用于微区空间相干图样的光学系统的结构示意图。

图2是本发明的用于微区空间相干图样的光学系统的外观图。

图3是本发明的用于微区空间相干图样的光学系统的第一光路的示意图。

图4是本发明的用于微区空间相干图样的光学系统的第二光路的示意图。

图5是本发明的用于微区空间相干图样的光学系统的第三光路的示意图。

图中对应部件名称：1-样品、2-显微镜、3-全反镜、4-透镜、5-双缝、6-转盘和三维平移台、7-双缝干涉成像透镜、8-滑动导轨、9-全反镜、10-滑动导轨、11-成像透镜、12-滑动导轨、13-全反镜、14-双缝干涉成像透镜、15-滑动导轨、16-电荷耦合器件(CCD)、17-全反镜、18-透镜、19-光纤接口。

具体实施方式

本发明通过如下具体实施例进行详细说明。但本领域技术人员理解，下述实施例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。

本发明提出的一种用于微区空间相干图样的光学系统采用光学显微成像技术，通过在相面上引入可调节双缝对进入CCD及光路的光进行选择性遮挡，引入透镜组及光学成像CCD、显示屏，将样品以及双缝的图像导入成像CCD，并将信号输入显示屏进行实时监控，通过移动双缝，选取感兴趣的区域；利用滑动导轨，能够使选定区域的出射光通过双缝形成干涉条纹并进入CCD成像，或者进入光纤接口进行光谱采集等操作。下面结合图1和2所示的结构示意图对本发明提出的用于微区空间相干图样的光学系统进行介绍。

该用于微区空间相干图样的光学系统包括：显微镜2、全反镜3、透镜4、双缝5、转盘和三维平移台6、双缝干涉成像透镜7、滑动导轨8、全反镜9、滑动导轨10、成像透镜11、滑动导轨12、全反镜13、双缝干涉成像透镜14、滑动导轨15、电荷耦合器件(CCD)16、全反镜17、透镜18、光纤接口19以及视频输出线和显示屏(图中未示出)。该用于微区空间相干图样的光学系统工作时，样品1置于显微镜2下方。在图1和图2中，该显微镜2给出了镜头的实施例，但本领域技术人员知晓该显微镜2并不局限于镜头。

双缝5、双缝干涉成像透镜7、全反镜9、成像透镜11和双缝干涉成像透镜14为可移动元件。显微镜2、全反镜3、透镜4、电荷耦合器件(CCD)16、全反镜17、透镜18、光纤接口19为固定元件。通过可移动元件的组合形成不同的光路，实现不同的功能，该内容将在后续描述。

所述双缝5所处平面与样品面共轭，双缝5在此共轭面上进行位置调整，选择目标区域。工作时，所述双缝位于透镜4的焦点，此焦点位于样品面的共轭面。所述双缝的两个狭缝尺寸相同，长宽可根据需要设计，双缝间距可根据需要设计。该用于微区空间相干图样的光学系统包括一系列预制的具有不同参数的双缝，也可根据不同需求定制。所述双缝在圆形或方形薄片上加工得到。所述双缝在转盘上可拆卸和安装，优选地，所述转盘上有螺孔和卡片，用于固定双缝5。所述双缝的位置可通过转盘和三维平移台调节，调节转盘可以使双缝转动到任意角度，而三维平移台可以在前后、左右、上下三个维度上移动，二者相结合可以使双缝精确对准任何位置的目标区域。所述三维平移台为XYZ三维平移台，优选采用交叉滚柱导轨的XYX三维平移台。

所述三维平移台的侧面安装一平板，平板上有螺孔，用于固定转盘。

所述三维平移台的功能还包括调节双缝5在光路上的前后位置，使得双缝5处于样品1的图像面所在的共轭平面。

所述双缝干涉成像透镜7可移动安装在滑动导轨8上，通过推拉所述双缝干涉成像透镜7在滑动导轨8上滑动进行双缝干涉成像透镜7移入和移出光路操作。

全反镜9可移动安装在滑动导轨10上，通过推拉全反镜9在滑动导轨10上滑动进行全反镜9移入和移出光路操作。

成像透镜11可移动安装在滑动导轨12上，通过推拉成像透镜11在滑动导轨12上滑动进行成像透镜11移入和移出光路操作。

双缝干涉成像透镜14可移动安装在滑动导轨15上，通过推拉双缝干涉成像透镜14在滑动导轨15上滑动进行双缝干涉成像透镜14移入和移出光路操作。

所述滑动导轨8、10、12、15可为圆型滚珠直线导轨、精密方型滚珠直线导轨、滚珠直线滑块、精密直线导套、金属保持架直线导套、精密法兰直线导套、精密直线导轴、不锈钢直线导轴。优选地，所述滑动导轨为直线滑动单元支撑，支撑有螺孔，用于固定透镜或反射镜。本领域技术人员知晓，上述可移动元件在光路中的放置或去除，本领域技术人员知晓，上述可移动元件还有其他移入或移出光路的方式，并不局限于上述实施例列举的情形，例如还可以采用可拆卸安装、可转动安装等方式，保证可移动元件放置或不放置在光路中。

所述滑动导轨、转盘和三维平移台、固定的透射镜和反射镜、CCD、光纤接口统一安装于同一光学面板上并对准显微镜2的出光位置，优选地，光学面板侧立于显微镜出光口位置。另外，所述光学面板上可用接杆和螺丝固定光学调整架，调整架内安装前述透镜或反射镜，或通过滑动导轨安装前述透镜或反射镜，滑动导轨通过螺丝固定于光学面板上。

在光学面板上可额外设置一托盘。优选地，该托盘固定在光学面板一侧。该托盘可以放置小型外置设备及元件，如显示屏、滤光片、物镜等。

通过移动上述可移动元件进行移入光路和移出光路操作，可以实现不同的光路，并能实现对应的功能，下面仅以图3、图4和图5所示的内容为例，对移动上述可移动元件所形成的光路进行描述。

实施例1：

在本实施例中，将双缝干涉成像透镜7和双缝干涉成像透镜14移出，将双缝5安装，将全反镜9和成像透镜11移入，该用于微区空间相干图样的光学系统形成第一光路，如图3所示，该第一光路为监控成像光路，主要包括的部件有：显微镜2、全反镜3、透镜4、双缝5、全反镜9、成像透镜11、全反镜13、电荷耦合器件(CCD)16、视频输出线和显示屏(图中未示出)。显微镜2采集待测样品1的图像，依次经过全反镜3、透镜4、双缝5、全反镜9、成像透镜11、全反镜13、电荷耦合器件(CCD)16处理后，再经视频输出线将该图像信号输出至显示屏。第一光路通过对显微区域进行实时监控，选择特定参数的双缝并调节双缝位置，可精确选择微纳光源的两个测定区域。

实施例2：

在本实施例中，将成像透镜11移出，将双缝5安装，将双缝干涉透镜7、全反镜9和双缝干涉透镜14移入，该用于微区空间相干图样的光学系统形成第二光路，如图4所示，该第二光路主要包括的部件有：显微镜2、全反镜3、透镜4、双缝5、双缝干涉成像透镜7、全反镜9、全反镜13、双缝干涉成像透镜14、电荷耦合器件(CCD)16以及视频输出线和显示屏(图中未示出)。第二光路可实现双缝所选定的两个微区的出射光的相干性测试，若具有空间相干性，则形成干涉条纹，并在CCD上成像，可通过显示屏观测，并可利用电荷耦合器件(CCD)16采集干涉条纹图像。

通过安装不同参数的双缝，并通过第一光路和第二光路的相互切换，实现样品的空间相干性或相干面积的测量。

实施例3：

在本实施例中，拆下双缝5，移出双缝干涉成像透镜7和全反镜9，移入成像透镜11和双缝干涉透镜14，该用于微区空间相干图样的光学系统形成第三光路，如图5所示，该第三光路主要包括的部件有：显微镜2、全反镜3、透镜4、全反镜17、透镜18、光纤接口19。第三光路可采集样品的显微光谱，通过使显微镜出射光进入信号输出装置，进入自由空间，方便后续的光谱采集。

本发明中给出的光路仅是示例性的描述，各光路中也可以根据需要增加光路元件，以提高光路品质。

本发明还提出了一种微区空间相干图样的成像/采谱方法，所述方法采用光学成像技术，通过移入或移出双缝5、双缝干涉成像透镜7、全反镜9、成像透镜11和/或双缝干涉成像透镜14，在显微镜出光位置后方形成不同的光路。其中与前述系统相同的内容，在此不再赘述。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微区空间相干图样的光学系统，该系统包括沿光路依次设置的第一全反镜(3)、第一透镜(4)、双缝(5)和第一双缝干涉成像透镜(7)，其特征在于，该系统还包括沿光路在第一全反镜(3)前设置有显微镜(2)，以及在第一双缝干涉成像透镜(7)后设置有第二全反镜(9)；该系统还包括沿第二全反镜(9)的反射光路上依次设置的成像透镜(11)、第三全反镜(13)、第二双缝干涉成像透镜(14)和电荷耦合器件(16)；其中，双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)、第二全反镜(9)、成像透镜(11)和第二双缝干涉成像透镜(14)为可移动元件，通过各可移动元件在光路上的放置或去除形成不同的光学路径。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括沿第一全反镜(3)的反射光路并在第二全反镜(9)后依次设置的第四全反镜(17)、第二透镜(18)和光纤接口(19)，当所述第二全反镜(9)从光路上去除时，原本经第二全反镜(9)反射的光经第四全反镜(17)反射后经过第二透镜(18)和光纤接口(19)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括转盘和三维平移台(6)，所述双缝在转盘上可拆卸安装，调节转盘能够使双缝转动到任意角度，三维平移台能够使双缝在前后、左右、上下三个维度上移动，从而通过转盘和三维平移台调节所述双缝的位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双缝(5)所处平面与样品面共轭，通过双缝(5)在其所处平面上进行位置调整，选择目标区域。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，工作时，所述双缝位于第一透镜(4)的焦点，该焦点位于样品面的共轭面。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双缝的两个狭缝尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不同的光学路径包括第一光路，通过将第一双缝干涉成像透镜(7)和第二双缝干涉成像透镜(14)从光路中去除，将双缝(5)、第二全反镜(9)和成像透镜(11)放置在光路上，形成所述第一光路。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不同的光学路径包括第二光路，通过将成像透镜(11)从光路上去除，将双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)、第二全反镜(9)和第二双缝干涉成像透镜(14)放置在光路上，形成所述第二光路。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不同的光学路径包括第三光路，通过将双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)和第二全反镜(9)去除，将成像透镜(11)和第二双缝干涉成像透镜(14)放置在光路上，形成所述第三光路。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的用于微区空间相干图样的光学系统的工作方法，其特征在于，所述方法包括：在光路中放置或去除双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)、第二全反镜(9)、成像透镜(11)和/或第二双缝干涉成像透镜(14)，在显微镜出光位置后方形成不同的光学路径。