CN107966110A

CN107966110A - 一种双模态数字全息显微装置

Info

Publication number: CN107966110A
Application number: CN201711162580.4A
Authority: CN
Inventors: 文永富; 陈欣; 程灏波
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-04-27

Abstract

本发明公开了一种双模态数字全息显微装置，包括：光源、扩束准直系统、第一立方分束镜、第一挡板、第一平面反射镜、第一显微物镜、第二立方分束镜、第二显微物镜、第二平面反射镜、第二挡板、第三平面反射镜、消色差透镜、第三立方分束镜和摄像器件。其中，光源发出的光束经过扩束准直系统后被第一立方分束镜分成透射和反射两路光束。通过控制第一挡板和第二挡板对光束传播路径进行控制，从而实现反射式和透射式两种测量模态的切换。本发明装置既可以用于透明样品的三维显微成像，也可用于反射式样品表面三维显微成像，具有测试方便、结构简凑的特点，能够更广泛地应用到工程实际测量领域中。

Description

一种双模态数字全息显微装置

技术领域

本发明属于光学测量、数字全息成像技术领域，具体涉及一种双模态数字全息显微装置。

背景技术

数字全息(Digital Holography)，是普通全息术、计算机技术、电子摄像技术相结合的产物。与普通全息术不同的是，数字全息术采用CCD、CMOS等电子摄像器件代替全息干版来记录全息图，并将记录的全息图存入计算机。然后，利用数值计算方法对存入计算机的全息图进行全息再现。数字全息具有所需曝光时间短，能够实现视频下的连续实时在线全息记录以及可以同时得到物光波的强度分布图和位相分布图等优点。

随着半导体和微电子技术的发展，CCD和CMOS性能的不断提高，以及计算机技术的发展，数字全息显微技术受到越来越多的关注，应用前景也越来越广泛。在对被测样品进行测量时，数字全息显微技术具有非接触、无损伤、高分辨率以及处理迅速等优点。目前，已广泛应用于微结构形貌测量、生物细胞成像和微流控测量等领域。

目前，数字全息显微装置主要有透射式和反射式两种测量模态。其中，透射式测量模态用于透明样品内部的3D显微成像；反射式测量模态用于反射式样品表面3D显微成像。无论哪种测量模态，都需要光源、透镜、立方分束棱镜、反射镜等光学元件组成复杂的光路，而且只能对同一种类型的样品进行测量。比如中国发明专利CN 105159043A和CN105242512A示出的数字全息显微成像装置，设备结构单一，当测试反射和透射式样品时，需要提供不同的测量设备，成本高，不利于系统集成化，因而在工程实际中的推广和应用受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双模态数字全息显微装置，将透射式和反射式两种测量模态集成到一起，既可以实现对透明样品内部3D显微成像，也可以对反射式样品的表面进行3D显微成像，节约成本，测试方便，便于推广和实际应用。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双模态数字全息显微装置，包括光源、扩束准直系统、第一立方分束镜、第一挡板、第一平面反射镜、第一显微物镜、第二立方分束镜、第二显微物镜、第二平面反射镜、第二挡板、第三平面反射镜、消色差透镜、第三立方分束镜和摄像器件。所述的扩束准直系统由两个透镜组成，而且，第二显微物镜和第一显微物镜具有相同的结构参数，此外消色差透镜的后焦点与第一显微物镜的前焦点重合；其中，第一立方分束镜将经过扩束准直后的光束分成透射和反射两路光束。针对不同类型的待测样品，可以通过控制第一挡板和第二挡板，选择合适的测量模态。两种测量模态的具体操作过程如下：

当对透明样品内部进行3D显微成像时，控制第一挡板，允许由第一立方分束镜透射的光束通过，同时控制第二挡板，对由第二平面反射镜反射的光束进行阻挡。透射光束经过第一平面反射镜反射照射待测样品，透过待测样品的平行光束被第一显微物镜收集，由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜反射后照射到摄像器件的成像面，这一路称为物光光路；另一路反射光束经过第二立方分束镜反射后被第二显微物镜收集，同样由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜透过后照射到成像器件的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件记录下来；最后通过数字全息重构算法得到透明样品的三维形貌。

当对反射样品的表面进行3D成像时，控制第二挡板，允许由第二平面反射镜反射的光束通过，同时控制第一挡板，对由第一立方分束镜透射的光束进行阻挡。通过第一立方分束镜反射的光束经过第二立方分束镜也分成了两路，其中一路平行光依次经过第二平面反射镜和第三平面反射镜并由消色差透镜会聚到第一显微物镜像方焦平面上，通过显微物镜再次转换成平行光照射到待测样品，然后被待测样品反射的光经过第一显微物镜以及第三立方分束镜后照射到摄像器件的成像面，称为物光光路；另外一路被第二显微物镜收集并经过第三立方分束镜透过后照射到摄像器件的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件记录下来；最后通过数字全息重构算法得到反射样品表面的三维形貌。

所述的扩束准直系统由第一透镜、小孔光阑和第二透镜组成，扩束准直系统能够对光源发出的光进行扩束准直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种双模态数字全息显微装置，将透射式和反射式两种测量模态集成在一起，并利用数字全息技术实现显微图像的记录，测试方便，成本低廉，有利于数字全息显微测量技术在工程实践中的推广与应用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

1–光源；2–扩束准直系统；3–第一立方分束镜；4–第一挡板；5–第一平面反射镜；6–待测样品；7–第一显微物镜；8–第二立方分束镜；9–第二显微物镜；10–第二平面反射镜；11–第二挡板；12–第三平面反射镜；13–消色差透镜；14–第三立方分束镜；15–摄像器件；16–第一透镜；17–小孔光阑；18–第二透镜。

附图说明

图1示出了本发明的一种双模态数字全息显微装置的结构示意图；

图2示出了本发明的一种双模态数字全息显微装置的透射式测量模态下的光路示意图；

图3示出了本发明的一种双模态数字全息显微装置的反射式测量模态下的光路示意图；

图4(a)-(b)示出了利用本发明的一种双模态数字全息显微装置对洋葱细胞进行数字全息显微成像的结果；图4(a)是数字全息显微镜拍摄到的数字全息图；图4(b)是经过数字全息重构后得到的洋葱细胞光强分布图；

图5(a)-(b)示出了利用本发明的一种双模态数字全息显微装置对反射式晶圆表面进行数字全息显微成像的结果；图5(a)是数字全息显微镜拍摄到的数字全息图；图5(b)是经过数字全息重构后得到的晶圆表面光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步详细介绍本发明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。

结合图1，本发明双模态数字全息显微装置包括光源1、扩束准直系统2、第一立方分束镜3、第一挡板4、第一平面反射镜5、第一显微物镜7、第二立方分束镜8、第二显微物镜9、第二平面反射镜10、第二挡板11、第三平面反射镜12、消色差透镜13、第三立方分束镜14和摄像器件15。其中，光源1发出的光束经过扩束准直系统2后被第一立方分束镜3分成透射和反射两路光束。通过控制第一挡板4和第二挡板11对两路光束传播路径的控制，从而对测量模态进行切换。

所述的光源1为输出功率为3mW、波长为λ＝632.8nm的红光氦氖激光器；扩束准直系统2中的透镜为K9玻璃透镜；第一立方分束镜3、第二立方分束镜8和第三立方分束镜14均采用K9玻璃立方分光棱镜；第一平面反射镜5、第二平面反射镜10和第三平面反射镜12为K9玻璃镀银平面反射镜；第一显微物镜7和第二显微物镜9是放大倍数为10倍的显微物镜；消色差透镜13采用双胶合消色差正透镜；摄像器件15采用单色CCD摄像机。

所述的第二显微物镜9和第一显微物镜7具有相同的结构参数，目的是为了对像差进行补偿；消色差透镜12的后焦点与第一显微物镜7的前焦点重合，构成远心光学结构，确保通过第一显微物镜7射出照射到待测样品6的光为平行光。

结合图2，利用本发明双模态数字全息显微装置对透明样品内部进行3D显微成像，控制第一挡板4，允许由第一立方分束镜3透射的光束通过，同时控制第二挡板11，对由第二平面反射镜10反射的光束进行阻挡。透射光束经过第一平面反射镜5反射照射待测样品6，透过待测样品6的平行光束被第一显微物镜7收集，由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜14反射后照射到摄像器件15的成像面，这一路称为物光光路；另一路反射光束经过第二立方分束镜8反射后被第二显微物镜9收集，同样由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜14透过后照射到摄像器件15的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件15记录下来；最后通过数字全息重构算法得到透明样品的三维形貌。图4(a)是本发明装置拍摄到的洋葱细胞数字全息图；图4(b)是经过数字全息重构后得到的洋葱细胞光强分布图。

结合图3，利用本发明双模态数字全息显微装置对反射晶圆表面进行3D成像，控制第一挡板4，阻挡由第一立方分束镜3透射的光束，同时控制第二挡板11，允许由第二平面反射镜10反射的光束通过。通过第一立方分束镜3反射的光束经过第二立方分束镜8也分成了两路，其中一路透射的平行光依次经过第二平面反射镜10和第三平面反射镜11并由消色差透镜13会聚到第一显微物镜7的像方焦平面上，通过第一显微物镜7再次转换成平行光照射到待测样品6，然后被待测样品6反射的光经过第一显微物镜7以及第三立方分束镜14后照射到摄像器件15的成像面，称为物光光路；另外一路被第二显微物镜9收集并经过第三立方分束镜14透过后照射到摄像器件15的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件15记录下来；最后通过数字全息重构算法得到反射晶圆的三维形貌。图5(a)是本发明装置拍摄到的晶元表面数字全息图；图5(b)是经过数字全息重构后得到的晶园表面光强分布图。

尽管特定参考实施例详细的描述了本发明，但在此描述的本发明实施例的意图不是详尽或者局限于所公开的具体形式。相反，所选用的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离本发明的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例或修改例。

Claims

1.一种双模态数字全息显微装置，其特征在于包括光源(1)、扩束准直系统(2)、第一立方分束镜(3)、第一挡板(4)、第一平面反射镜(5)、第一显微物镜(7)、第二立方分束镜(8)、第二显微物镜(9)、第二平面反射镜(10)、第二挡板(11)、第三平面反射镜(12)、消色差透镜(13)、第三立方分束镜(14)和摄像器件(15)。其中，光源(1)发出的光束经过扩束准直系统(2)后被第一立方分束镜(3)分成透射和反射两路光束。通过控制第一挡板(4)和第二挡板(11)对两路光束传播路径进行控制，从而实现反射式和透射式两种测量模态的切换。两种测量模态的具体操作过程如下：

-当双模态数字全息显微装置处在透射式测量模态下，即对透明样品内部进行3D显微成像时，控制第一挡板(4)，允许由第一立方分束镜(3)透射的光束通过，同时控制第二挡板(11)，对由第二平面反射镜(10)反射的光束进行阻挡。透射光束经过第一平面反射镜(5)反射照射待测样品(6)，透过待测样品(6)的平行光束被第一显微物镜(7)收集，由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜(14)反射后照射到摄像器件(15)的成像面，这一路称为物光光路；另一路反射光束经过第二立方分束镜(8)反射后被第二显微物镜(9)收集，同样由平面波转换成球面波并经过第三立方分束镜(14)透过后照射到摄像器件(15)的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件(15)记录下来，最后通过数字全息重构算法得到透明样品的三维形貌；

-当双模态数字全息显微装置处在反射式工作模态下，即对反射样品的表面进行3D成像时，控制第一挡板(4)，阻挡由第一立方分束镜(3)透射的光束，同时控制第二挡板(11)，允许由第二平面反射镜(10)反射的光束通过。通过第一立方分束镜(3)反射的光束经过第二立方分束镜(8)也分成了两路，其中一路透射的平行光依次经过第二平面反射镜(10)和第三平面反射镜(11)并由消色差透镜(13)会聚到第一显微物镜(7)的像方焦平面上，通过第一显微物镜(7)再次转换成平行光照射到待测样品(6)，然后被待测样品(6)反射的光经过第一显微物镜(7)以及第三立方分束镜(14)后照射到摄像器件(15)的成像面，称为物光光路；另外一路被第二显微物镜(9)收集并经过第三立方分束镜(14)透过后照射到摄像器件(15)的成像面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由摄像器件(15)记录下来，最后通过数字全息重构算法得到反射样品的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的一种双模态数字全息显微装置，其特征在于所述的第一挡板(4)和第二挡板(11)可以是光束控制器、可调光阑等。

3.根据权利要求1所述的一种双模态数字全息显微装置，其特征在于第二显微物镜(9)和第一显微物镜(7)具有相同的结构参数，在测量过程中能够对像差进行补偿；同时，消色差透镜(13)的后焦点与第一显微物镜(7)的前焦点重合，构成远心光学结构，确保通过第一显微物镜(7)射出照射到待测样品(6)的光为平行光。

4.根据权利要求1所述的一种双模态数字全息显微装置，其特征在于光源(1)为激光光源或者LED光源，可选波长范围为405nm<λ<760nm。

5.根据权利要求1所述的一种双模态数字全息显微装置，其特征在于摄像器件(15)可采用彩色或者单色CMOS、CCD等摄像器件。

6.根据权利要求1所述的一种双模态数字全息显微装置，其特征在于所述的扩束准直系统(2)由第一透镜(16)、小孔光阑(17)和第二透镜(18)组成，扩束准直系统(2)能够对光源(1)发出的光进行扩束准直。