CN109029290A - 一种同轴光路三维显微形貌测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统，包括：成像物镜、干涉装置和图像采集装置。干涉装置包括激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜和参考物镜。激光光束经第一反光镜射入分光棱镜后输出两束光，第一束光经成像物镜照射到样品上，反射光经成像物镜、分光棱镜到达图像采集装置形成物光；第二束光经第二反光镜、参考物镜射入第三反光镜，反射光经参考物镜、第二反光镜和分光棱镜反射到图像采集装置形成参考光，物光和参考光平行以形成同轴干涉，改变参考光光程，利用图像采集装置记录多幅相移全息图。本发明通过光路设计克服了传统预放大显微全息光路光波曲率难以调节的困难。并且整个系统结构紧凑，抗噪能力提高。

Description

一种同轴光路三维显微形貌测量系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体为一种同轴光路三维显微形貌测量系统。

背景技术

1948年，英籍匈牙利科学家D.Gabor提出了一种利用物体衍射的电子波记录物体振幅和相位的方法，提高电子显微镜的分辨率，这种方法被Gabor命名为全息术。直到上世纪80年代末和90年代初电荷耦合器件(CCD)的快速发展，全息术不再依赖化学记录材料，而可以通过数字记录。

显微表面形貌测量方法，大致上可以分为接触式和非接触式两大类。典型的接触式测量就是原子力显微镜(AFM)，其接触式测量依托其机械探针接触物体表面来获得形貌信息，很容易对样品造成不可挽回的损失。非接触式像电子显微镜使用逐点成像的方法获得放大像，得到了物体形态，但是必须在真空下观察。数字全息显微术是一种基于光波衍射和干涉原理的成像与测量技术，它可以同时获取物光波的振幅和相位信息，得出被测物的三维形貌，同时具有非接触、实时、大景深、高分辨率和相衬成像的优点。通过记录多幅不同相位的全息图，利用相应的相移数字全息算法对全息图进行数字重建。利用相移数字全息法可以很方便的除去零级像和共轭像的影响。预放大成像光路物镜的引入，往往引入附加相位因子。通常是在光路中加入扩束镜和准直镜等一系列光学元件去调节光波曲率，这种情况下光路往往十分复杂，空间结构过大。整个系统抗噪能力下降，过多的光学元件带来其他像差问题，影响了测量精度。同轴光路对实验环境要求严格，记录多幅全息图的曝光间隙要避免振动。所以同轴光路测量系统需要精密的隔振平台，并且多采用大型激光器，图像采集局限在实验室内。这在很大程度上限制了数字全息显微的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种同轴光路三维显微形貌测量系统。通过在参考光光路上增加参考物镜，改变参考平面镜的位置，即可实现光波的曲率调节，进而抵消物光物镜带来的附加相位因子。结构紧凑，不需要引入过多的光学元件，减少不必要的像差，系统抗噪能力提高。实验激光光源采用半导体激光器，结构简单，便于携带，成本较低。

本发明提供一种同轴光路三维显微形貌测量系统，包括：底座、安装在底座上的xyz微位移平台以及依次设置在xyz微位移平台上方的成像物镜、干涉装置和图像采集装置；所述干涉装置包括外壳和设置在外壳内的激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜和参考物镜；

所述激光光源发出的激光光束经第一反光镜反射后射入分光棱镜，分光棱镜输出两束光，第一束反射光经成像物镜射出照射到xyz微位移平台上的样品上，样品的反射光再经过成像物镜、分光棱镜到达图像采集装置形成物光；分光棱镜输出的第二束透射光经第二反光镜、参考物镜射入第三反光镜，第三反光镜输出的反射光经参考物镜、第二反光镜和分光棱镜再反射到图像采集装置形成参考光，物光和参考光平行进而形成同轴干涉，一定范围内改变参考光光程，利用图像采集装置记录多幅相移全息图。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，所述第三反光镜安装在竖直微位移平台上，调整竖直微位移平台的位置可实现参考光的光程调节，调节xyz微位移平台可使物光光路成像清晰，进而使物光和参考光发生同轴干涉形成全息图。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，所述激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、竖直微位移平台和参考物镜安装在外壳内设的多孔板上。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，所述激光光源发出的激光光束以与法线呈45°夹角射入第一反光镜，第一反光镜输出的反射光以与法线呈45°夹角射入分光棱镜，分光棱镜输出的第二束透射光以与法线呈45°夹角射入第二反光镜。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，所述分光棱镜包括立方镜笼和设置于立方镜笼内的两个直角棱镜，两个直角棱镜的斜面胶合形成一体，直角棱镜的斜面与激光光源的光轴成45°角，以使分光棱镜输出的第一束反射光和第二束透射光的光强比例为1:1。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，所述立方镜笼设有多个连接杆，成像物镜的镜架与连接杆固定连接。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，成像物镜和参考物镜都采用10倍、工作距离为10.5mm的无限远nikon物镜，同时设有成像物镜和参考物镜抵消了单物镜光路带来的相位附加因子。

在本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统中，还包括与所述图像采集装置通过数据线相连接的上位机，所述上位机基于Matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。

本发明提供的同轴光路三维显微形貌测量系统，解决了当前预放大数字全息显微技术因曲率不同而引入的附加相位因子问题。相比于加入准直镜、扩束镜及其他辅助光学元件的做法，光学元件少，避免了其它元件引入的其他像差问题；光路紧凑，整个系统抗噪能力有所提升。测量系统便携性改善，成本较低。

附图说明

图1是本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统的结构示意图；

图2是本发明的干涉装置的内部结构示意图；

图3是本发明的同轴光路的原理图；

图4是实验样品为无参考光作用下的二维形貌图；

图5是通过本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统获得的第一种相位的全息图；

图6是通过本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统获得的第二种相位的全息图；

图7是通过本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统获得的第三种相位的全息图；

图8是通过本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统获得的第四种相位的全息图；

图9通过上位机对全息图处理还原获得的三维显微形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统进行说明。

如图1所示，本发明的一种同轴光路三维显微形貌测量系统，包括：底座5、安装在底座5上的xyz微位移平台4以及依次设置在xyz微位移平台4上方的成像物镜3、干涉装置2和图像采集装置1。

如图2所示，所述干涉装置2包括外壳24和设置在外壳24内的激光光源21、分光棱镜22、第一反光镜23、第二反光镜28、竖直微位移平台25、第三反光镜26和参考物镜27。所述激光光源21、分光棱镜22、第一反光镜23、第二反光镜28、竖直微位移平台25和参考物镜27安装在外壳24内设的多孔板29上。第三反光镜26安装在竖直微位移平台25上。所述分光棱镜22包括立方镜笼和设置于立方镜笼内的两个直角棱镜，两个直角棱镜的斜面胶合形成一体，直角棱镜的斜面与激光光源21的光轴成45°角，以使分光棱镜22输出的反射光和透射光的光强比例为1:1。立方镜笼设有多个连接杆，成像物镜3的镜架与连接杆固定连接。

如图3所示，激光光源21发出的激光光束经第一反光镜23反射后射入分光棱镜22，分光棱镜22输出两束光，第一束反射光经成像物镜3射出照射到xyz微位移平台4上的样品上，样品的反射光再经过成像物镜3、分光棱镜22到达图像采集装置1形成物光；分光棱镜22输出的第二束透射光经第二反光镜28、参考物镜27射入第三反光镜26，第三反光镜26输出的反射光经参考物镜27、第二反光镜28和分光棱镜22再反射到图像采集装置1形成参考光，物光和参考光平行进而形成同轴干涉，利用图像采集装置1记录下得到的干涉全息图。

具体实施时，所述激光光源21发出的激光光束以与法线呈45°夹角射入第一反光镜23，第一反光镜23输出的反射光以与法线呈45°夹角射入分光棱镜22，分光棱镜22输出的第二束透射光以与法线呈45°夹角射入第二反光镜28。调节xyz微位移平台4可使物光光路成像清晰；第二反光镜28输出的反射光垂直到达第三反光镜26；调整竖直微位移平台25的位置可实现参考光的光程调节，一定范围内改变参考光光程，利用图像采集装置记录多幅相移全息图。具体实施时，所述图像采集装置1通过数据线相连接的上位机，所述上位机基于Matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。

本实验采用的激光是波长633nm的半导体激光，具有很好的相干性。采用分光棱镜将一束单色光束分成两束后，让两束光在一定区域内重叠，形成新的波形，其干涉条纹相位信息与样品表面高度信息存在对应关系。振幅和相位调制的信息形成的干涉图也称为全息图。

具体实施时，图像采集装置1可采用多种型号，本实施例选择的是OLYMPUS E-M5Mark相机，有效像素4000万；本实施例成像物镜3和参考物镜27都采用10倍、工作距离为10.5mm的无限远nikon物镜，可以达到微米级横向分辨率，同时设有成像物镜3和参考物镜27抵消了单物镜光路带来的相位附加因子。激光光源21可采用He-Ne激光器或者半导体激光，本实施例选择的是普通半导体激光，激光光束大小可微调，正常调节至直径10mm的光斑；本实施例分光棱镜22为棱长25.4cm，普通能量分光棱镜。

采用本发明的同轴光路三维显微形貌测量系统采集全息图的步骤如下：

1)连接图像采集装置1，将成像物镜3的镜架连接到分光棱镜22的立方镜笼上的连接杆上，通过镜架上有M3紧定螺钉对成像物镜3的位置进行固定。第一反光镜23和第二反光镜28安装到多孔板上，使之与水平面成45°角。第三反光镜26安装在竖直微位移平台25上，再将竖直微位移平台25安装到多孔板上，方便实现参考光路的光程调节。分光棱镜22、激光光源21、竖直微位移平台25和物镜镜头27均固定在外壳2的多孔板上。

2)打开激光光源21和图像采集装置1，经第一反光镜23反射，通过分光棱镜22反射到xyz微位移平台4上样品的光斑初步确定观测区域。调节xyz微位移平台4，使得物光图像处于较为清晰的位置。此时通过对第三反光镜26俯仰角度和左右角度的调整，使其产生的参考光垂直达到图像采集装置1，与物光重叠；通过前后方向的移动，确保两束光光程差合适，此时便保证同轴且发生干涉。在一定范围内改变参考光光程，利用图像采集装置记录多幅相移全息图。

3)图像采集装置1和上位机通过数据线连接通讯，设置图像采集装置1的参数使其达到最佳拍摄效果，也可通过上位机对拍摄参数进行设置部分；通过上位机捕捉图像采集装置1得到的实验全息图。

上位机对全息图处理，进行三维结构重建主要包括以下几个步骤：

S1：选用权利要求1所述的同轴光路三维显微形貌测量系统得到待测样品的多幅相移全息图；

S2：对记录的多幅全息图进行图像预处理，对全息图进行去噪滤波等操作，提高图像质量；

S3：对所述步骤S2预处理的全息图用多步相移算法计算得到相位；

S4：对步骤S3所述的包裹相位值做相位解包裹计算，还原原始相位；

S5：利用步骤S4得到的真实相位，完成样品三维形貌的重建工作。

图4至图9为本发明的一个实施例，实验样品是一个50线/mm的反射光栅，其中图4为无参考光作用下的二维形貌图，图5至图8为该样品通过本发明得到的不同相位的全息图。图9为通过上位机处理后获得的数字微纳三维形貌图。通过本发明得到的数字微纳三维形貌，方便对这些物体结构进行形貌数据的提取和进一步的处理，且实现简单高效、无损观测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，包括：底座、安装在底座上的xyz微位移平台以及依次设置在xyz微位移平台上方的成像物镜、干涉装置和图像采集装置；所述干涉装置包括外壳和设置在外壳内的激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜和参考物镜；

所述激光光源发出的激光光束经第一反光镜反射后射入分光棱镜，分光棱镜输出两束光，第一束反射光经成像物镜射出照射到xyz微位移平台上的样品上，样品的反射光再经过成像物镜、分光棱镜到达图像采集装置形成物光；分光棱镜输出的第二束透射光经第二反光镜、参考物镜射入第三反光镜，第三反光镜输出的反射光经参考物镜、第二反光镜和分光棱镜再反射到图像采集装置形成参考光，物光和参考光平行进而形成同轴干涉，利用图像采集装置记录下得到的干涉全息图。

2.如权利要求1所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，调节xyz微位移平台可使物光光路成像清晰；所述第三反光镜固定在竖直微位移平台上，调整竖直微位移平台的位置可实现参考光的光程调节，进而使物光和参考光发生同轴干涉形成多幅相移全息图。

3.如权利要求2所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，所述激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、竖直微位移平台和参考物镜安装在外壳内设的多孔板上。

4.如权利要求1所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，所述激光光源发出的激光光束以与法线呈45°夹角射入第一反光镜，第一反光镜输出的反射光以与法线呈45°夹角射入分光棱镜，分光棱镜输出的第二束透射光以与法线呈45°夹角射入第二反光镜。

5.如权利要求4所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，所述分光棱镜包括立方镜笼和设置于立方镜笼内的两个直角棱镜，两个直角棱镜的斜面胶合形成一体，直角棱镜的斜面与激光光源的光轴成45°角，以使分光棱镜输出的第一束反射光和第二束透射光的光强比例为1:1。

6.如权利要求5所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，所述立方镜笼设有多个连接杆，成像物镜的镜架与连接杆固定连接。

7.如权利要求1所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，成像物镜和参考物镜都采用10倍、工作距离为10.5mm的无限远nikon物镜，同时设有成像物镜和参考物镜抵消了单物镜光路带来的相位附加因子。

8.如权利要求1所述的同轴光路三维显微形貌测量系统，其特征在于，还包括与所述图像采集装置通过数据线相连接的上位机，所述上位机基于Matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。