CN112013791A - 三波长可变尺度干涉显微成像系统、成像方法及三相位复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三波长可变尺度干涉显微成像系统、成像方法及三相位复原方法,包括沿着并排分布的第一激光器、第二激光器和第三激光器的输出方向依次连接的光纤耦合器、准直器和第一分光棱镜;第一分光棱镜将激光分为物光光路和参考光光路;参考光光路上依次放置有第一反射镜、第二分光棱镜、第二反射镜和PZT相移器;物光光路上依次放置有第三分光棱镜、显微物镜和微器件样品;第三分光棱镜的反射光路上设置有CCD相机,所述物光光路和参考光光路汇聚到第三分光棱镜后,在CCD相机上形成三波长广义相移全息图。本发明可靠性高、稳定性强和共光路好,可实现单、双和三波长多尺度免解包选择性匹配融合成像方法,多角度精确解构出不同尺度微器件高精形貌。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息术或无损检测技术领域,尤其涉及一种三波长可变尺度干涉显微成像系统、成像方法及三相位复原方法。
背景技术
目前微器件主要由不同尺度的微型零件通过微精密装配而来。要实现这一精密装配,势必对不同尺度微器件高精无损检测提出了更高的要求。机械探针法可对微器件实现较高分辨率和较大范围的表面形貌测量,但是需要探针接触微器件表面,可能会对其表面造成划痕或损伤,影响装配的精密度。采用扫描电子显微镜技术虽然能够获得微器件三维微观精细结构,具有超越衍射极限的高分辨率和较高成像质量;但是这一技术需要通过逐点扫描来获取样品信息,导致耗时长、样品检测区域范围小且设备价格昂贵。由此可见,亟待解决上述不同尺度微器件形貌无损测量的问题。
数字全息相位成像技术由于其具有可定量、无损伤和高精确度成像的特点,已经被成功应用到生物细胞、光学元件等的表面微貌测量中。其中的三波长数字全息相位成像技术不仅可以实现测量对象的不同尺度成像,而且在一定测量范围内,相位解包裹方法更简单和快捷;等效波长及其相位组合更灵活、技术手段更丰富,越来越受到了国内外学者的关注。目前,三波长数字全息主要分为:离轴和同轴;相比而言,三波长同轴数字全息的相位成像精确度更高。在三波长同轴数字全息术中,要想实现不同尺度微器件高精确度相位成像,高效快速同时复原出三相位信息是最关键的技术问题。但是,三波长干涉信息非相干叠加、相移器形成的相移误差和CCD相机产生的高阶谐波这些因素对三波长相位复原精度有着较大的影响;尤其是,当相移误差和高阶谐波同时耦合存在于三波长数字全息中时,增加了高精度复原三波长相位信息的难度,是一个技术难点。
综上所述,有必要设计出一种检测光路简单、相位复原高效和相位成像可靠的三波长可变尺度干涉显微成像系统以及三相位复原方法,实现不同尺度微器件高精匹配融合成像。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种三波长可变尺度干涉显微成像系统、成像方法及三相位复原方法,以实现不同尺度微器件免解包高精匹配融合成像。
本发明提出三波长可变尺度干涉显微成像系统,包括沿着并排分布的第一激光器、第二激光器和第三激光器的输出方向依次连接的光纤耦合器、准直器和第一分光棱镜;所述第一分光棱镜将激光分为物光光路和参考光光路两条光路;所述参考光光路上依次放置有第一反射镜、第二分光棱镜、第二反射镜和PZT相移器;所述物光光路上依次放置有第三分光棱镜、显微物镜和微器件样品;所述第三分光棱镜位于第二分光棱镜的反射光路上,第三分光棱镜的反射光路上还设置有CCD相机,所述物光光路和参考光光路汇聚到第三分光棱镜后,在CCD相机上形成三波长广义相移全息图。
进一步的,所述光纤耦合器、准直器、第一分光棱镜、第三分光棱镜、显微物镜和微器件样品沿同一直线布置,所述第一反射镜、第二分光棱镜、第二反射镜和PZT相移器沿同一直线布置,所述第一分光棱镜、第三分光棱镜、第二分光棱镜和第一反射镜呈矩形结构布置。
本发明还提出三波长可变尺度干涉显微成像系统的成像方法,该方法采用上述三波长可变尺度干涉显微成像系统实现,包括以下几个步骤:
S1,使波长为λ1的第一激光器、波长为λ2的第二激光器和波长为λ3的第三激光器发出的光束同时通过光纤耦合器和准直器后,形成三波长同轴光束。
S2,所述三波长同轴光束经过第一分光棱镜后,形成物光光束和参考光光束。
S3,所述参考光光束经第一反射镜、第二分光棱镜、第二反射镜和PZT相移器后,形成具有广义相移的三波长同轴光束,该光束经第二分光棱镜反射后进入第三分光棱镜。
S4,所述物光光束透过第三分光棱镜、显微物镜后照射微器件样品,并在显微物镜上形成反射光后进入第三分光棱镜。
S5,S3和S4形成的光束在第三分光棱镜处干涉后,反射至CCD相机上,并形成三波长广义相移全息图。
本发明还提供三波长可变尺度干涉显微成像系统的三相位复原方法,该方法采用上述三波长可变尺度干涉显微成像系统实现,包括以下几个步骤:
A2:利用A1中的相位信息,采用代数运算,获得多组等效波长及其相位信息,进而实现进行单、双和三波长选择性匹配融合成像。
A11:当广义相移和高阶谐波同时耦合存在于三波长可变尺度干涉显微成像系统中时,第m帧三波长广义相移全息图可表达为:
其中,x和y分别为空间坐标,t表示理论值,a(x,y)表示总的背景强度项,和分别表示第k阶谐波下波长λ1、λ2和λ3的调制幅值,m表示第m帧三波长广义相移全息图(m=1,2,…,M),n和N分别表示在每个三波长广义相移全息图中的像素点位置和总像素数(n=1,2,…,N),u表示高阶谐波数,和分别表示波长λ1、λ2和λ3下的相位信息, 和分别为波长λ1、λ2和λ3下的相移。
A14:迭代收敛计算:
其中,i=0,1,…,2u,j=1,2,3。
A122:M个干涉图中第n个像素点的三波长广义相移全息图理论与实际值之差的平方和En,则
其中,Imn为三波长广义相移全息图实际值。
其中,i=0,1,2,…,2u。
其中,i=0,1,2,…,2u。
A132:N个像素点中第m个三波长广义相移全息图的理论与实际值之差的平方和Em,即
其中,i=0,1,2,…,2u。
进一步的,在步骤A2中,单波长选择性匹配融合成像方法如下:
其中,h表示微器件形貌。
进一步的,在步骤A2中,双波长选择性匹配融合成像方法如下:
其中,h表示微器件形貌。
进一步的,在步骤A2中,三波长选择性匹配融合成像方法如下:
本发明的有益效果是:
(1)本发明所述三波长可变尺度干涉显微成像系统可靠性高、稳定性强和共光路好,实验可重复进行。
(2)本发明利用三波长最小二乘迭代方法,同时处理广义相移和高阶谐波耦合下的三波长广义相移全息图,进而高精度复原出三波长的包裹相位信息。
(3)本发明可形成三波长可变尺度相位成像技术,可实现单、双和三波长多尺度免解包选择性匹配融合成像方法,多角度精确解构出不同尺度微器件高精形貌。
(4)本发明采用的是三波长可变尺度干涉显微成像系统,能有效地提高成像系统空间带宽利用率,提高相位复原精确度,应用面广,有较强实用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述三波长可变尺度干涉显微成像系统的结构示意图(箭头所指方向为光线方向);
图2是本发明所述三波长可变尺度干涉显微成像系统的成像方法的流程图。
图中,1、第一激光器,2、第二激光器,3、第三激光器,4、光纤耦合器,5、准直器,6、第一分光棱镜,7、物光光路,8、参考光光路,9、第一反射镜,10、第二分光棱镜,11、第二反射镜,12、PZT相移器,13、第三分光棱镜,14、显微物镜,15、微器件样品,16、CCD相机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
如图1,一种三波长可变尺度干涉显微成像系统,包括沿着并排分布的第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3的输出方向依次连接的光纤耦合器4、准直器5和第一分光棱镜6;第一分光棱镜6将激光分为物光光路7和参考光光路8两条光路;参考光光路8上依次放置有第一反射镜9、第二分光棱镜10、第二反射镜11和PZT相移器12;物光光路7上依次放置有第三分光棱镜13、显微物镜14和微器件样品15;第三分光棱镜13位于第二分光棱镜10的反射光路上,第三分光棱镜13的反射光路上还设置有CCD相机16,物光光路7和参考光光路8汇聚到第三分光棱镜13后,在CCD相机16上形成三波长广义相移全息图。
如图1,第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3并排分布,同时向光纤耦合器4发出三个不同波长的光束,光纤耦合器4、准直器5、第一分光棱镜6、第三分光棱镜13、显微物镜14和微器件样品15沿同一直线布置,第一反射镜9、第二分光棱镜10、第二反射镜11和PZT相移器12沿同一直线布置,第一分光棱镜6、第三分光棱镜13、第二分光棱镜10和第一反射镜9呈矩形结构布置,并且第二分光棱镜10、第三分光棱镜13和CCD相机16沿同一直线布置,第三分光棱镜13位于第二分光棱镜10的反射光光路上,CCD相机16位于第三分光棱镜13的反射光光路上。
光纤耦合器4用于实现光信号合路。准直器5的作用是使光最大效率的耦合进入所需的器件中或易如接受光信号最大效率的接受。分光棱镜即偏振分光棱镜,能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。
一种三波长可变尺度干涉显微成像系统的成像方法,该方法采用上述三波长可变尺度干涉显微成像系统实现,如图2所示,包括以下几个步骤:
S1,使波长为λ1的第一激光器、波长为λ2的第二激光器和波长为λ3的第三激光器发出的光束同时通过光纤耦合器和准直器后,形成三波长同轴光束。
S2,所述三波长同轴光束经过第一分光棱镜6后,形成物光光束和参考光光束。
S3,参考光光束经第一反射镜9、第二分光棱镜10、第二反射镜11和PZT相移器12后,形成具有广义相移的光束,该光束经第二分光棱镜10反射后进入第三分光棱镜13。
S4,物光光束透过第三分光棱镜13、显微物镜14后照射微器件样品15,并在显微物镜14上形成反射光后进入第三分光棱镜13。
S5,S3和S4形成的光束在第三分光棱镜13处干涉后,反射至CCD相机16上,并形成三波长广义相移全息图。参考光光束和物光光束在第三分光棱镜13处形成三波长广义相移全息图;PZT相移器12使三个波长的参考光光束具有广义相移,具有广义相移的参考光光束与物光光束干涉后,形成一系列三波长广义相移全息图。
本发明还提供一种三波长可变尺度干涉显微成像系统的三相位复原方法,该方法采用上述三波长可变尺度干涉显微成像系统实现,包括以下几个步骤:
A2:利用A1中的相位信息,采用代数运算,获得多组等效波长及其相位信息,进而实现进行单、双和三波长选择性匹配融合成像。
A11:当广义相移和高阶谐波同时耦合存在于三波长可变尺度干涉显微成像系统中时,第m帧三波长广义相移全息图可表达为:
其中,x和y分别为空间坐标,t表示理论值,a(x,y)表示总的背景强度项,和分别表示第k阶谐波下波长λ1、λ2和λ3的调制幅值,m表示第m帧三波长广义相移全息图(m=1,2,…,M),n和N分别表示在每个三波长广义相移全息图中的像素点位置和总像素数(n=1,2,…,N),u表示高阶谐波数,和分别表示波长λ1、λ2和λ3下的相位信息, 和分别为波长λ1、λ2和λ3下的相移。
A14:迭代收敛计算:
其中,i=0,1,…,2u,j=1,2,3。
A122:M个干涉图中第n个像素点的三波长广义相移全息图理论与实际值之差的平方和En,则
其中,Imn为三波长广义相移全息图实际值。
其中,i=0,1,2,…,2u。
其中,i=0,1,2,…,2u。
A132:N个像素点中第m个三波长广义相移全息图的理论与实际值之差的平方和Em,即
其中,i=0,1,2,…,2u。
进一步的,在步骤A2中,单波长选择性匹配融合成像方法如下:
其中,h表示微器件形貌。
进一步的,在步骤A2中,双波长选择性匹配融合成像方法如下:
其中,h表示微器件形貌。
进一步的,在步骤A2中,三波长选择性匹配融合成像方法如下:
本发明的工作原理如下:波长为λ1的第一激光器1、波长为λ2的第二激光器2和波长为λ3的第三激光器3发出的光束同时通过光纤耦合器4和准直器5后,形成三波长同轴光束;所述三波长同轴光束经过第一分光棱镜6后,分别沿物光光路7和参考光光路8两条光路传播;参考光光路8为:经第一反射镜9、第二分光棱镜10、第二反射镜11和PZT相移器12后,形成具有不同相移的参考光光束,参考光光束经第二分光棱镜10反射后,进入第三分光棱镜13;物光光路7为:经过第三分光棱镜13、显微物镜14后照射微器件样品15,形成反射光后,回到第三分光棱镜13;参考光光束和物光光束在第三分光棱镜13处形成三波长广义相移全息图;参考光光束通过PZT相移器12使三个波长的参考光光束具有广义相移后,与物光光束干涉后,形成一系列三波长广义相移全息图。
此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本说明书中,对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.三波长可变尺度干涉显微成像系统,其特征在于:包括沿着并排分布的第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)的输出方向依次连接的光纤耦合器(4)、准直器(5)和第一分光棱镜(6);所述第一分光棱镜(6)将激光分为物光光路(7)和参考光光路(8)两条光路;
所述参考光光路(8)上依次放置有第一反射镜(9)、第二分光棱镜(10)、第一反射镜(11)和PZT相移器(12);
所述物光光路(7)上依次放置有第三分光棱镜(13)、显微物镜(14)和微器件样品(15);
所述第三分光棱镜(13)位于第二分光棱镜(10)的反射光路上,第三分光棱镜(13)的反射光路上还设置有CCD相机(16),所述物光光路(7)和参考光光路(8)汇聚到第三分光棱镜(13)后,在CCD相机(16)上形成三波长广义相移全息图。
2.根据权利要求1所述的三波长可变尺度干涉显微成像系统,其特征在于:所述光纤耦合器(4)、准直器(5)、第一分光棱镜(6)、第三分光棱镜(13)、显微物镜(14)和微器件样品(15)沿同一直线布置,所述第一反射镜(9)、第二分光棱镜(10)、第一反射镜(11)和PZT相移器(12)沿同一直线布置,所述第一分光棱镜(6)、第三分光棱镜(13)、第二分光棱镜(10)和第一反射镜(9)呈矩形结构布置。
3.三波长可变尺度干涉显微成像系统的成像方法,其特征在于,采用权利要求1-2任一项所述的三波长可变尺度干涉显微成像系统,包括以下几个步骤:
S1,使波长为λ1的第一激光器(1)、波长为λ2的第二激光器(2)和波长为λ3的第三激光器(3)发出的光束同时通过光纤耦合器(4)和准直器(5)后,形成三波长同轴光束;
S2,所述三波长同轴光束经过第一分光棱镜(6)后,形成物光光束和参考光光束;
S3,所述参考光光束经第一反射镜(9)、第二分光棱镜(10)、第一反射镜(11)和PZT相移器(12)后,形成具有广义相移的光束,该光束经第二分光棱镜(10)反射后进入第三分光棱镜(13);
S4,所述物光光束透过第三分光棱镜(13)、显微物镜(14)后照射微器件样品(15),并在显微物镜(14)上形成反射光后进入第三分光棱镜(13);
S5,S3和S4形成的光束在第三分光棱镜(13)处干涉后,反射至CCD相机(16)上,并形成三波长广义相移全息图。
A11:当广义相移和高阶谐波同时耦合存在于三波长可变尺度干涉显微成像系统中时,第m帧三波长广义相移全息图可表达为:
其中,x和y分别为空间坐标,t表示理论值,a(x,y)表示总的背景强度项,和分别表示第k阶谐波下波长λ1、λ2和λ3的调制幅值,m表示第m帧三波长广义相移全息图(m=1,2,…,M),n和N分别表示在每个三波长广义相移全息图中的像素点位置和总像素数(n=1,2,…,N),u表示高阶谐波数,和分别表示波长λ1、λ2和λ3下的相位信息, 和分别为波长λ1、λ2和λ3下的相移;
A14:迭代收敛计算:
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