CN112985297B - 一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置及测量方法 - Google Patents

一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双波长共光路数字全息显微装置及测量方法，属于光学干涉检测领域。包括激光器、可调中性密度滤光片、扩束准直镜、立方棱镜、消色差透镜、显微物镜、待测物体、载物台、针孔滤波器、相机以及计算机。在本发明提出的双波长共光路数字全息显微装置中，物光与参考光来自于同一条光路并在相机上发生干涉，通过求解干涉条纹获得相位信息。该测量装置抗干扰能力强，对环境振动的敏感度低，具有很高的灵活性与稳定性。适用于具有复杂非连续特征的微纳器件等反射式样本的三维形貌的实时检测场合。

Description

一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置及测 量方法
技术领域
本发明属于光学干涉测量领域，具体涉及一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置及测量方法。
背景技术
物体的三维形貌测量在工业在线监测以及生物医学等领域发挥着重要的作用，具有较高的实用价值。物体的三维形貌测量主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要是以三坐标测量仪为代表的探针式扫描测量，而这种方法测量速度较慢并且适用范围有限。非接触式测量方法诸如光学三角法、莫尔条纹法、数字全息法等，这些方法可以有效克服接触式测量的缺点。其中数字全息法具有非接触、全场测量、高精度等特点，而数字全息显微测量技术是将数字全息技术与显微技术相结合的技术，能够对具有微纳尺度特征的样本进行实时无损伤的三维形貌测量。
数字全息显微测量技术基于光学干涉基本理论。在测量反射式样本时，当样本中包含高度差大于所使用光源波长一半的非连续性特征时，无法直接获取样本正确的相位信息。因此，双波长数字全息显微被提出来解决这个问题。在双波长数字全息显微技术中，使用两束不同波长的光源拍摄数字全息干涉图，从而计算获得样本在两个波长下的相位。然后将这两个相位作差获得等效相位，其对应于一个等效波长，这个等效波长大于原有的两个波长，能够在一定范围内提高单次测量的量程。
目前常用的双波长数字全息显微装置多采用物光与参考光分离式的光路配置，其优点在于配置灵活、便于多波长信息分离。但是，由于基于数字全息显微技术的三维形貌测量方法主要应用于微机电系统、生物细胞等微纳尺度的测量领域，测量系统对环境振动、空气扰动十分敏感，抗环境干扰能力弱，实用性受到了限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置及测量方法，该装置结构设计合理、紧凑，具有强的抗干扰能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，包括第一束平面光发生单元、第一立方棱镜、第二束平面光发生单元、用于放置被测物的载物台、显微物镜、第一消色差透镜、第二立方棱镜、第二消色差透镜、第三立方棱镜、针孔滤波器、第三可调中性密度滤光片、第三消色差透镜、相机和计算机；
所述显微物镜与第一消色差透镜共焦点布置；第二消色差透镜与第三消色差透镜共焦点布置，针孔滤波器设置在由第三立方棱镜分出的第一束光的焦点处；
第一束平面光发生单元产生的第一束平面光和第二束平面光发生单元产生的第二束平面光被第一立方棱镜合并后被第二立方棱镜反射进入第一消色差透镜，然后通过显微物镜并被放置在载物台上的被测物调制；由被测物反射回来的光透过显微物镜、消色差透镜、第二立方棱镜后被第二消色差透镜汇聚，再由第三立方棱镜分成两束光；第一束光通过针孔滤波器滤波后，作为参考光被第三消色差透镜收集进入相机，第二束光被第三可调中性密度滤光片调制光强后，作为物光被第三消色差透镜收集进入相机；两束进入相机中的光发生干涉，并由相机拍摄干涉图并显示和存储于计算机中。
优选地，第一束平面光发生单元包括第一激光器、第一可调中性密度滤光片和第一扩束准直镜，第一激光器发出的激光被第一可调中性密度滤光片进行光强调制后，被第一扩束准直镜进行扩束准直，产生第一束平面光；
所述第二束平面光发生单元包括第二激光器、第二可调中性密度滤光片和第二扩束准直镜，第二激光器发出的激光被第二可调中性密度滤光片进行光强调制后，被第二扩束准直镜进行扩束准直，产生第二束平面光。
优选地，第一激光器和第二激光器的激光为红色激光、绿色激光和蓝色激光中的任意两种。
进一步优选地，初始状态下，第一可调中性密度滤光片、第二可调中性密度滤光片和第三可调中性密度滤光片调整至衰减比最大的位置。
进一步优选地，能够通过调整第一可调中性密度滤光片和第二可调中性密度滤光片的衰减比调整相机上获得的干涉图的强度；能够通过调整第三可调中性密度滤光片的衰减比调整相机上获得的干涉图的对比度。
优选地，相机采用彩色相机，彩色相机拍摄的图片是三维的，前两维度是平面x,y就是一张像素矩阵(就是图片)；第三维度有三层，分别为R(红),G(绿),B(蓝)层；每一层都是单独的像素矩阵(就是图片)，每层带不同颜色信息，三层叠放一起就是彩色图片。
优选地，通过旋转第三立方棱镜调整由第三立方棱镜分出的两束光之间的夹角，从而调整干涉图条纹的载波频率。
本发明还公开了基于上述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置测量物体相位信息的方法，包括：
将被测物固定在载物台上，实时获取收集进入相机的干涉图；
调整载物台，使感兴趣区域成像在相机上；
调整相机上获得的干涉图的强度和对比度；
单独提取相机上获得的各个颜色通道的干涉图信息，计算各个颜色通道中被测物的相位信息，再根据双波长数字全息显微理论获得合成波长下的物体相位信息。
双波长数字全息显微理论是现有技术的公知理论，干涉图片包含振幅和相位信息。从干涉图中可以提取出图片的相位。两个波长对应两个干涉图，就有两个相位，这两个相位作差获得的新相位就是合成波长下的物体相位信息。
优选地，单独提取相机上获得的各个通道的干涉图信息，计算各个通道中被测物的相位信息，再根据双波长数字全息显微理论获得合成波长下的物体相位信息，操作如下：
Ij(x,y)＝|Oj|2+|Rj|2+RjOj *+Rj *Oj
式中，Ij为相机记录的干涉图强度，j为彩色通道的序号，Oj是物光波，Rj是参考光波，*是共轭算子；
对各通道获得的数字全息干涉图使用角谱方法重建，获取样本复振幅分布：
Figure BDA0002941830260000041
式中，kj＝2π/λj，Rj(x,y)＝exp[i2π(ξjx+ηjy)]，λj为光源波长，ξj和ηj代表全息图在x和y两个方向上的载波频率，Δz是重建距离，Wj是频谱滤波函数，FT与IFT为傅里叶变换算子与反傅里叶变换算子；
从样本复振幅中提取相位信息：
Figure BDA0002941830260000042
式中，arctan为反正切算子，Im为虚部，Re为实部；
将两个激光器获得的相位作差获得等效相位：
Figure BDA0002941830260000043
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装，相比于物光参考光分离式双波长数字全息显微装置，其优势在于结构紧凑，抗干扰能力强。本发明的微物镜与第一消色差透镜共焦点布置；第二消色差透镜与第三消色差透镜共焦点布置，针孔滤波器设置在由第三立方棱镜分出的第一束光的焦点处，基于上述关键点的结构设计，物光与参考光几乎经过同样的光学元件，因此光学元件对两束光带来的相位畸变影响是相同的，可以抵消。同样的道理，当有环境振动，空气扰动，这些影响对两只光路带来的影响几乎相同，因此可以抵消，说明本发明的抗干扰能力强。而物光参考光分离式双波长数字全息显微装置的两个光路独立设置，受的影响也独立的，影响几乎没有关联，不能抵消。此外，本发明的装置能够针对反射式样本的测量，显微物镜、被测物的设置采用反射式测量，适用于具有复杂非连续特征的微纳器件等反射式样本的三维形貌的实时检测场合。
进一步地，本发明装置中其他元器件的设置位置是自由的，没有规定的尺寸限制，不影响实际效果。
进一步地，通过旋转第三立方棱镜调整由第三立方棱镜分出的两束光之间的夹角，即可以改变物光参考光夹角，从而调整干涉图条纹的载波频率，进一步方便后续数据处理。
进一步地，本发明的第一束平面光发生单元和第二束平面光发生单元采用了两个波长的光源，可以有效提高量程。
本发明公开的测量方法，物光与参考光来自于同一条光路并在相机上发生干涉，通过求解干涉条纹获得相位信息。
附图说明
图1为本发明的双波长共光路数字全息显微装置的结构示意图。
其中：1-第一激光器；2-第一可调中性密度滤光片；3-第一扩束准直镜；4-第一立方棱镜；5-第二扩束准直镜；6-第二可调中性密度滤光片；7-第二激光器；8-载物台；9-被测物；10-显微物镜；11-第一消色差透镜；12-第二立方棱镜；13-第二消色差透镜；14-第三立方棱镜；15-针孔滤波器；16-第三可调中性密度滤光片；17-第三消色差透镜；18-相机；19-计算机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为发明的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，测量装置的元器件具体包括两个激光器、三个可调中性密度滤光片、两个扩束准直镜、三个立方棱镜、三个消色差透镜、一个显微物镜、一个针孔滤波器、一个相机以及被测物与载物台。具体地，包括第一激光器1、第一可调中性密度滤光片2、第一扩束准直镜3、第一立方棱镜4、第二扩束准直镜5、第二可调中性密度滤光片6、第二激光器7、载物台8、被测物9、显微物镜10、第一消色差透镜11、第二立方棱镜12、第二消色差透镜13、第三立方棱镜14、针孔滤波器15、第三可调中性密度滤光片16、第三消色差透镜17、相机18和计算机19；
第一激光器1发出的激光被第一可调中性密度滤光片2进行光强调制后，被第一扩束准直镜3进行扩束准直，产生第一束平面光；第二激光器7发出的激光被第二可调中性密度滤光片6进行光强调制后，被第二扩束准直镜5进行扩束准直，产生第二束平面光；第一束平面光与第二束平面光被第一立方棱镜4合并后被第二立方棱镜13反射进入第一消色差透镜11，然后通过显微物镜10并被放置在载物台8上的被测物9调制；由被测物9反射回来的光透过显微物镜10、消色差透镜11、第二立方棱镜12后被第二消色差透镜13汇聚，再由第三立方棱镜14分成两束光；第一束光通过针孔滤波器15滤波后，作为参考光被第三消色差透镜17收集进入相机18；第二束光被第三可调中性密度滤光片16调制光强后，作为物光被第三消色差透镜17收集进入相机18；两束进入相机18中的光发生干涉，相机18拍摄干涉图并显示和存储于计算机19中。
本发明公开的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置的测量方法，包括：
1)在进行测量时，初始状态下，第一可调中性密度滤光片2、第二可调中性密度滤光片6和第三可调中性密度滤光片16调整至衰减比最大的位置；
2)开始测量时，将被测物9固定在载物台8上，由第一激光器1和第二激光器7发出的激光通过共光路数字全息显微系统后在相机18上实时获取干涉图；
此处操作用过获取的初始状态干涉图片可以看到是否为测量区域，方便调整样本的测量区域进入相机，同时可以看到干涉图片的亮度对比度，方便下面步骤调节可调中性密度滤光片的衰减比以获得质量好的干涉图；
3)调整载物台8，使感兴趣区域成像在相机18上；调整第一可调中性密度滤光片2、第二可调中性密度滤光片6从而调整相机18上获得的干涉图的强度；调整第三可调中性密度滤光片16从而调整相机18上获得的干涉图的对比度。本步骤选择测量区域，获得质量好的干涉图便于相位信息提取，提高相位测量精度。
4)将相机18获得的干涉图各颜色通道信息单独提取出来，并计算各衍射通道中被测物9的相位信息；再根据双波长数字全息显微理论获得合成波长下的物体相位信息。
具体地，将相机18获得的彩色条纹图各通道信息单独提取出来：
Ij(x,y)＝|Oj|2+|Rj|2+RjOj *+Rj *Oj，
式中，Ij为相机记录的干涉图强度，j为彩色通道的序号，Oj是物光波，Rj是参考光波，*是共轭算子。由于采用第三立方棱镜14使得物光波前与参考光波前具有一定的夹角，因此结合离轴数字全息基本理论提取样本信息。对各通道获得的数字全息干涉图使用角谱方法重建，获取样本复振幅分布：
Figure BDA0002941830260000081
式中，kj＝2π/λj，Rj(x,y)＝exp[i2π(ξjx+ηjy)]，λj为光源波长，ξj和ηj代表全息图在x和y两个方向上的载波频率，Δz是重建距离，Wj是频谱滤波函数，FT与IFT为傅里叶变换算子与反傅里叶变换算子。然后，从样本复振幅中提取相位信息：
Figure BDA0002941830260000082
式中，arctan为反正切算子，Im为虚部，Re为实部。将两个激光器获得的相位作差获得等效相位：
Figure BDA0002941830260000083
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，其特征在于，包括第一束平面光发生单元、第一立方棱镜(4)、第二束平面光发生单元、用于放置被测物(9)的载物台(8)、显微物镜(10)、第一消色差透镜(11)、第二立方棱镜(12)、第二消色差透镜(13)、第三立方棱镜(14)、针孔滤波器(15)、第三可调中性密度滤光片(16)、第三消色差透镜(17)、相机(18)和计算机(19)；
所述显微物镜(10)与第一消色差透镜(11)共焦点布置；第二消色差透镜(13)与第三消色差透镜(17)共焦点布置，针孔滤波器(15)设置在由第三立方棱镜(14)分出的第一束光的焦点处；物光与参考光几乎经过同样的光学元件，光学元件对两束光带来的相位畸变影响相同，能够抵消；
显微物镜(10)、被测物(9)的设置采用反射式测量，第一束平面光发生单元产生的第一束平面光和第二束平面光发生单元产生的第二束平面光被第一立方棱镜(4)合并后被第二立方棱镜(12)反射进入第一消色差透镜(11)，然后通过显微物镜(10)并被放置在载物台(8)上的被测物(9)调制；由被测物(9)反射回来的光透过显微物镜(10)、消色差透镜(11)、第二立方棱镜(12)后被第二消色差透镜(13)汇聚，再由第三立方棱镜(14)分成两束光；第一束光通过针孔滤波器(15)滤波后，作为参考光被第三消色差透镜(17)收集进入相机(18)，第二束光被第三可调中性密度滤光片(16)调制光强后，作为物光被第三消色差透镜(17)收集进入相机(18)；两束进入相机(18)中的光发生干涉，并由相机(18)拍摄干涉图并显示和存储于计算机(19)中；
所述相机(18)采用彩色相机；
通过旋转第三立方棱镜(14)调整由第三立方棱镜(14)分出的两束光之间的夹角，即通过改变物光参考光夹角从而调整干涉图条纹的载波频率。
2.根据权利要求1所述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，其特征在于，第一束平面光发生单元包括第一激光器(1)、第一可调中性密度滤光片(2)和第一扩束准直镜(3)，第一激光器(1)发出的激光被第一可调中性密度滤光片(2)进行光强调制后，被第一扩束准直镜(3)进行扩束准直，产生第一束平面光；
所述第二束平面光发生单元包括第二激光器(7)、第二可调中性密度滤光片(6)和第二扩束准直镜(5)，第二激光器(7)发出的激光被第二可调中性密度滤光片(6)进行光强调制后，被第二扩束准直镜(5)进行扩束准直，产生第二束平面光。
3.根据权利要求2所述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，其特征在于，第一激光器(1)和第二激光器(7)的激光为红色激光、绿色激光和蓝色激光中的任意两种。
4.根据权利要求2所述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，其特征在于，初始状态下，第一可调中性密度滤光片(2)、第二可调中性密度滤光片(6)和第三可调中性密度滤光片(16)调整至衰减比最大的位置。
5.根据权利要求2所述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置，其特征在于，能够通过调整第一可调中性密度滤光片(2)和第二可调中性密度滤光片(6)的衰减比调整相机(18)上获得的干涉图的强度；能够通过调整第三可调中性密度滤光片(16)的衰减比调整相机(18)上获得的干涉图的对比度。
6.基于权利要求1～5中任意一项所述的基于反射式测量的双波长共光路数字全息显微装置测量物体相位信息的方法，其特征在于，包括：
将被测物(9)固定在载物台(8)上，实时获取收集进入相机(18)的干涉图；
调整载物台(8)，使感兴趣区域成像在相机(18)上；
调整相机(18)上获得的干涉图的强度和对比度；
单独提取相机(18)上获得的各个通道的干涉图信息，计算各个通道中被测物(9)的相位信息，再根据双波长数字全息显微理论获得合成波长下的物体相位信息；
其中，单独提取相机(18)上获得的各个通道的干涉图信息，计算各个通道中被测物(9)的相位信息，再根据双波长数字全息显微理论获得合成波长下的物体相位信息，操作如下：
Ij(x,y)＝|Oj|2+|Rj|2+RjOj *+Rj *Oj (1)
式中，Ij为相机记录的干涉图强度，j为彩色通道的序号，Oj是物光波，Rj是参考光波，*是共轭算子；
对各通道获得的数字全息干涉图使用角谱方法重建，获取样本复振幅分布：
Figure FDA0004237431710000031
式中，kj＝2π/λj，Rj(x,y)＝exp[i2π(ξjx+ηjy)]，λj为光源波长，ξj和ηj代表全息图在x和y两个方向上的载波频率，Δz是重建距离，Wj是频谱滤波函数，FT与IFT为傅里叶变换算子与反傅里叶变换算子；
从样本复振幅中提取相位信息：
Figure FDA0004237431710000032
式中，arctan为反正切算子，Im为虚部，Re为实部；
将两个激光器获得的相位作差获得等效相位：
Figure FDA0004237431710000033
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