CN218213496U - 一种基于超透镜的小型定量相位成像系统 - Google Patents
一种基于超透镜的小型定量相位成像系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于超透镜的小型定量相位成像系统,包括:照明模块和探测模块;照明模块与探测模块之间设置检测样品;照明模块包括:依次排列的光源、第一起偏器和第一超透镜;第一超透镜为可调超透镜;光源上发出的光束经过第一起偏器后,得到具有不同偏振方向的第一线偏振光和第二线偏振光;第一超透镜能够分时对第一线偏振光和第二线偏振光进行相位调制,相位调制后的第一线偏振光和第二线偏振光被检测样品反射至探测模块,并在探测模块上形成预设数量的、相位差改变的干涉图像。本实用新型利用可调超透镜对偏振光进行相位调制,使整个定量相位成像系统结构紧凑,照明光路得到简化,定量相位成像系统的体积得到缩小。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜技术领域,具体而言,涉及一种基于超透镜的小型定量相位成像系统。
背景技术
定量相位成像系统是在传统定性相位成像系统的基础上发展而来,其定量的方式是将探测器平面记录的干涉强度信息,通过图像处理获取定量相位信息。
现有的定量相位成像系统中,其照明光路使用传统透镜,体积大,系统整体不够紧凑。
实用新型内容
有鉴于此,本申请提出利用可调超透镜对偏振光进行相位调制,使整个定量相位成像系统结构紧凑,照明光路得到简化,定量相位成像系统结构的体积得到缩小。
为实现上述目的,本实用新型实施例提供的具体技术方案如下:
第一方面,本实用新型实施例提供了一种基于超透镜的小型定量相位成像系统,包括:依次排列的光源、第一起偏器和第一超透镜;
所述第一超透镜为可调超透镜;
所述光源上发出的光束经过第一起偏器后,得到具有不同偏振方向的第一线偏振光和第二线偏振光;
所述第一超透镜能够分时对所述第一线偏振光和所述第二线偏振光进行相位调制,相位调制后的所述第一线偏振光和所述第二线偏振光被所述检测样品反射至所述探测模块,并在所述探测模块上形成预设数量的、相位差改变的干涉图像。
可选地,所述探测模块包括:
依次排列在所述检测样品光路下游的第二起偏器、第二超透镜、第三超透镜、检偏器和探测器;
所述第二超透镜能够对经过第二起偏器的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光分别进行准直;所述第三超透镜能够对准直后的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行聚焦;聚焦后的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光经过所述检偏器后分别入射至所述探测器。
可选地,所述第二超透镜和所述第三超透镜,均包括:衬底和设置在所述衬底上的微纳结构。
可选地,经过所述第二起偏器后的所述第一线偏振光的偏振方向与经过所述第一起偏器得到的第一线偏振光的偏振方向相同;经过所述第二起偏器后的所述第二线偏振光的偏振方向与经过所述第一起偏器得到的第二线偏振光的偏振方向相同。
可选地,所述第一超透镜包括:基底和设置在所述基底上的纳米结构,所述纳米结构,包括:相互垂直的第一纳米柱结构和第二纳米柱结构。
可选地,所述第一纳米柱结构和所述第二纳米柱结构,具有不同的相变特性。
可选地,时间为所述y1时刻,所述第一超透镜对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
可选地,时间为所述t2时刻,所述第一超透镜对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在所述y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
可选地,时间为所述t3时刻,所述第一超透镜对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
可选地,所述第二超透镜相位分布满足:
其中,(x,y)为第二超透镜表面上任意一点的坐标,φ2,1(x,y)为第二超透镜对第一线偏振光的相位分布,φ2,2(x,y)为第二超透镜对第二线偏振光的相位分布,R1为第二超透镜的半径,k-θy为第二超透镜的相位系数,bn为系数,n为整数,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离。
可选地,所述第三超透镜相位分布满足:
其中,(x,y)为第三超透镜表面上任意一点的坐标,φ3,1(x,y)为第三超透镜对第一线偏振光的相位分布;φ3,2(x,y)为第三超透镜对第二线偏振光的相位分布。
R2为第三超透镜的半径,bn为系数,n为整数,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离。
本实用新型上述第一方面提供的方案中,通过在照明模块中设置可调的第一超透镜,第一超透镜能够分时对偏振光进行相位调制,相位调制后的偏振光被检测样品反射至探测模块,并在所述探测模块上形成预设数量的、相位差改变的干涉图像;与相关技术中照明光路仍采用传统透镜相比;本方案通过在照明光路中引入超透镜,实现偏振可调,同时使得照明光路体积减小,使得整个系统更紧凑。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或背景技术中的技术方案,下面将对本实用新型实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本实用新型实施例所提供的定量相位成像系统中光路结构示意图;
图2示出了本实用新型实施例所提供的基底俯视图;
图3示出了本实用新型实施例所提供的第一纳米柱结构与第二纳米柱结构之间不同的排布方式示意图;
图4示出了本实用新型实施例所提供的第一超透镜上的纳米结构与偏振光方向示意图。
附图标记说明:
110、照明模块;111、探测模块;112、检测样品;113、光源;114、第一起偏器;115、第一超透镜;116、第二起偏器;117、第二超透镜;118、第三超透镜;119、检偏器;210、探测器;211、基底;212、第一纳米柱结构;213、第二纳米柱结构。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
定量相位成像系统是一种在现有的定性的相位成像技术(如相称显微技术、微分干涉相称显微成像技术)的基础上发展的定量的相位成像技术,定量的方式是将探测器平面记录的干涉强度信息通过图像处理获取定量的相位信息。
现有的一种定量相位成像系统的成像原理为:光源发射的光经过起偏器、分光镜后为线偏振光,打在双折射诺马斯基棱镜(以下简称棱镜)上,经过棱镜以后形成偏振态相互垂直的两束光,两束光作用于检测样品,反射光携带检测样品的相位信息,经过棱镜、分光镜、透镜、相位延迟器和检偏器形成的干涉强度由相机记录。通过控制相位延迟器,控制两束光的相位差,进而影响相机记录的强度图,从不同相位差的多幅强度图中解出相位。
在相关技术中,定量相位成像系统存在以下不足:
第一点,不同偏振方向的线偏振光间的相位差的调制是通过两片超透镜的空间复用实现,使得光利用效率降低。第二点,由于同时获得三幅图像,使得相机画幅大小的利用率也只有1/3。第三点,实现小型化系统时仍采用传统透镜做照明,使得系统不够紧凑和小型化。
本实用新型实施例提供了一种基于超透镜的小型定量相位成像系统,参见图1所示的定量相位成像系统中光路结构示意图,定量相位成像系统,包括:照明模块110以及探测模块111,照明模块110与探测模块111之间设置检测样品112。照明模块110,包括:光源113以及位于光源113的光路下游依次排列的第一起偏器114和第一超透镜115,第一超透镜115为可调超透镜。探测模块111,包括:探测器210以及位于探测器210的光路上游依次排列的第二起偏器116、第二超透镜117、第三超透镜118和检偏器119。
进一步地,参见图2所示的基底俯视图和图3所示的第一纳米柱结构与第二纳米柱结构之间不同的排布方式示意图,第一超透镜115包括:基底211和设置在基底211上的纳米结构,纳米结构,包括:相互垂直的第一纳米柱结构212和第二纳米柱结构213。第一纳米柱结构212和第二纳米柱结构213,具有不同的相变特性。第二超透镜117和第三超透镜118均包括:衬底和设置在衬底上的微纳结构。
上述已对整个定量相位系统(以下简称系统)的组成介绍完毕,下面对该系统的具体工作过程进行描述。
本实用新型实施例中,优选地,采用光源113照明,光源113向第一超透镜115发出光束,光束在经过第一起偏器114后,得到具有不同偏振方向的第一线偏振光与第二线偏振光。第一线偏振光与第二线偏振光在穿过第一超透镜115时发生相位调制,相位调制后的第一线偏振光与第二线偏振光聚焦至检测样品112。在检测样品112表面发生反射后,第一线偏振光与第二线偏振光入射至探测模块中。
第一线偏振光与第二线偏振光射入探测模块时,由于在检测样品112处发生了反射,为了使反射后的第一线偏振光和第二线偏振光扔维持偏振方向为45度,需要用到第二起偏器116。第一线偏振光和第二线偏振光穿过第二起偏器116后射入至第二超透镜117,并在第二超透镜117处进行准直,准直后的第一线偏振光和第二线偏振光入射至第三超透镜118,第三超透118能够对偏振光进行聚焦,聚焦后的偏振光通过检偏器119入射至探测器210。
本实用新型实施例中,第一线偏振光与第二线偏振光(以下统称偏振光)经过第二起偏器116后入射至第二超透镜117,第二超透镜117对偏振光进行准直并入射至第三超透镜118。第三超透118能够对偏振光进行聚焦,聚焦后的偏振光通过检偏器119入射至探测器210。
上述已对该系统的整体工作过程描述完毕,下面对该系统中的第一起偏器114、第二起偏器116与检偏器119分别作单独描述。
第一起偏器114的起偏方向为45度,光源113发出的光束能够被第一起偏器114分解为两束偏振方向相互垂直、且具有一定相位差的偏振光。经过第二起偏器116后的第一线偏振光的偏振方向与经过第一起偏器114得到的第一线偏振光的偏振方向相同;经过第二起偏器116后的第二线偏振光的偏振方向与经过第一起偏器114得到的第二线偏振光的偏振方向相同。
参见图4所示第一超透镜上的纳米结构与偏振光方向示意图,偏振光方向与第一超透镜115上的纳米结构成45度角的关系,矢量分解为与垂直方向(图中浅色部分)和水平方向(图中深色部分)一致的两种偏振方向相互垂直的线偏振光。偏振光在两个纳米结构长边对应的分量相同(又称强度相同)。
下面对该系统中在不同时刻形成的图像过程中,可调的第一超透镜相位进行描述(以干涉图像数量为3进行举例)。
第一超透镜115在该系统中的作用为:使偏振光实现聚焦、特定角度偏折和可调。其中,每一时刻对应有一幅干涉图像,本实用新型实施例中优选为三幅干涉图像,相应地,对应三处不同时刻。t1时刻,第一超透镜115的相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数,i的取值范围为1至200;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜115的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
t2时刻,第一超透镜115的相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数,i的取值范围为1至200;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜115的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
t3时刻,第一超透镜115的相位分布满足:
其中,(x,y)为第一超透镜115表面任意一点的坐标,为t3时刻下,第一超透镜115对第一线偏振光的相位分布,为t3下,第一超透镜115对第二线偏振光的相位分布;为在t3时刻下可调的第一超透镜115的附加相位;
i为上述公式中多项式表达式中的项数,i的取值范围为1至200;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
进一步地,穿过第一超透镜115的第一线偏振光和第二线偏振光照射到检测样品112上,检测样品112内部折射率和形状会对偏振光产生由检测样品112造成的相位(第一线偏振光相位)、(第二线偏振光相位),第一线偏振光与第二线偏振光相位差为:
其中,上述公式中的(x,y)表示检测样品112的二维位置坐标,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在所述y方向上两者之间的距离。
经过检测样品112后,第一线偏振光与第二线偏振光在三个时刻所具有的相位差为:
本实用新型实施例中,第一超透镜115为可调超透镜,可调节不同时刻的偏振光得到不同的相位差,最终形成不同的干涉图像。第二超透镜117与第三超透镜118为非可调超透镜,所以第二超透镜117和第三超透镜118的相位始终为固定不变的,下面对第二超透镜117和第三超透镜118进行描述。
第二超透镜117的相位分布满足:
其中,(x,y)为第二超透镜117表面上任意一点的坐标点,φ2,1(x,y)为第二超透镜117对第一线偏振光的相位分布;φ2,2(x,y)为第二超透镜117对第二线偏振光的相位分布,R1为第二超透镜117的半径,k-θy为第二超透镜117的相位系数,bn为系数,n为整数,i为上述公式中多项式表达式中的项数,i的取值范围为1至200。
第三超透镜118的相位分布满足:
其中,(x,y)第三超透镜118表面上任意一点的坐标,φ3,1(x,y)为第三超透镜118对第一线偏振光的相位分布;φ3,2(x,y)为第三超透镜118对第二线偏振光的相位分布;
R2为第三超透镜118的半径,bn为系数,n为整数,i为上述公式中多项式表达式中的项数,i的取值范围为1至200。
第二超透镜前的起偏器和第三超透镜后的检偏器功能与传统DIC系统功能一致。第二超透镜前的起偏器与上述起偏器功能一致,第三超透镜后的检偏器是将偏振方向不同的偏振光在其检偏方向进行干涉成像(偏振方向互相垂直的光不能干涉)。
检测样品112放置在第一超透镜115和第二超透镜117的焦面上,第二超透镜117和第三超透镜118间距为两个超透镜焦距和,第三超透镜118与第二超透镜117焦距比值为系统放大率,放大率根据实际需求以及探测器210大小进行设计。
综上所述,本实施例提出一种基于超透镜的小型定量相位成像系统,通过在照明模块110中设置可调的第一超透镜115,第一超透镜115能够分时对偏振光进行相位调制,相位调制后的偏振光被检测样品112反射至探测模块111,并在所述探测模块111上形成预设数量的、相位差改变的干涉图像;与相关技术中照明光路仍采用传统透镜,探测模块111用超透镜实现定量相位成像相比;通过在照明模块110中引入第一超透镜115,实现偏振可调,同时减小了照明光路的体积,使得整个系统更紧凑。
以上所述,仅为本实用新型实施例的具体实施方式,但本实用新型实施例的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型实施例披露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本实用新型实施例的保护范围之内。因此,本实用新型实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,包括:照明模块(110)和探测模块(111);
所述照明模块(110)与所述探测模块(111)之间设置有检测样品(112);
所述照明模块(110)包括:依次排列的光源(113)、第一起偏器(114)和第一超透镜(115);
所述第一超透镜(115)为可调超透镜;
所述光源(113)上发出的光束经过第一起偏器(114)后,得到具有不同偏振方向的第一线偏振光和第二线偏振光;
所述第一超透镜(115)能够分时对所述第一线偏振光和所述第二线偏振光进行相位调制,相位调制后的所述第一线偏振光和所述第二线偏振光被所述检测样品(112)反射至所述探测模块(111),并在所述探测模块(111)上形成预设数量的、相位差改变的干涉图像。
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,所述探测模块(111)包括:
依次排列在所述检测样品(112)光路下游的第二起偏器(116)、第二超透镜(117)、第三超透镜(118)、检偏器(119)和探测器(210);
所述第二超透镜(117)能够对经过第二起偏器(116)的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光分别进行准直;所述第三超透镜(118)能够对准直后的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行聚焦;聚焦后的所述第一线偏振光与所述第二线偏振光经过所述检偏器(119)后分别入射至所述探测器(210)。
3.根据权利要求2所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,所述第二超透镜(117)和所述第三超透镜(118),均包括:衬底和设置在所述衬底上的微纳结构。
4.根据权利要求2所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,经过所述第二起偏器(116)后的所述第一线偏振光的偏振方向与经过所述第一起偏器(114)得到的第一线偏振光的偏振方向相同;经过所述第二起偏器(116)后的所述第二线偏振光的偏振方向与经过所述第一起偏器(114)得到的第二线偏振光的偏振方向相同。
5.根据权利要求2所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,所述第一超透镜(115)包括:基底(211)和设置在所述基底(211)上的纳米结构,所述纳米结构,包括:相互垂直的第一纳米柱结构(212)和第二纳米柱结构(213)。
6.根据权利要求5所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,所述第一纳米柱结构(212)和所述第二纳米柱结构(213),具有不同的相变特性。
7.根据权利要求5所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,该成像系统的成像时间包括t1时刻、t2时刻和t3时刻;时间为所述t1时刻,所述第一超透镜(115)对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜(115)相位分布满足:
其中,(x,y)为第一超透镜(115)表面上任意一点的坐标;
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜(115)的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
8.根据权利要求7所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,时间为所述t2时刻,所述第一超透镜(115)对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜(115)相位分布满足:
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜(115)的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
9.根据权利要求7所述的基于超透镜的小型定量相位成像系统,其特征在于,时间为所述t3时刻,所述第一超透镜(115)对所述第一线偏振光与所述第二线偏振光进行相位调制,所述第一超透镜(115)相位分布满足:
其中,(x,y)为第一超透镜(115)表面上任意一点的坐标,为t3时刻下,第一超透镜(115)对第一线偏振光的相位分布;为t3时刻下,第一超透镜(115)对第二线偏振光的相位分布;为在t3时刻下第一超透镜(115)的附加相位;
i为上述公式中多项式表达式中的项数;
bn为系数,n为整数,R为第一超透镜(115)的半径,Δs为第一线偏振光的聚焦点和第二线偏振光的聚焦点在y方向上两者之间的距离,kθ为可调超透镜相位系数。
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GR01 | Patent grant | ||
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