基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量、成像技術(shù)，特別是一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字全息作為一種新型相干測(cè)量與成像技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)獨(dú)立地獲取物體的定量振幅信息和相位信息。當(dāng)對(duì)具有細(xì)微三維光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式物體進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)，相位信息顯得尤為重要。然而，使用傳統(tǒng)的數(shù)字全息顯微系統(tǒng)進(jìn)行定量相位測(cè)量時(shí)，要準(zhǔn)確地獲得物體的相位像，就必須要首先對(duì)再現(xiàn)像中的相位畸變進(jìn)行校正，這就需要知道實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)參數(shù)，如記錄距離、物參夾角、顯微物鏡的放大倍率等。因此，近幾年相位畸變校正已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。
[0003]按實(shí)現(xiàn)方法分類，相位畸變校正可分為兩類:一類是通過(guò)軟件方法，即在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)數(shù)值再現(xiàn)進(jìn)行畸變校正，瑞士研究組T.Colomb等人提出了三種消除相位畸變的方法([1]T.Colomb，et al.“Numerical Parametric Lens for Shifting,Magnificat1n,andComplete Aberrat1n Compensat1n in Digital Holographic Microscopy，，.J.0pt.Soc.Am.A.2006,23(12):3177?3190)，第一種是自動(dòng)相位掩膜法，通過(guò)多次曲線擬合法來(lái)自動(dòng)確定重建參數(shù)來(lái)校正相位畸變，第二種是提出利用參考共軛全息圖來(lái)校正相位畸變，第三種是選取再現(xiàn)視場(chǎng)中無(wú)物體的平坦區(qū)域，通過(guò)澤尼克多項(xiàng)式擬合來(lái)獲得畸變相位。在國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)的趙建林等人提出了基于最小二乘曲面擬合法([2] J.L.Di，et al.“PhaseAberrat1n Compensat1n of Digital Holographic Microscopy based on LeastSquares Surface Fitting”.0pt.Commun..2009，(282):3873 ?3877)，只需一幅全息圖，便消除相位畸變。但是上述通過(guò)后期計(jì)算進(jìn)行相位畸變補(bǔ)償?shù)姆椒ù蠖噙\(yùn)算量大，不論是澤尼克多項(xiàng)式擬合還是最小二乘曲面擬合等擬合方法的計(jì)算時(shí)間都隨拍攝得到的全息圖尺寸大小的增大而急劇增大。另一類是通過(guò)硬件方法即在實(shí)驗(yàn)記錄中通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)光路來(lái)消除相位畸變，比如較為典型的意大利研究組P.Ferraro等人提出一種有效的兩步曝光法([3]P.Ferraro, et al.“Compensat1n ofthe Inherent Wave Front Curvaturein Digital Holographic Coherent Microscopy for Quantitative Phase—contrastImaging”.App1.0pt.2003，42 (11):1938?1946)，這種方法的思路是分別拍攝有樣品和無(wú)樣品時(shí)的兩幅全息圖再進(jìn)行相位相減，可以一次去掉所有畸變。然而，兩步曝光法需記錄兩幅全息圖，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高。美國(guó)的M.K.Kim研究組提出一種物理補(bǔ)償?shù)姆椒?[4]M.K.Kim.“Applicat1ns ofDigital Holography in B1medical Microscopy，，.J.0pt.Soc.Korea.2010，14(2):77?89)，這種方法沒有在物光光路中使用鏡筒透鏡，而是在參考光路中加入了另一個(gè)相同的顯微物鏡，試圖使球面參考光的曲率與球面物光的曲率相同，從而在實(shí)驗(yàn)記錄中消除二次相位畸變，但是該方法所加入的第二個(gè)顯微物鏡的位置很難確定和調(diào)節(jié)，而輕微的位置偏移都會(huì)導(dǎo)致相位畸變無(wú)法完全消除。所以如何實(shí)現(xiàn)精度又高調(diào)節(jié)又方便的相位畸變硬件補(bǔ)償成為了數(shù)字全息顯微成像中一項(xiàng)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置，以避免在數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)中出現(xiàn)相位畸變問題。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置，包括激光器、集光鏡、聚光鏡針孔光闌、第一聚光鏡、第一平面鏡、第二分束鏡、鏡筒透鏡、顯微物鏡、相機(jī)、第一衰減片與第二平面鏡，所述的聚光鏡針孔光闌放置在集光鏡的后焦面位置，同時(shí)也是第一聚光鏡的前焦面位置；其中激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)集光鏡匯聚到聚光鏡針孔光闌，光通過(guò)聚光鏡針孔光闌發(fā)散后又被第一聚光鏡收集變成平行光，再經(jīng)過(guò)第一平面鏡反射被第二分束鏡分成兩路:其中一路經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡和顯微物鏡后再次變成平行光照射待測(cè)樣品，然后被待測(cè)樣品反射的光經(jīng)過(guò)顯微物鏡和鏡筒透鏡以及第二分束鏡后垂直照射相機(jī)的成像平面，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過(guò)第一衰減片衰減光強(qiáng)，被第二平面鏡反射，再通過(guò)第一衰減片被衰減，最后通過(guò)第二分束鏡后傾斜照射相機(jī)的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)記錄下來(lái)。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):采用了遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)，使物光和參考光這兩束平行光在相機(jī)成像平面上干涉形成干涉圖，從而可避免傳統(tǒng)數(shù)字全息顯微成像裝置中的像差和畸變，大大提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，而且無(wú)需其他復(fù)雜的物理或計(jì)算像差補(bǔ)償過(guò)程，降低了后期計(jì)算處理的復(fù)雜度。
[0007]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1 (a)_圖1 (C)是為基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置的三種等價(jià)裝置的示意圖:圖1(a)是使用邁克爾遜結(jié)構(gòu)的一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置的示意圖；圖1(b)是使用分束鏡進(jìn)行分光的一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置的示意圖；圖1(c)是使用光纖與光纖分路器進(jìn)行分光的一種基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置的示意圖。
[0009]圖2(a)-圖2(e)是為利用基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置對(duì)MEMS表面微結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行數(shù)字全息顯微成像的結(jié)果:圖2(a)是數(shù)字全息顯微鏡拍攝到的原始干涉圖；圖2(b)是原始干涉圖2(a)經(jīng)過(guò)傅立葉變換的頻譜，圖中用小框框出的是+1級(jí)譜；圖2((:)是+1級(jí)譜平移到頻譜中央后的結(jié)果，即物體的原始頻譜；圖2((1)是利用傅立葉逆變換求出的物體的光強(qiáng)分布圖；圖2(e)是利用傅立葉逆變換求出的物體的相位分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1(a)所示，本發(fā)明基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置，包括激光器1、集光鏡2、聚光鏡針孔光闌3、第一聚光鏡4、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15、第一衰減片18與第二平面鏡19，所述的聚光鏡針孔光闌3放置在集光鏡2的后焦面位置，同時(shí)也是第一聚光鏡4的前焦面位置；其中激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)集光鏡2匯聚到聚光鏡針孔光闌3，光通過(guò)聚光鏡針孔光闌3發(fā)散后又被第一聚光鏡4收集變成平行光，再經(jīng)過(guò)第一平面鏡10反射被第二分束鏡11分成兩路:其中一路經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡12和顯微物鏡13后再次變成平行光照射待測(cè)樣品14，然后被待測(cè)樣品14反射的光經(jīng)過(guò)顯微物鏡13和鏡筒透鏡12以及第二分束鏡11后垂直照射相機(jī)的成像平面15，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過(guò)第一衰減片18衰減光強(qiáng)，被第二平面鏡19反射，再通過(guò)第一衰減片18被衰減，最后通過(guò)第二分束鏡11后傾斜照射相機(jī)15的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)15記錄下來(lái)。
[0011]本發(fā)明基于遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射式數(shù)字全息顯微成像裝置還有兩種等價(jià)的光路結(jié)構(gòu)，一種結(jié)構(gòu)如圖1(b)所不，使用第一分束鏡5進(jìn)行分光，包括激光器1、集光鏡2、聚光鏡針孔光闌3、第一聚光鏡4、第一分束鏡5、第三平面鏡6、第二衰減片7、第四平面鏡8、第五平面鏡9、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15，所述的聚光鏡針孔光闌3放置在集光鏡2的后焦面位置，同時(shí)也是第一聚光鏡4的前焦面位置；其中激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)集光鏡2匯聚到聚光鏡針孔光闌3，光通過(guò)聚光鏡針孔光闌3發(fā)散后又被第一聚光鏡4收集變成平行光，再被第一分束鏡5分成兩路:其中一路經(jīng)過(guò)第一平面鏡10反射后經(jīng)過(guò)第二分束鏡11，再經(jīng)過(guò)鏡筒透鏡12和顯微物鏡13后變成平行光照射待測(cè)樣品14，然后被待測(cè)樣品14反射的光經(jīng)過(guò)顯微物鏡13和鏡筒透鏡12以及第二分束鏡11后垂直照射相機(jī)15的成像平面，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過(guò)第三平面鏡6反射后經(jīng)過(guò)第七衰減片7衰減光強(qiáng)，依次被第四平面鏡8和第五平面鏡9反射后，通過(guò)第二分束鏡11后傾斜照射相機(jī)15的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)15記錄下來(lái)。
[0012]另一種結(jié)構(gòu)如如圖1 (C)所示，使用光纖分路器16進(jìn)行分光，包括激光器1、光纖分路器16、第一聚光鏡4、第二聚光鏡17、第二衰減片7、第四平面鏡8、第五平面鏡9、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15，其中激光