专利名称：基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量微小物体三维形貌的相移数字全息显微装置。
背景技术：
一般的显微镜只能观测微小物体的强度分布，对于透明物体的相位分布却无能为 力。然而，被测物体的相位分布直接关联着被测物体的三维形貌，准确测量微小物体的相位 分布具有重要意义。瑞士 Lunceetec公司开发出的DHM-1000数字全息显微镜，可以用于测量微小物体 的相位分布。但其缺点是1、采用离轴全息光路因而不能充分利用CCD相机的视场和分辨 率；2、不能在光路中消除物镜引起的相位畸变，这为被测物体相位重构带来了困难与挑战； 3、物光和参考光在空间上历经了不同的路径，所以环境振动对测量结果影响较大，降低了 实验的可重复性。西班牙Valencia大学的Mico教授提出一种对环境振动不敏感的全息显微光路。 他们所提出的光路采用点光源照明，并利用一光栅将显微镜视场分成两半，一半用作物光， 另一半被空置并用作参考光。由于物光和参考光经历了相同的光学元件，该光路具有对振 动影响不敏感的优点，同时也具有了视场减半的缺点。美国麻省理工学院的Popescu教授提出一种相衬显微光路。利用相位调制器来调 制物光零频分量的相位，从而使物光的相位信息变成了强度信息。所提出的光路也具有对 振动影响不敏感的优点。由于物光的零频频谱往往小于相位调制器的像素尺寸，调制区域 在覆盖物光的零频频谱的同时，也覆盖了一部分低频频谱，因此相位调制降低了测量精度。
发明内容
本发明目的是提供一种基于光栅衍射的物参共路相移数字全息显微装置，其解决 了现有技术对环境振动较敏感(稳定性差)、可重复性差、视场小、物镜引起相位畸变、测量 精度差的技术问题。本发明的技术解决方案为一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特殊之处是，包括照明 单元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，所述照明单元和显微单元分别放置在样品的两 侧，所述照明单元包括激光器，设置在激光器前方的光强控制器；所述显微单元包括由显微 物镜和第三透镜组成的第二望远镜单元，所述样品放置在第二望远镜单元的前焦面上；所 述干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度控制单 元；所述分束单元包括放置在第三透镜后焦面上的第一光栅；所述滤波单元包括4f滤波系 统，所述4f滤波系统包括第四透镜和第五透镜，以及设置在第四透镜和第五透镜共焦面上 的第二针孔滤波器；所述合束单元包括放置在第五透镜后焦面上的第二光栅，由第六透镜 和第七透镜组成的第三望远系统，以及设置在第六透镜和第七透镜共焦面上的光阑；所述 对比度控制单元包括设置在第一光栅+1级衍射光光路上的第一偏振片、置于第一光栅-ι级衍射光光路上第二偏振片，以及设置于第七透镜和C⑶相机之间的第三偏振片；所述成 像单元包括CXD相机，CXD相机放置在第七透镜的后焦面上。上述显微装置包括设置于第三透镜和第一光栅之间的反射镜。上述照明单元包括由透镜和组成的第一望远镜单元，以及设置在透镜和共焦面上 的针孔滤波器。 上述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向正交。上述第二针孔滤波器为加工在金属薄片上的小孔，所述金属薄片上还加工有可 使-1级衍射光频谱全部通过的大孔。上述第一光栅和第二光栅是振幅型光栅或相位型光栅，所述第二光栅的周期A2 和第一光栅的周期A1满足以下关系Λ2= A1XV,其中V为两光栅中间4f滤波系统的放 大率。上述第一光栅和第二光栅是相位阶为π的二进制相位光栅。上述激光器为波长处在可见光范围的激光器或红外激光器，所述CCD相机相应为 可见光CXD相机或红外CXD相机。上述激光器(1)为氦氖激光器。本发明具有以下优点1、本发明因为装置中物光和参考光经历了相同的光学元件，所以该装置稳定性 好，对环境振动不敏感。2、本发明采用同轴全息光路，物光和参考光垂直照射CCD相机，该装置充分利用 了 CCD相机的视场和分辨率。3、本发明采用了适宜的相移方法一通过移动光栅来实现相移。由于物光和参考 光都经过了光栅，所以移动光栅实施相移后条纹可以很快稳定下来。4、本发明所涉及的相移方法具有消色差特性。每次移动光栅1/4个光栅周期可得 到η/2的相移，相移操作对波长不具有依赖性。5、因为物参共路的结构降低了装置对光源相干性(单色性)的要求，同时相移操 作对波长也不具有依赖性，所以相对于其它光路，本发明所提出的光路对光源单色性要求 较低(可采用扩展光源照明)。
图1为本发明的一种结构示意图。图2为本发明另一种结构示意图。图3为本发明滤波单元局部放大图。图4至图7为微透镜阵列的四步相移干涉图样。图8为数字再现的微透镜阵列的厚度三维分布图。附图标记如下1-激光器，2-光强控制器，3-第一透镜，4-第一针孔滤波器，5-第二透镜，6_样 品，7-显微物镜，8-第三透镜，9-第一光栅，10-第四透镜，11-第-偏振片，12-第二偏振片， 13-第二针孔滤波器，14-第五透镜，15-第二光栅，16-第六透镜，17-光阑，18-第七透镜， 19-第三偏振片，20-CXD相机，21-反射镜。
具体实施例方式本发明所包含的部件功能如下1、激光器1，波长在可见光范围，输出激光功率稳定，用于照明待测样品。2、光强控制器2，可以为连续可调的衰减器，也可以为两个平行放置的偏振片(第 二个偏振片用于固定照明光的偏振方向，旋转第一个偏振片来调节照明光的光强)。3、第一透镜3、第二透镜5、第三透镜8、第四透镜10、第五透镜14、第六透镜16、第 七透镜18，要求为消球差透镜。4、第二针孔滤波器13。为了方便安装固定，可以在一块金属薄片加工出一小孔和 一大孔。小孔即第二针孔滤波器13应具有合适直径用于对+1级衍射光进行低通滤波，应 能保证滤波后的光束在CCD相机视场内光强均勻。大孔用来使-1级衍射光频谱全部通过。5、第一光栅9，可以为振幅光栅也可以为相位光栅。为了提高光强利用率，最好选 用二进制相位光栅(相位阶为η的Ronchi相位光栅)。二进制相位光栅在士 1级上具有 较高衍射效率。6、第一偏振片11、第二偏振片12的偏振方向正交。若入射光为线偏振光，这两个 偏振片方向最好与入射光的偏振方向分别成45°角和-45°角。7、光阑17，孔径大小适宜，既能保全沿轴向方向传播光束的频谱，又可以滤掉沿其 它方向传播的光束。8、CXD相机20，一般为黑白CXD相机，具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。本发明所提出的光路如图1所示。激光器1发出的激光经过光强控制器2后，被一 个由第一透镜3和第二透镜5组成的第一望远镜单元扩束准直成平行光。放置在第一透镜 3的后焦面上的第一针孔滤波器4对光束进行低通滤波，用以提高照明光束质量。样品6放 在由显微物镜7和第三透镜8组成的第二望远镜单元的前焦面上，因此放大的实像将出现 在第二望远镜单元的后焦面上。第一光栅9放置在该像面上，通过衍射将物光复制成完全 相同的几份沿各个衍射级方向传播。各级衍射光通过由第四透镜10和第五透镜14组成的 4f滤波系统，它们的频谱在第四透镜10的后焦平面上。偏振方向正交的第一偏振片11、第 二偏振片12分别置于+1和-1级衍射光的频谱面之前。+1级衍射光受到位于其频谱面上 的第二针孔滤波器13的小孔滤波，经过第五透镜14后变成平行光(作为参考光)。-1级 衍射光直接通过第二针孔滤波器13的大孔，经过第五透镜14后变成平行光(作为物光)。 在第五透镜14的后焦面上，垂直于光轴放置一个与第一光栅9完全相同的第二光栅15。将 经过第二光栅15前的-1级衍射光和滤波后的+1级衍射光分别记为CI1和Olf，两者经第二 光栅15衍射后，将各自产生不同的衍射光。其中，CI1的+1衍射光和Olf的-1级衍射光分 别沿光轴方向传播并且被分别用作物光和参考光。其它衍射级被设置在第六透镜16后焦 平面上的光阑17滤掉。最后第六透镜16和第七透镜18组成一个第三望远镜单元，对物光 和参考光进行放大。CCD相机20放在第七透镜18的后焦平面上来接收物光和参考光的干 涉图样。旋转第三偏振片可以调整物光和参考光的相对光强，从而调整干涉条纹的对比度。 综上所述由于物光和参考光历经完全相同的光学元件，因此该装置对环境的振动影响较 小。同时，光路中采用由显微物镜和长焦距透镜组成的望远系统对样品进行放大显微，物光 经该系统后仍然是平行光，因此消除了物镜引入的附加相位。
图1所示光路为线性走向，虽然结构简单但占空间较大。为了减小装置的体积，可 以在光路中加入反射镜21来折转光路，如图2所示。本发明原理如下第一光栅9的复透过率可以展开为傅立叶级数
权利要求
1.一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于包括照明单 元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，所述照明单元和显微单元分别放置在样品(6)的 两侧，所述照明单元包括激光器(1)，设置在激光器(1)前方的光强控制器O)；所述显微单元包括由显微物镜(7)和第三透镜(8)组成的第二望远镜单元，所述样品 (6)放置在第二望远镜单元的前焦面上；所述干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度 控制单元；所述分束单元包括放置在第三透镜(8)后焦面上的第一光栅(9)；所述滤波单元包括4f滤波系统，所述4f滤波系统包括第四透镜(10)和第五透镜 (14)，以及设置在第四透镜(10)和第五透镜(14)共焦面上的第二针孔滤波器(13)；所述合束单元包括放置在第五透镜(14)后焦面上的第二光栅(15)，由第六透镜(16) 和第七透镜(18)组成的第三望远系统，以及设置在第六透镜(16)和第七透镜(18)共焦面 上的光阑(17)；所述对比度控制单元包括设置在第一光栅(9)+1级衍射光光路上的第一偏振片(11)、 置于第一光栅(9)-1级衍射光光路上第二偏振片(12)，以及设置于第七透镜(18)和CCD相 机(20)之间的第三偏振片(19)；所述成像单元包括CCD相机00)，CCD相机00)放置在第七透镜(18)的后焦面上。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于所述显微装置包括设置于第三透镜(8)和第一光栅(9)之间的反射镜01)。
3.根据权利要求1或2所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特 征在于所述照明单元包括由透镜C3)和( 组成的第一望远镜单元，以及设置在透镜(3) 和( 共焦面上的针孔滤波器G)。
4.根据权利要求3所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在 于所述第一偏振片(11)和第二偏振片(12)的偏振方向正交。
5.根据权利要求4所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征 在于所述第二针孔滤波器(1 为加工在金属薄片上的小孔，所述金属薄片上还加工有可 使-1级衍射光频谱全部通过的大孔。
6.根据权利要求5所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在 于所述第一光栅(9)和第二光栅(15)是振幅型光栅或相位型光栅，所述第二光栅(15)的 周期A2和第一光栅(9)的周期A1满足以下关系A2= A1XV,其中V为两光栅中间4f 滤波系统的放大率。
7.根据权利要求6所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在 于所述第一光栅(9)和第二光栅(1 是相位阶为η的二进制相位光栅。
8.根据权利要求3所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在 于所述激光器(1)为波长处在可见光范围的激光器或红外激光器，所述CCD相机OO)相 应为可见光CXD相机或红外CXD相机。
9.根据权利要求8所述的基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，其特征在于所述激光器(1)为氦氖激光器。
全文摘要
本发明涉及一种基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置，包括照明单元、显微单元，干涉产生单元和成像单元，照明单元和显微单元分别放置在样品的两侧，照明单元包括激光器，设置在激光器前方的光强控制器；显微单元包括由显微物镜和第三透镜组成的第二望远镜单元，所述样品放置在第二望远镜单元的前焦面上；干涉产生单元包括依次设置在光路方向的分束单元、滤波单元、合束单元、对比度控制单元；成像单元包括CCD相机，CCD相机放置在第七透镜的后焦面上。本发明具有稳定性好，对环境振动不敏感的优点。
文档编号G01B9/04GK102147233SQ20101010628
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者姚保利, 郜鹏 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
