专利名称：一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数字全息显微成像技术领域，涉及一种三维显微观测系统，更特别地说，是指一种全光纤预放大数字全息三维显微观测系统。
背景技术：
高分辨率的三维显微成像是微电子技术、精密加工技术以及现代生物技术中非常需要的观测手段，对研究、开发和制造起着关键的作用。数字全息技术是采用数字图像技术，将物光波与参考光波干涉后形成的光谱利用CXD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)、CM0S (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体)等光电成像探测器件作为记录介质并以数字方式记录下来，通过数字反演解算得到三维数字图像的技术，是将集光学干涉、数字图像处理与显示测量相结合的综合性技术领域，发挥了光学相干成像与高速数字图像处理的优势。数字全息技术由于保留了传统光学全息的优点并直接结合了现代的数字化光电与计算机处理技术，可以完成对物体三维空间的高分辨成像、物体运动信息的获取，快速的图像与数据分析处理、方便的数据存储与传输，因此它赋予了光学全息技术崭新的意义和在观测技术领域广阔的发展前景。数字全息技术的特点包括(I)数字全息用CCD或CMOS取代传统的干板作为记录介质，避免了繁琐的湿化处理过程，大大缩短了曝光时间和再现时间，简化了全息技术的处理程序，提高了对于图像信息提取处理速度，使发展快速实时的全息三维测量应用技术及全数字化的集成全息系统成为可能；(2)数字全息技术能定量地得到被记录物体再现像的振幅和相位信息，不仅可以得到反射型物体的形貌分布，还适合测量三维透明或半透明物体的形貌分布等信息；(3)由于数字全息采用数字处理的方法完成物体的三维重构再现，因此数字全息技术可以方便地与现代数字图像处理的相关技术和算法来消除噪声和相位偏差对再现像的影响，提高再现像质量，这些处理在真实的物理环境中通常是很难或几乎不可能实现的；(4)数字全息技术实现了全息图的记录、存储和再现全过程的数字化，大大增强了数据的可移植性，同时可以方便调节再现距离得到不同再现距离下的物光波分布，从而可以通过采用合适的对焦判据实现自动对焦。所以数字全息技术提供了对物空间进行逐层成像分析的可能性，同时，可以通过数学处理方法消除由于透镜等光学元件的内部缺陷造成的图像畸变；(5)数字全息技术还可以通过干涉与衍射场的相互反演以全模拟方法对一些难以测量的物体变化与运动信息包括宏观与微观物质运动与变化情况进行前瞻性理论模拟观测预期。为研究特殊条件下物体的变化与运动提供参考；(6)数字全息技术具有瞬时完成区域空间体拍摄、非接触、非损伤性光学三维成像的本征特点，甚至可以对物质实施远距离显微观测成像，因此不需要特殊的测量样品处理加工过程，便可以实现对物质原貌的非提取就地测量，其轴向分辨率可以达到< lnm，水平分辨率在光学波长量级的衍射极限水平。而且数字全息技术对环境影响小，特别是大景深、 长工作距离、高精度的显微成像对各种物质的原位观测提供了方便。但是，目前数字全息技术在实际应用中仍存在一些技术问题，主要是再现物光的分辨率受光电图像传感器(CCD、CM0S)性能指标的制约，具体表现为(I)目前光电图像传感器的像素尺寸较大(约3.5 10 μ m)，因此仅能够记录与参考光夹角较小(约小于1° )的物光；(2)光电图像传感器光敏面的面积较小(约IcmX Icm)，使得物光场的高频成分无
法记录。因此，由于上述因素，造成严重的分辨率受限问题，进而使得数字全息技术在显微应用中受到一定限制。为了解决这一问题，普遍利用显微物镜对待测物体进行预放大，然后将所得到的物体放大实像进行数字全息记录与再现，从而能够获得高分辨率物光场。

发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，该装置一方面通过分光耦合单元保证物光光强与参考光光强相等、偏振方向相同； 另一方面通过显微物镜对待观测物体进行预放大，可实现高分辨率物光场的获取；第三方面以非接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。本发明的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，该装置包括有光源、分光率禹合单兀、光照明单兀、显微物镜、曲率配准透镜、消偏振分光棱镜、CMOS相机、光输出单元；光源用于产生中心波长为532nm的激光；激光经分光耦合单元形成两束中心波长为 532nm的光纤光分别输出至光照明单元和光输出单元；其中一束通过光照明单元后形成平行光，在平行光的照射下，待观测物体透射的具有物体形貌信息的物光经显微物镜、曲率配准透镜后入射至消偏振分光棱镜；另一束通过光输出单元后形成球面参考光入射至消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜对入射的球面参考光、具有物体形貌信息的物光进行合光处理后得到合并光束，该合并光束形成的干涉全息图被CMOS相机的光敏面捕获。本发明的优点在于(I)分光f禹合单兀可以精确控制物光和参考光的偏振态方向和光强比，同时输出偏振态、功率稳定的光纤光。(2)运用第一保偏光纤以及光纤调整架、第一支撑杆和第一磁力座组合形成的光输出单元，不仅可以实现稳定的球面参考光输出，而且可以灵活快速地实现球面参考光照射角度的俯仰调节。(3)运用第二保偏光纤以及光纤准直镜、四维调节支架、第二支撑杆和第二磁力座组合形成的光照明单元，不仅可以实现稳定的平行光输出，而且可以灵活快速地实现以不同入射角度的照明光照射待观测物体。(4)采用显微物镜对待观测物体进行预放大，可实现高分辨率物光场的获取。(5)采用两路光(球面参考光和具有物体形貌信息的物光)在消偏振分光棱镜上进行合光，可以通过数字全息记录方式获取待观测物体的三维信息。(6)本发明观测装置结构紧凑，操作方便。


图I是本发明的结构示意 图2是本发明的分光耦合单元的结构示意 图3是本发明的四维调节支架第一个角度的结构示意 图4是本发明的四维调节支架第二个角度的结构示意 图5是本发明的光输出单元第一个角度的结构示意图
图6是本发明的光输出单元第二个角度的结构示意图
图7是本发明的光照明单元第一个角度的结构示意图
图8是本发明的光照明单元第二个角度的结构示意图。
图中
I 一光源2—分光耦合单元3—光照明单元4—显微物镜5—曲率配准透镜6—消偏振分光棱镜7—CMOS相机8—光输出单元201—连续可调光衰减片202—A半波片203—偏振分光棱镜204—B半波片205—第一四维调节支架206—光纤耦合器207—通孔208—法兰盘209—调节螺钉210—第二四维调节支架301 —第二保偏光纤302—光纤准直镜303—第三四维调节:304—第二支撑杆305—第二磁力座306—调节螺钉D307—调节螺钉E308—调节螺钉F309—调节螺钉G310—调节螺钉H311—第二磁力开关801 —第一保偏光纤802—光纤调整架803—第一支撑杆804—第一磁力座805—调节螺钉A806—调节螺钉B
807—调节螺钉C808—第一磁力开关
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，如图I所示，包括光源
I、分光I禹合单兀2、光照明单兀3、显微物镜4、曲率配准透镜5、消偏振分光棱镜6、CMOS相机7和光输出单元8。所述的光源I采用激光器，光源I产生中心波长为532nm的激光，激光入射至分光耦合单元2的连续可调光衰减片201。分光耦合单元2如图2所示，包括连续可调光衰减片201、A半波片202、偏振分光棱镜203、B半波片204、第一四维调节支架205、第二四维调节支架210和光纤耦合器206。光源I发出的激光顺序经过连续可调光衰减片201、A半波片202进入偏振分光棱镜203,偏振分光棱镜203将接收到的激光分为偏振方向垂直的两束光纤光；偏振方向垂直于传播方向的光纤光输出至第一四维调节支架205上的光纤耦合器206上，通过光纤耦合器206形成中心波长为532nm的光纤光,通过FC/APC端口的第二保偏光纤301输出至光照明单元3 ;偏振方向平行于传播方向的光纤光经过B半波片204后，输出至第二四维调节支架210上的光纤稱合器206上,通过光纤稱合器206形成中心波长为532nm的光纤光,通过 FC/APC端口的第一保偏光纤801输出至光输出单元8 ；第一四维调节支架205、第二四维调节支架210，其中，第一四维调节支架205如图 3和图4所示，四维调节支架205设有四个调节螺钉209，通过调节螺钉209在Y、Z轴方向的角度精密调节和位移精密调节，可以改变光纤耦合器206内的聚焦透镜相对于入射激光的俯仰位置，消除激光穿过A半波片202、B半波片204和偏振分光棱镜203后光轴位移的影响。第一四维调节支架205中间设有通孔207，通孔207的一端设有法兰盘208，法兰盘 208上连接有光纤耦合器206，光纤耦合器206上设有FC/APC端口，激光通过通孔207进入， 经过光纤耦合器206，然后通过保偏光纤输出；第一四维调节支架205的FC/APC端口通过第二保偏光纤301连接光照明单元3中光纤准直镜302的FC/PC端口上；第二四维调节支架210的FC/APC端口通过第一保偏光纤801连接光输出单元8中光纤调整架802的FC/PC 端口上；本发明中连续可调光衰减片201用于调节光源I发射的激光光强，A半波片202用于将光源I发射的激光进行偏振方向的调整，而B半波片204用于将经偏振分光棱镜203 反射的激光进行偏振方向的调整，采用A半波片202、B半波片204对入射后的激光进行偏振方向的调整，保证了两束光纤光的偏振方向一致，同时可调节两束光纤光的光强比，进而控制经光输出单元8后的球面参考光和由待观测物体透射后形成的具有物体形貌信息的物光的光强比；分光耦合单元2 —方面用于接收从光源I出射的中心波长为532nm的激光，另一方面将接收到的激光分为传播方向垂直、偏振方向相同的两束光纤光。光输出单兀8如图5和图6所不,包括第一保偏光纤801、光纤调整架802、第一支撑杆803和第一磁力座804 ；第一保偏光纤801的两端分别为FC/APC端口和FC/PC端口，FC/APC端口连接分光耦合单元2的光纤耦合器206上，FC/PC端口连接光纤调整架802上；光纤调整架802的底部设有螺纹孔，光纤调整架802上设有的调节螺钉A805和调节螺钉B806，用于实现球面光照射角度的俯仰调节；第一支撑杆803的一端安装在第一磁力座804上，第一支撑杆803的另一端安装在光纤调整架802的底部的螺纹孔内，而且，第一支撑杆803上设有调节螺钉C807，通过调节螺钉C807实现第一支撑杆803的升降或顶紧；第一磁力座804上设有第一磁力开关808,第一磁力开关808用于开关第一磁力座 804,第一磁力座804产生磁力后,将光输出单兀8固定在光学平台上；通过第一保偏光纤801的FC/PC端口，形成球面参考光入射至消偏振分光棱镜6 ；光照明单元3如图7和图8所示，包括第二保偏光纤301、光纤准直镜302、第三四维调节支架303、第二支撑杆304和第二磁力座305 ；第二保偏光纤301的两端分别为FC/APC端口、FC/PC端口，FC/APC端口连接分光耦合单元2的光纤耦合器206上，FC/PC端口连接光纤准直镜302上；第三四维调节支架303中间设有通孔，光纤准直镜302固定在四维调节支架303 的通孔内，第三四维调节支架303上设有的调节螺钉D306和调节螺钉E307，用于实现照明光照射角度的俯仰调节；四维调节支架303上设有的调节螺钉F308和调节螺钉G309用于实现照明光在垂直于光轴Z平面内的X、Y方向上的微位移调节；四维调节支架303的底部设有螺纹孔；第二支撑杆304的一端安装在第二磁力座305上，第二支撑杆304的另一端安装在四维调节支架303的底部的螺纹孔内，而且，第二支撑杆304上设有调节螺钉Η310，通过调节螺钉Η310实现第二支撑杆304的升降或顶紧；第二磁力座305上设有第二磁力开关311，第二磁力开关311用于开关第二磁力座 305，第二磁力座305产生磁力后，将光照明单元3固定在光学平台上；通过光纤准直镜302后，形成平行光照射到待观测物体上，得到待观测物体具有物体形貌信息的物光，物光经显微物镜4、曲率配准透镜5后进入消偏振分光棱镜6,显微物镜4对待观测物体进行预放大，获取高分辨率的物光场，曲率配准透镜5置于一维平移台上，通过调节曲率配准透镜5与消偏振分光棱镜6之间的距离，实现对具有物体形貌信息的物光曲率与球面参考光曲率的匹配。消偏振分光棱镜6对入射的球面参考光、具有物体形貌信息的物光进行合光处理得到合并光束，CMOS相机7的光敏面捕获合并光束形成干涉全息图。本发明的全光纤预放大数字全息三维显微观测装置的光路连接为光源I出射的中心波长为532nm的激光经分光耦合单元2的连续可调光衰减片201、A半波片202后，入射到偏振分光棱镜203上；激光经分光稱合单兀2进行分光处理后,输出两束中心波长为 532nm的光纤光；其中一束光纤光经过光输出单兀8后形成球面参考光入射至消偏振分光棱镜；另一束光纤光经过光照明单元3后形成平行光照射到待观测物体上；在平行光的照射下，待观测物体透射的具有物体形貌信息的物光经显微物镜4、曲率配准透镜5后入射至消偏振分光棱镜6 ;其中曲率配准透镜5置于一维平移台上，通过调节曲率配准透镜5与消偏振分光棱镜6之间的距离，可实现对具有物体形貌信息的物光曲率与球面参考光曲率的匹配。消偏振分光棱镜6对入射的球面参考光、具有物体形貌信息的物光进行合光处理得到合并光束，该合并光束形成的干涉全息图被CMOS相机的光敏面捕获。在本发明中，由分光I禹合单兀2分出的光纤光经光输出单兀8形成的球面参考光入射至消偏振分光棱镜6，这路光路称为参考光路。在本发明中，由分光耦合单元2分出的光纤光经光照明单元3形成平行光照射到待观测物体上后，透射形成的具有物体形貌信息的物光经显微物镜4、曲率配准透镜5后入射至消偏振分光棱镜6,这路光路称为物光光路。在本发明中采用显微物镜对待观测物体进行预放大，获取高分辨率的物光场。在本发明中的光照明单元3对待观测物体采用非接触方式的工作模式，以获得物体的二维息。在本发明中，连续可调光衰减片201可根据圆盘的旋转而线性改变出射空间光光功率，可以选取北京大恒光电公司生产的型号为GC0-0704M圆形可调光衰减片。在本发明中,偏振分光棱镜203具有将I束入射光分为两束偏振方向正交的光。可以选取北京大恒光电公司生产的型号为GCC-401102的偏振分光棱镜。在本发明中，A半波片202和B半波片204可以改变入射线偏振光的偏振方向，可以选取北京大恒光电公司生产的型号为GCL-060411的石英零级半波片。在本发明中，四维调节支架(205、206、303)采用北京大恒光电公司生产的型号为 GCM-250101带底座式四维透镜/反射镜支架。在本发明中，光纤耦合器206采用美国OZ OPTICS LTD公司生产的型号为 HPUC-23AF-532-S-6. 2AS-2 光纤耦合器。第一保偏光纤801和第二保偏光纤301采用美国OZ OPTICS LTD公司生产的型号为 QPMJ-3AF3S-532-3. 5/125-3-2-1 的 532nm 保偏光纤。在本发明中，光纤调整架802可以选取北京大恒光电公司生产的GCX-M0101FC型
号光纤调整架。在本发明中，显微物镜4具有对待观测物体进行预放大，以实现获取高分辨率的物光场，根据实际测量中对待观测物体的放大需要，可选取北京大恒光电公司生产的型号为GC0-2111的4X显微物镜/GC0-2112的IOX显微物镜/G⑶-2113的16X显微物镜/ GC0-2114的25X显微物镜/GC0-2115的40X显微物镜/GC0-2116的60X显微物镜。在本发明中，曲率配准透镜5置于一维平移台上，通过调节曲率配准透镜5与消偏振分光棱镜6之间的距离，可实现对具有物体形貌信息的物光曲率与球面参考光曲率的匹配，可选取北京大恒光电公司生产的型号为GCL-010115K9平凸透镜。平凸透镜安装在北京大恒光电公司生产的型号为GCM-2701381M透镜/反射镜支架。在本发明中，消偏振分光棱镜6具有将两束传播方向垂直的入射光合成一束光。 选取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd公司生产的型号为NT49-004消偏振分光棱镜。在本发明中，CMOS相机7选取加拿大Lumenera公司生产的型号为LU125M-W0IR、 分辨率为1280X1024像素、帧数为15fps、光敏面尺寸为2/3英寸、信号接口为USB2. O。
权利要求
1.一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，包括光源、分光耦合单元、光照明单元、显微物镜、曲率配准透镜、消偏振分光棱镜、CMOS相机和光输出单元；所述的光源产生激光，激光入射至分光耦合单元的连续可调光衰减片；分光耦合单元包括连续可调光衰减片、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片、第一四维调节支架、第二四维调节支架和光纤耦合器；激光顺序经过连续可调光衰减片、A半波片进入偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将接收到的激光分为偏振方向垂直的两束光纤光；偏振方向垂直于传播方向的光纤光输出至第一四维调节支架上的光纤耦合器上，通过光纤耦合器形成光纤光，通过FC/APC端口的第二保偏光纤输出至光照明单兀；偏振方向平行于传播方向的光纤光经过B半波片后，输出至第二四维调节支架上的光纤耦合器上，通过光纤耦合器形成光纤光，通过FC/APC端口的第一保偏光纤输出至光输出单兀；光输出单兀包括第一保偏光纤、光纤调整架、第一支撑杆和第一磁力座；第一保偏光纤的两端分别为FC/APC端口和FC/PC端口，FC/APC端口连接分光耦合单元的光纤耦合器上， FC/PC端口连接光纤调整架上；光纤调整架的底部设有螺纹孔，光纤调整架上设有的调节螺钉A和调节螺钉B，用于实现球面光照射角度的俯仰调节；第一支撑杆的一端安装在第一磁力座上，第一支撑杆的另一端安装在光纤调整架的底部的螺纹孔内，第一支撑杆上设有调节螺钉C，通过调节螺钉C实现第一支撑杆的升降或顶紧；第一磁力座上设有第一磁力开关，第一磁力开关用于开关第一磁力座；通过第一保偏光纤的FC/PC端口，形成球面参考光入射至消偏振分光棱镜；光照明单元包括第二保偏光纤、光纤准直镜、第三四维调节支架、第二支撑杆和第二磁力座；第二保偏光纤的两端分别为FC/APC端口、FC/PC端口，FC/APC端口连接分光耦合单元的光纤耦合器上，FC/PC端口连接光纤准直镜上；第三四维调节支架中间设有通孔，光纤准直镜固定在四维调节支架的通孔内，第三四维调节支架上设有的调节螺钉D和调节螺钉 E，用于实现照明光照射角度的俯仰调节；四维调节支架上设有的调节螺钉F和调节螺钉G， 用于实现照明光在垂直于光轴Z平面内的X、Y方向上的微位移调节；四维调节支架的底部设有螺纹孔；第二支撑杆的一端安装在第二磁力座上，第二支撑杆的另一端安装在四维调节支架的底部的螺纹孔内，第二支撑杆上设有调节螺钉H，通过调节螺钉H实现第二支撑杆的升降或顶紧；第二磁力座上设有第二磁力开关，第二磁力开关用于开关第二磁力座；通过光纤准直镜后，形成平行光照射到待观测物体上，得到待观测物体具有物体形貌信息的物光，物光经显微物镜、曲率配准透镜后进入消偏振分光棱镜，曲率配准透镜置于一维平移台上，通过调节曲率配准透镜与消偏振分光棱镜之间的距离，实现对具有物体形貌信息的物光曲率与球面参考光曲率的匹配；消偏振分光棱镜对入射的球面参考光、具有物体形貌信息的物光进行合光处理得到合并光束，CMOS相机的光敏面捕获合并光束形成干涉全息图。
2.根据权利要求I所述的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，所述的光源采用激光器，激光器产生中心波长为532nm的激光。
3.根据权利要求I所述的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，所述的光纤稱合器形成中心波长为532nm的光纤光。
4.根据权利要求I所述的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，所述的第一四维调节支架、第二四维调节支架结构相同，其中，第一四维调节支架设有四个调节螺钉，通过调节螺钉在Y、Z轴方向的角度精密调节和位移精密调节；第一四维调节支架中间设有通孔，通孔的一端设有法兰盘，法兰盘上连接有光纤耦合器，光纤耦合器上设有FC/APC端口，激光通过通孔进入，经过光纤耦合器，然后通过保偏光纤输出；第一四维调节支架的FC/APC端口通过第二保偏光纤连接光照明单元中光纤准直镜的FC/PC端口上； 第二四维调节支架的FC/APC端口通过第一保偏光纤连接光输出单元中光纤调整架的FC/ PC端口上。
5.根据权利要求I所述的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，所述的分光耦合单元分出的光纤光经光输出单元形成的球面参考光入射至消偏振分光棱镜，为参考光路。
6.根据权利要求I所述的一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，其特征在于，所述的分光耦合单元分出的光纤光经光照明单元形成平行光照射到待观测物体上后， 透射形成的具有物体形貌信息的物光经显微物镜、曲率配准透镜后入射至消偏振分光棱镜，为物光光路。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，该装置包括有光源、分光耦合单元、光照明单元、显微物镜、曲率配准透镜、消偏振分光棱镜、CMOS相机、光输出单元；光源用于产生中心波长为532nm的激光；激光经分光耦合单元形成两束中心波长为532nm的光纤光分别输出至光照明单元和光输出单元；其中一束通过光照明单元后形成平行光，在平行光的照射下，待观测物体透射的具有物体形貌信息的物光经显微物镜、曲率配准透镜后入射至消偏振分光棱镜；另一束通过光输出单元后形成球面参考光入射至消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜对入射的球面参考光、具有物体形貌信息的物光进行合光处理后得到合并光束，该合并光束形成的干涉全息图被CMOS相机的光敏面捕获。
文档编号G01B9/04GK102589417SQ20121006491
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者刘烁, 李建毅, 李艳, 潘锋, 肖文, 韩冰 申请人:北京航空航天大学