专利名称：一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维显微观测系统，更特别地说，是指一种基于多偏振态合成的
数字全息三维显微观测系统。
背景技术：
数字全息技术是利用CCD (Charge Coupled Device,电荷耦合器件)、 CMOS (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形式记录全息图，利用计算机模拟再现参考光通过全息图的光 学衍射过程以数字方法重构三维散射光场，从而获得散射光场的振幅和相位的信息，其优 点包括(l)以非接触方式获取物体三维信息、对观测样本影响非常小、系统结构简单等优 点；(2)数字全息图的记录与再现过程都以数字化形式完成，因此能够以数字形式重构散 射光场并可以对物体三维信息进行定量分析；(3)在数字重构过程中，可方便的运用数字 图像处理技术，矫正、补偿光学像差以及各种噪声和探测器非线性效应等的影响。
但是在数字全息再现像的三维重构中，数字全息再现像的各种噪声有非常大的影 响。噪声的存在会使得用算法判断像的聚焦出现错误，从而使获得的三维重构像失真。减 小甚至消除各种噪声的影响是三维重构的关键所在，噪声消除的程度直接影响到三维重构 像的质量。散斑噪声是影响数字全息再现像质量的重要因素，也是一种比较难处理的噪声。 它是由于相干光照射到粗糙物体的表面发射散射，在散射体的表面或附近的光场中形成并 可观测的一种无规则的亮暗斑纹。被散斑覆盖的再现像细节很难分清楚，使得再现像模糊 不清。减小激光散斑对提高数字全息再现像的质量有重要意义，对于实现再现像的三维重 构也非常关键。

发明内容
本发明的目的是提出一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，该装
置一方面采用线偏振光作为参考光，圆偏振光作为照射待观测物体的照明光；另一方面利
用改变线偏振参考光的偏振方向和包含有物体形貌信息的圆偏振散射光干涉，可以在不改
变照射光角度以及物体和相机相对位置的情况下获得多幅包含物体不同信息的全息图；第
三方面本观测装置能以非接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。 本发明的一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，该装置包括有光
源、分光单元、空间滤波器、平凸透镜、反射镜、消偏振分光棱镜和CMOS相机。 光源用于为本发明三维显微观测系统提供光信息。 分光单元一方面用于接收从光源出射的激光，分光单元另一方面将接收到的激光 分为线偏振光和圆偏振光，并分别输入两个空间滤波器。偏振分光棱镜置于A半波片和B 半波片之间，1/4波片置于偏振分光棱镜的反射光位置。其中，所述的A半波片用于将光源 发射的激光进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续 可调，而B半波片用于调整偏振分光棱镜的透射光的偏振方向；采用1/4波片可以将偏振分
3光棱镜的反射光转化为圆偏振光；通过旋转B半波片使得线偏透射光的偏振态改变，实现 不同偏振方向的线偏光与圆偏光相干叠加，得到多帧包含不同偏振信息的数字全息图。同 时通过调节连续可调衰减器可以调节线偏振光和圆偏振光的光强比，进而通过控制参考光 和散射光的光强比，提高参物光干涉图像的信噪比。激光经A半波片和偏振分光棱镜后，通 过光纤耦合器形成圆偏振光输出至光照明单元。 本发明的一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置的优点在于(1) 分光单元可以同时输出线偏振光和圆偏振光，并精确控制照明光和参考光的偏振态和光强 比。 (2)本发明通过改变线偏振参考光的偏振方向，和包含有物体形貌信息的圆偏振 散射光发生干涉，可以在不改变照明光照射物体的角度或者物体和相机之间的相对位置的 前提下，记录多帧包含物体信息并且散斑噪声相互独立的数字全息图，进而通过合成上述 数字全息图的再现像，得到高分辨率、低噪声的物体像。 (3)采用线偏振参考光4a和具有物体形貌信息的圆偏振散射光14a在消偏振分光
棱镜上进行合光，利用数字全息记录与再现方法获取待观测物体的三维信息。 (4)本发明观测装置结构紧凑，操作方便，尤其适用于对照射角度有特殊要求的物
体的显微观测。


图1是本发明的基于多偏振态合成的三维显微观测装置的结构框图。
图1A是本发明分光单元的结构图。 图中 1.光源 la.激光 lb.透射光 lc.反
射光 2.分光单元 201.A半波片 202.偏振分光棱镜 203. B
半波片 204.连续可调衰减器 205. 1/4波片 21.线偏振光 22.圆
偏振光 3A.A空间滤波器3B.A平凸透镜3C. B空间滤波器 3D.B平凸透镜4.A反
射镜 4a.参考光 5.消偏振分光棱镜 5a.合并光束6. CMOS
相机 7.B反射镜 7a.照明光 14.待观测物体 14a.具有物体形貌信息
的散射光
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。 参见图1、图1A所示，本发明是一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测 装置，该装置包括有光源1、分光单元2、A空间滤波器3A、B空间滤波器3C、A平凸透镜3B、 B平凸透镜3D、A反射镜4、B反射镜7、消偏振分光棱镜5和CMOS相机6。分光单元2接收 光源1出射的激光，并输出线偏振光21和圆偏振光22 ;线偏振光21顺次经A空间滤波器3A、A平凸透镜3B、A反射镜4后入射至消偏振分光棱镜5上；圆偏振光22顺次经B空间滤 波器3C、 B平凸透镜3D、 B反射镜7、待观测物体14后入射至消偏振分光棱镜5上；最后被 CM0S相机6所采集。 分光单元2包括有A半波片201、偏振分光棱镜202、 B半波片203、连续可调衰减 器204和1/4波片205。 本发明设计的数字全息三维显微观测装置的光路连接为 光源1出射的中心波长为532nm的激光la穿过分光单元2的A半波片201上入 射至偏振分光棱镜202上； 激光la经分光单元2进行分光处理后分别输出线偏振光21和圆偏振光22 ;
线偏振光21顺次经空间滤波器3A、平凸透镜3B后，经反射镜4反射输出参考光 4a入射至消偏振分光棱镜5 ; 圆偏振光22顺次经空间滤波器3C、平凸透镜3D后，经反射镜7反射输出照明光 7a照明光7a照射到待观测物体14上； 在照明光7a的照射下，待观测物体14反射具有物体形貌信息的散射光14a入射 至消偏振分光棱镜5 ; 消偏振分光棱镜5对入射的参考光4a、具有物体形貌信息的散射光14a进行合光 处理得到合并光束5a，该合并光束5a形成的干涉全息图被CMOS相机6的光敏面捕获。
在本发明中，由分光单元2分出的线偏振光21经空间滤波器3A、平凸透镜3B、反 射镜4后，形成的参考光4a入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为参考光路。
在本发明中，由分光单元2分出的圆偏振光22经光照明单元13照射至待观测物 体14上后，反射或透射形成的具有物体形貌信息的散射光14a入射至消偏振分光棱镜5，这 路光路可以称为物光光路。 通过旋转分光单元2中B半波片203，可以改变参考光路中线偏振光21的偏振方 向，从而使CMOS相机6记录多幅数字全息图。然后通过CMOS相机6采集的多幅数字全息 图运用数字方法重构，从而合成高分辨率、低噪声的物体三维立体像。 在本发明中，光源1用于为本发明三维显微观测系统提供光信息，该光源1提供了 的中心波长为532nm的激光。 分光单元2 —方面用于接收从光源1出射的中心波长为532nm的激光la，分光单 元2另一方面将接收到的激光la分为线偏振光21和圆偏振光22，并分别输入空间滤波器 3A和空间滤波器3C。偏振分光棱镜202置于A半波片201和B半波片203之间，1/4波片 205置于偏振分光棱镜202的反射光位置。其中，所述的A半波片201用于将光源发射的激 光la进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光lb和反射光lc的光强比连续 可调，而B半波片203用于调整偏振分光棱镜202的透射光lb的偏振方向；采用1/4波片 205可以将偏振分光棱镜202的反射光lc转化为圆偏振光22 ;通过旋转B半波片203使得 线偏透射光lb的偏振态改变，实现不同偏振方向的线偏光与圆偏光相干叠加，得到多帧包 含不同偏振信息的数字全息图。同时通过连续可调衰减器204来调整线偏振光21和圆偏 振光22的光强比(1 : 5 1 : 2)，来控制参考光4a和散射光14a的光强比，从而提高了 参物光干涉图像的信噪比。激光la经A半波片201和偏振分光棱镜202后，通过光纤耦合 器206形成中心波长为532nm的圆偏振光22输出至光照明单元13。
在本发明中，A半波片201和B半波片203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GCL-060411型号的石英零级半波片。 在本发明中，偏振分光棱镜202具有将1束入射光分为两束传播方向垂直、偏振方
向正交的光。可以选取北京大恒光电公司生产的GCC-401102型号的偏振分光棱镜。 在本发明中，连续可调衰减器204可根据圆盘的旋转而线性改变出射空间光的光
功率，可以是北京大恒光电公司生产的GC0-0704M圆形可调衰减器/分光镜。 在本发明中，1/4波片205可以选取北京大恒光电公司生产的GCL-060401型号的
石英零级波片。 在本发明中，空间滤波器3A和3C可以对一束入射的激光光束进行空间滤波，得到
均匀的出射光斑，选取北京大恒光电公司生产的GCM-01M型空间滤波器。 在本发明中，平凸透镜3B和3D用于对空间滤波器3A和3C近似点光源出射光扩
束为一定尺寸的平行光。选用北京大恒光电公司生产的GCL-010115型K9平凸透镜。平凸
透镜3B和3D可以安装在北京大恒光电公司生产的GCM-2701381M型号透镜/反射镜支架。 在本发明中，反射镜4和7可以选取北京大恒光电公司生产的GCC-102102型号反
射镜，安装在北京大恒光电公司生产的GCM-082305M型号二维调整架。 在本发明中，消偏振分光棱镜5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NT49-004型号消偏振分光棱镜。 在本发明中，CMOS相机6可以选取加拿大Lumenera公司生产、型号为 LU125M-W0IR、分辨率为1280X 1024像素、帧频为15fps、光敏面尺寸为2/3英寸、信号接口 为USB2. 0。对于CMOS相机6能够获取的多幅含有散射光三维信息的全息图像，并基于平均 叠加法消除再现像中的散斑噪。
权利要求
一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，其特征在于该装置包括有光源(1)、分光单元(2)、空间滤波器(3A、3C)、平凸透镜(3B、3D)、反射镜(4、7)、消偏振分光棱镜(5)和CMOS相机(6)；分光单元(2)包括有A半波片(201)、偏振分光棱镜(202)、B半波片(203)、连续可调衰减器(204)和1/4波片(205)；偏振分光棱镜(202)置于A半波片(201)和B半波片(203)之间，1/4波片(205)置于偏振分光棱镜(202)的反射光位置；光源(1)出射的激光(1a)穿过分光单元(2)的A半波片(201)上入射至偏振分光棱镜(202)上；该激光(1a)经分光单元(2)进行分光处理后分别输出线偏振光(21)和圆偏振光(22)；线偏振光(21)顺次经空间滤波器(3A)、平凸透镜(3B)后，经反射镜(4)反射输出参考光(4a)入射至消偏振分光棱镜(5)；圆偏振光(22)顺次经空间滤波器(3C)、平凸透镜(3D)后，经反射镜(7)反射输出照明光(7a)照明光(7a)照射到待观测物体(14)上；在照明光(7a)的照射下，待观测物体(14)反射具有物体形貌信息的散射光(14a)入射至消偏振分光棱镜(5)；消偏振分光棱镜(5)对入射的参考光(4a)、具有物体形貌信息的散射光(14a)进行合光处理得到合并光束(5a)，该合并光束(5a)形成的干涉全息图被CMOS相机(6)的光敏面捕获；所述的分光单元(2)中的A半波片(201)用于将光源发射的激光(1a)进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光(1b)和反射光(1c)的光强比连续可调，而B半波片(203)用于调整偏振分光棱镜(202)的透射光(1b)的偏振方向；采用1/4波片(205)可以将偏振分光棱镜(202)的反射光(1c)转化为圆偏振光(22)；通过旋转B半波片(203)使得线偏透射光(1b)的偏振态改变，实现不同偏振方向的线偏光与圆偏光相干叠加，得到多帧包含不同偏振信息的数字全息图；同时通过调整连续可调衰减器(204)对线偏振光(21)和圆偏振光(22)的光强比进行调节，该光强比为1∶5～1∶2，进而通过控制参考光(4a)和散射光(14a)的光强比，提高参物光干涉图像的信噪比。
2. 根据权利要求1所述的基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，其特征在 于光源(1)出射的激光(la)的中心波长为532nm。
3. 根据权利要求1所述的基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，其特征在 于由分光单元(2)分出的线偏振光(21)经空间滤波器(3A)、平凸透镜(3B)、反射镜(4) 后，形成的参考光(4a)入射至消偏振分光棱镜(5)，这路光路称为参考光路。
4. 根据权利要求1所述的基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，其特征在 于由分光单元(2)分出的圆偏振光(22)经光照明单元(13)照射至待观测物体(14)上 后，反射或透射形成的具有物体形貌信息的散射光(14a)入射至消偏振分光棱镜(5)，这路 光路称为物光光路。
5. 根据权利要求1所述的基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，其特征在 于在分光单元(2)中通过旋转B半波片(203)，能够改变参考光路中线偏振光(21)的偏 振方向，从而使CMOS相机(6)记录多幅数字全息图。
全文摘要
本发明公开了一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，该装置中的分光单元将接收的激光分为线偏振光和圆偏振光后，并分别输入两个空间滤波器；线偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为参考光进入消偏振分光棱镜；圆偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为照明光，该照明光照射在待观测物体上被散射后进入消偏振分光棱镜。分光单元中的偏振分光棱镜置于A半波片和B半波片之间，1/4波片置于偏振分光棱镜的反射光位置。本发明装置利用改变线偏振参考光的偏振方向和包含有物体形貌信息的圆偏振散射光干涉，可以在不改变照射光角度以及物体和相机相对位置的情况下获得多幅包含物体不同信息的全息图；第三方面本观测装置能以非接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。
文档编号G01B11/24GK101788273SQ20101010808
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者伊小素, 刘烁, 常君磊, 戎路, 潘锋, 肖文 申请人:北京航空航天大学