一种光纤－空间光合成孔径的数字全息三维显微观测装置

摘要

本发明公开了一种光纤－空间光合成孔径的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、空间滤波器、平凸透镜、反射镜、消偏振分光棱镜、CMOS相机和光照明单元；光源用于产生中心波长为532nm的激光；激光经A半波片和偏振分光棱镜后，通过光纤耦合器形成中心波长为532nm的光纤光输出至光照明单元；在球面光的照射下，待观测物体反射或透射的具有物体形貌信息的物光入射至消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜对入射的平行参考光、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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维显微观测系统，更特别地说，是指一种光纤-空间光合成孔径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物光场，从而获得物光场的振幅和相位的信息，其优点包括：(1)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物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，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、CMOS)性能指标的制约，具体表现为：(1)目前光电图像传感器的像素尺寸较大(约3.5～10μm)，因此仅能够记录与参考光夹角较小(约小于1°)的物光；(2)光电图像传感器单个光敏面的面积较小(约1cm×1cm)，使得物光场的高频成分无法记录。因此，由于上述因素，特别是在长工作距离条件下，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观测物体进行预放大，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，但是此方法的工作距离受显微物镜焦距的限制，同时再现物光场受显微物镜引起的像差、畸变影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种光纤-空间光合成孔径的数字全息三维显微观测装置，该装置一方面采用保偏光纤传导照明光，实现对待观测物体多角度照射；另一方面采用空间分立光路传导与物光光强相等、偏振方向相同的稳定的平行参考光；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。

本发明的一种光纤-空间光合成孔径的数字全息三维显微观测装置，该装置包括有有光源、分光耦合单元、空间滤波器、平凸透镜、反射镜、消偏振分光棱镜、CMOS相机和光照明单元；光源用于输出中心波长为532nm的激光；分光耦合单元对激光进行分光处理后分别输出空间光和中心波长为532nm的光纤光；空间光顺次经空间滤波器、平凸透镜后，经反射镜反射输出平行参考光入射至消偏振分光棱镜；光纤光经光照明单元后形成的球面光照射到待观测物体上；在球面光的照射下，待观测物体反射或透射的具有物体形貌信息的物光入射至消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜对入射的平行参考光、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步全息图被CMOS相机的光敏面捕获。

本发明的一种光纤-空间光合成孔径的数字全息三维显微观测装置，其具有如下优点：

(1)分光耦合单元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、功率稳定的平行空间光和光纤光。

(2)运用保偏光纤以及光纤调整架、支杆和磁力座组合形成的光纤支架，可以灵活快速地实现在不同入射角度的照明光照射待观测物体的条件下，记录多幅数字全息图，从而为实现高分辨率的三维合成孔径成像提供多幅存在互补信息的再现物光场。

(3)采用两路光(平行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。

(4)本发明观测装置结构紧凑，操作方便。

附图说明

图1是本发明的光纤-空间光合成孔径的三维显微观测装置的结构框图。

图1A是本发明分光耦合单元的结构图。

图2是本发明光照明单元的正面视图。

图2A是本发明光照明单元的后视图。

图3是本发明四维调节支架和光纤耦合器装配后的正面视图。

图3A是本发明四维调节支架和光纤耦合器装配后的后视图。

图中：1.光源                      1a.激光           2.分光耦合单元       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

205.四维调节支架                  251.通孔          252.法兰盘           206.光纤耦合器

261.FC/APC端口                    21.空间光         22.光纤光            3A.空间滤波器

3B.平凸透镜       4.反射镜        4a.平行参考光     5.消偏振分光棱镜

5a.合并光束       6.CMOS相机      13.光照明单元     13a.球面光           131.保偏光纤

132.光纤调整架    133.支撑杆      134.磁力座        135.FC/PC端口

131A.A调节螺钉    131B.B调节螺钉       131C.C调节螺钉    131D.磁力开关

14.待观测物体     14a.具有物体形貌信息的物光

具体实施方式

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，本发明是一种光纤-空间光合成孔径的数字全息三维显微观测装置，该装置包括有光源1、分光耦合单元2、空间滤波器3A、平凸透镜3B、反射镜4、消偏振分光棱镜5、CMOS相机6和光照明单元13。

分光耦合单元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、四维调节支架205和光纤耦合器206。

参见图2、图2A所示，光照明单元13包括有保偏光纤131、光纤调整架132、支撑杆133和磁力座134；保偏光纤131的两端分别为FC/APC端口261、FC/PC端135，FC/APC端口261安装在分光耦合单元2的光纤耦合器206上，FC/PC端135安装在光照明单元13的光纤调整架132上；光纤调整架132的底部设有螺纹孔；支撑杆133的一端安装在磁力座134上，且通过C调节螺钉131C实现支撑杆133的升降或顶紧，支撑杆133的另一端安装在光纤调整架132的底部的螺纹孔内。光纤调整架132上设有的A调节螺钉131A和B调节螺钉131B用于实现球面光13a照射角度的俯仰调节。

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1a穿过分光耦合单元2的A半波片201后，入射到偏振分光棱镜202上；

激光1a经分光耦合单元2进行分光处理后分别输出空间光21和中心波长为532nm的光纤光22；

空间光21顺次经空间滤波器3A、平凸透镜3B后，经反射镜4反射输出平行参考光4a入射至消偏振分光棱镜5；

光纤光22经光照明单元13后形成的球面光13a照射到待观测物体14上；

在球面光13a的照射下，待观测物体14反射或透射的具有物体形貌信息的物光14a入射至消偏振分光棱镜5；

消偏振分光棱镜5对入射的平行参考光4a、具有物体形貌信息的物光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，由分光耦合单元2分出的空间光21经空间滤波器3A、平凸透镜3B、反射镜4后，形成的平行参考光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，由分光耦合单元2分出的光纤光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物光14a入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为物光光路。

通过调整所述物光光路中光照明单元13的俯仰角度、高低位置可以改变照射在待观测物体14时的球面光13a的入射角，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。

本发明中设计的光照明单元13对待观测物体14采用非接触方式的工作模式，多角度原位获得物体的三维信息、无透镜像差影响。

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。

参见图1A、图3、图3A所示，四维调节支架205上的通孔251的一端设有法兰盘252，法兰盘252上连接有光纤耦合器206，光纤耦合器206上设有FC/APC端口261。由于光纤耦合器206安装在四维调节支架205上。通过四维调节支架205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1a穿过A半波片201和偏振分光棱镜202后光轴位移的影响。

由于光照明单元13与光纤耦合器206(光纤耦合器206安装在四维调节支架205上)之间连接有保偏光纤131，该保偏光纤131的一端连接有FC/PC端口135，保偏光纤131的另一端连接有FC/APC端口261，FC/PC端口135安装在光纤调整架132上，FC/APC端口261安装在四维调节支架205的法兰盘252上。

分光耦合单元2一方面用于接收从光源1出射的中心波长为532nm的激光1a，分光耦合单元2另一方面将接收到的激光1a分为传播方向垂直、偏振方向相同的空间光21和光纤光22。偏振分光棱镜202置于A半波片201和四维调节支架205之间，B半波片203置于偏振分光棱镜202和连续可调衰减器204之间。其中，所述的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，而B半波片203用于将经偏振分光棱镜202反射的激光进行偏振方向的调整，采用两个半波片(A半波片201、B半波片203)对入射后的激光进行偏振方向的调整，保证了空间光21、光纤光22的偏振方向相同，同时通过调节连续可调衰减器204可以调节空间光21和光纤光22的光强比，进而控制反射镜4反射的平行参考光4a和由待观测物体14反射或透射形成的具有物体形貌信息的物光14a的光强比。激光1a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的光纤光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光功率，可以是北京大恒光电公司生产的GCO-0704M圆形可调衰减器/分光镜。

在本发明中，四维调节支架205采用北京大恒光电公司生产的GCM-250101型带底座式四维透镜/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HPUC-23AF-532-S-6.2AS-2光纤耦合器。

在本发明中，空间滤波器3A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用于对空间滤波器3A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-WOIR、分辨率为1280×1024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能够获取的多幅存在互补物光三维信息的全息图像，可以进行基于合成孔径成像方法的高分辨率三维重构。

在本发明中，保偏光纤131的两端分别为FC/APC端口261、FC/PC端口135，FC/APC端口261安装在分光耦合单元2的光纤耦合器206上，FC/PC端口135安装在光照明单元13的光纤调整架132上。保偏光纤131采用美国OZ OPTICSLTD公司生产的QPMJ-3AF3S-532-3.5/125-3-2-1型532nm保偏光纤。

在本发明中，调整光照明单元13相对于待观测物体14的位置以调节球面光13a光束的方向，使得以不同入射角形成的光均能够照射到待观测物体14。当光照射到待观测物体14的表面，将其透射光或部分反射光作为物光14a入射至消偏振分光棱镜5上，平行参考光4a和物光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，光纤调整架132可以选用北京大恒光电公司生产的GCX-M0101FC型号光纤调整架。