一种反射式离轴数字全息显微测量装置的制作方法

本发明属于数字全息显微测量领域，更具体地，涉及一种用于非透明样品表面三维形貌实时测量的反射式离轴数字全息显微装置。

背景技术：

自激光器和数字图像传感器(CCD或CMOS)发展成熟以来，数字全息技术得到了广泛的应用。其通过对记录的全息图进行快速傅里叶变换、频谱滤波、衍射光场重建等数字图像处理技术实现三维形貌的重建。离轴数字全息技术的提出更避免了传统光学形貌测量的扫描过程，具有无需精确对焦，可实时全场三维测量等优点。

目前，在使用数字全息技术测量透明样品时，由于待测样品一般被放在物光光路中，并未使物光和参考光产生较大的光程差。故使用类似马赫-曾德尔干涉仪的光路即可获得理想的测量结果。

1.但是，对于非透明样品的测量，物光和参考光会产生较大的光程差，影响测量结果。为解决该问题，(1)瑞士洛桑联邦理工学院的Etienne Cuche教授采用了类似于迈克尔逊干涉仪光路的装置(Cuche E,Bevilacqua F,Depeursinge C.Digital holography for quantitative phase-contrast imaging[J].Optics letters,1999,24(5):291-293)，在实际使用中发现，由于需要尽量减小物光和参考光的光程差以及在参考光路中加入光强衰减器件，该装置反射镜到CCD的距离无法减小。为了在离轴配置中使参考光保持一定倾斜角度，参考光很难覆盖整个CCD，导致了有效的全息图像区域的缩小。(2)Etienne Cuche教授、美国南佛罗里达大学的Myung K.Kim教 授等人又使用了改造过的类似马赫-曾德尔干涉仪光路的装置，其置忽略了物光光路相对于参考光光路多出的光程差，而用相干长度较长的激光器来弥补全息图中干涉条纹能见度的降低，但相干度较好的激光器同时又造成了全息图中激光散斑噪声加重的问题(Cuche E,Marquet P,Depeursinge C.Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconstruction of Fresnel off-axis holograms[J].Applied optics,1999,38(34):6994-7001和Kim M K,Yu L,Mann C J.Interference techniques in digital holography[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2006,8(7):S518.)。(3)除开以上两种的其他装置也存在需要使用复杂、昂贵的光学器件，相应导致结构复杂、设备昂贵的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种反射式离轴数字全息显微测量装置，其目的在于，通过设置参考光调节单元，用于对光路中参考光R进行光程调节，有效补偿了参考光R和物光O间的光程差，相应提高了两者干涉条纹的可见度，最终提高了全息图像的质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种反射式离轴数字全息显微测量装置，包括：

光源单元，用于提供物光O和参考光R；

物光调节单元，用于将物光O引导入射至样品并将自样品出射的反射物光O‵引导入射至图像处理单元；

参考光调节单元，包括光程调节反射镜组和光路引导反射镜组，所述光程调节反射镜组包括位置相对固定的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜用于将参考光R反射至第二反射镜，所述第二反射镜用于将入射的参考光R反射至光路引导反射镜组，通过整体移动光程调节反射镜组能 调整参考光R的光程，所述光路引导反射镜组能引导调整光程后的参考光R入射至图像处理单元以与反射光O‵发生干涉；

图像处理单元，用于接受参考光R与反射物光O‵发生干涉而获得的干涉条纹，并用于对该干涉条纹进行处理从而获得样品三维图像。

通过以上发明构思，参考光调节单元中设置第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜相对位置固定并能整体移动，实际中譬如将两者安装在水平导轨上，反射镜组可沿导轨水平整体移动，从而可调节光程差，能克服因为物光和参考光光程差造成的干涉条纹可见度欠佳的问题，能大幅提高干涉条纹的可见度，相应能提高样品全息图像的清晰度。

进一步的，所述光路引导反射镜组至少包括一个反射镜，且至少包括位置和角度能调节的第四反射镜。本发明构思中，参考光调节单元中设置第四反射镜，通过调节该第四反射镜的位置和角度，能使干涉条纹覆盖整个感光器件，相当于扩大了参考光覆盖范围。

进一步的，所述光源单元包括用于产生光源的激光器，用于将所述激光器发出的光束扩束成为平行光的准直扩束器，用于调节所述准直扩束器出射光强度的第一偏振片，用于将第一偏振片出射光分为物光O和参考光R的第三分束器，该第三分束器为分光比可调的分束器。

进一步的，所述参考光调节单元还包括设置在光源单元与第一反射镜之间的偏振片组。偏振片组包括第三偏振片和第四偏振片，两片偏振片相互平行，用于调节入射参考光的光强和偏振方向。

进一步的，所述参考光调节单元还包括设置在第一反射镜与第二反射镜之间的半波片。半波片用于调节参考光的偏振方向。

进一步的，所述光源单元包括用于产生光源的激光器，用于将所述激光器发出的光束扩束成为平行光的准直扩束器，用于调节所述准直扩束器出射光强度和方向的偏振片组，偏振片组包括第一偏振片和第二偏振片，两片偏振片配合作用，能调节光强和偏振方向，还包括用于将偏振片组出 射光分为物光O和参考光R的第一分束器。

进一步的，所述物光调节单元包括用于汇聚从第一分束器或者第三分束器发出的平行物光的聚光透镜，用于放大被测样品表面的显微物镜，设置在聚光透镜和显微物镜之间的第二分束器，所述聚光透镜与所述第二分束器相邻且同时位于第一轴线上，所述显微物镜与所述第二分束器相邻且同时位于第二轴线上，所述第一轴线与第二轴线重合、平行或者垂直。

进一步的，所述图像处理单元包括图像传感器和计算机，图像传感器用于接收参考光R与反射物光O‵的干涉条纹，所述计算机用于处理所述图像传感器接收的干涉条纹，以获得样品的三维图像。

本发明中所述激光器优选为气体激光器或半导体激光器。所述图像传感器可为CCD相机或CMOS相机。

本发明中，经样品反射后的反射物光O‵直接入射至图像传感器或者经反射后光路变化90°后再入射至图像传感器，经过调节光程后的参考光则是经反射后光路变化90°后再入射至图像传感器或者直接入射至图像传感器，即，参考光与物光形成了正交的光路结构，这样的光路结构能避免使用大量复杂元器件，相应也克服了大量复杂元器件导致的结构复杂，不紧凑，难以仪器化的问题。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中在参考光调节单元加入了可位置相对固定并且可整体移动的光程调节反射镜组，使得参考光的光程可变，通过手动或电动的调节，可有效补偿物光与参考光的光程差。从而改善全息图中干涉条纹的可见度，改善最终图像的质量。

(2)设置了光路引导反射镜组，其包括位置能移动的第四反射镜，通过调节参考光偏转角度或者移动该第四反射镜，保证了在提供足够大的偏转角度的同时，参考光可充分照射图像传感器的整个感光面，最终能提高 全息图像的成像范围，得到更大的全息图像。

(3)因为参考光光路可有效补偿光程差，相应可降低对光源时间相干性(相干长度)的要求，所以相对于其他光路，本发明所提供的光路可使用相干长度较短(更经济)的光源，同时，相干长度较短的光源也有效的减少了装置中的激光散斑噪声，改善了全息图像的质量。

(4)利用在波动光学范围内两束光互相穿过后不会发生变化的原理，利用参考光与物光正交的光路结构，避免了使用大量复杂元器件导致的结构复杂的问题，还有效减少了配置多个光学元件所需要的空间，使该装置结构紧凑，利于仪器化。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中反射式离轴数字全息显微测量装置的结构示意图；

图2是本发明的第二个实施例中反射式离轴数字全息显微测量装置的结构示意图；

图3是本发明中反射式离轴数字全息显微测量装置工作流程图。

在附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器、2-扩束准直器、3-第一偏振片、4-第二偏振片、5-第一分束器、6-第三偏振片、7-第四偏振片、8-第一反射镜、9-第二反射镜、10-第三反射镜、11-聚光透镜、12-第四反射镜、13-第二分束器、14-CCD相机、15-显微物镜、16-样品、17-三维位移平台、18-计算机、19-第三分束器、20-半波片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中，激光器发出的光束经准直、扩束、强度调节后由分束器分为物光O和参考光R，物光对被测样品均匀照明，参考光经多个反射镜反射后与从样品表面反射回的物光在图像传感器表面产生干涉。图像传感器将采集到的两束光干涉形成的全息图传送至电脑，经数字全息图像处理程序处理后，得到被测样品表面的三维形貌图像。

图1是本发明的一个实施例中反射式离轴数字全息显微测量装置的结构示意图。由图1可知，其包括光源单元，物光调节单元，参考光调节单元，图像处理单元以及样品放置单元。

光源单元用于提供物光O和参考光R；样品放置单元用于放置被成像的样品16；物光调节单元用于将物光O引导入射至样品并将自样品出射的反射物光O‵引导入射至图像处理单元；参考光调节单元，包括光程调节反射镜组和光路引导反射镜组，所述光程调节反射镜组包括位置相对固定的第一反射镜8和第二反射镜9，所述第一反射镜8用于将参考光R反射至第二反射镜9，所述第二反射镜9用于将入射的参考光R反射至光路引导反射镜组，通过整体移动光程调节反射镜组能调整参考光R的光程，所述光路引导反射镜组能引导调整光程后的参考光R入射至图像处理单元以与反射光O‵发生干涉；图像处理单元，用于接受参考光R与反射物光O‵发生干涉而获得的干涉条纹，并用于对该干涉条纹进行处理从而获得样品三维图像。

工作中，激光器1发射出的光束经过扩束准直器2变为平行光，接着依次穿过第一偏振片3和第二偏振片4，然后入射进入第一分束器5，分为物光O和参考光R，沿原照明光方向传播的光束即为物光O，沿与原照明光束垂直的方向传播的光束即为参考光R。一方面，物光O进一步依次入 射进聚光透镜11、第二分束器13以及显微物镜15，到达样品16表面，后被样品反射回来，成为反射物光O‵，成为反射物光O‵经过显微物镜15到达第二分束器13，被第二分束器13反射后到达图像传感器14。另一方面，参考光R依次经过第三偏振片6、第四偏振片7，后依次经过第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10以及第四反射镜12，然后透射穿过第二分束器13到达图像传感器14。反射物光O‵与参考光R在CCD相机14的感光元件表面发生干涉。

其中，所述第一分束器5和第二分束器13均为对偏振方向不敏感的等比例分数立方体。第一偏振片3、第二偏振片4用于对参考光平行光的光强进行调节，第三偏振片6、第四偏振片7用于对参考光R的光强进行调节。在调节过程中，所述第二偏振片4和第四偏振片7保持相同的偏振方向并固定，从而保证物光与参考光的干涉效果。所述第一偏振片3和第三偏振片6进行旋转，来调节各自光路的光强。

不考虑时间相干性时由条纹能见度与光强的关系式可知：

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}$

其中，V表示条纹能见度，其值越大，全息图干涉效果越好；I_max表示干涉条纹中的光强分布极大值，其中I_min表示极小值。

定义从物体反射到CCD中的物光强度为I_O，进入到CCD相机中的参考光强度为I_R,则：

$I_{\max }=I_O+I_R+2\sqrt{I_O{I}_R},I_{\min }=I_O+I_R-2\sqrt{I_O{I}_R}$

故条纹能见度可表示为：

其中，光束比B＝I_O/I_R，可以看出，当光束比B为1的时候(即物光 强度I_O与参考光强度I_R相等时)可得到最高的条纹能见度。

参考光经过所述安装在水平导轨上，且可沿箭头a所示方向移动的反射镜组8、9后，再经过所述第三反射镜10和第四反射镜12到达CCD相机。经简单的光路对比，可知物光与参考光的光程差L可表示为：

L＝2n(l₁-l₂)-2l_MO(n_MO-n)

其中，n为设备所在介质(空气)的折射率，n_MO为显微物镜镜片材料的折射率，l_MO为显微物镜镜片的有效厚度，l₁为图1中第二反射镜9到第三反射镜10的距离，l₂为图1中第二分束器13到样品16表面的距离。

故物光滞后于参考光到达CCD的时间为：

τ＝L/c

其中，c表示光在测量仪器所处介质中的光速。以e_OU(t+L/c)和e_RU(t)分别表示物光和参考光在t时刻到达CCD上的复振幅。其中根据复自相干度γ(τ)的定义：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{\⟨U(t+\mathrm{\τ})U^{*}\left(t\right)\⟩}{\⟨U\left(t\right)U^{*}\left(t\right)\⟩}$

其中，U^*(t)表示U(t)的共轭函数，<U(t+τ)U^*(t)>表示U(t+τ)U^*(t)对时间的平均值。|γ(τ)|可用来描述光源的时间相干性，其为物光与参考光时间差τ(即光程差L＝τ·c)的函数。由其定义可知，|γ(τ)|的值随着时间差τ的增加(即光程差L的增大)而减小。

在考虑时间相干性后，条纹能见度的V表示为：

$V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\text{'}\min }}=\frac{2\sqrt{I_O{I}_R}}{I_O+I_R}\left|\mathrm{\&gamma;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right|=\frac{2\sqrt{B}}{1+B}\left|\mathrm{\&gamma;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right|$

可知，当B＝1，|γ(τ)|＝1时，即物光与参考光具有相同的强度，以及 相同的光程时，条纹能见度最好。这也正是本装置中所述用于调节光强的偏振片组3、4、偏振片组6、7、以及用于调节参考光光程的反射镜组8、9的主要作用。全息测量中通常认为干涉条纹能见度V不低于0.7时，可得到较高质量全息图。

物光在通过所述第一分束器5后，经所述聚光透镜汇聚于所述显微物镜15后焦面上，经过物镜后，形成平行光束，均匀照明所述样品16。经样品反射后，又经过所述显微物镜收集，第二分束器13反射后进入所述CCD相机14。由于不同的样品表面的反射率不同，通过所述线性偏振片组3的调节才能得到合适的物光强度。参考光经过所述第一、第二、第三反射镜8、9、10的反射后，再由所述可沿竖直方向移动且可调节偏转角度的第四反射镜12反射后，进入所述CCD相机14。光路的配置保证了所述第四反射镜12到所述CCD相机14的距离足够近，且在保证一定的离轴偏转角度的同时，可沿竖直方向移动的设计使得反射的参考光更容易覆盖所述CCD相机14的全部感光面。本实施例中，第四反射镜12为一安装在角度可调支架上的平面反射镜，角度可调支架安装在垂直方向的导轨上，可沿垂直方向移动。第四反射镜12能相对所述第三反射镜10进行靠近平移或者远离平移。最后，在所述CCD相机14记录到高质量的全息图后，由所述计算机18进行数据处理，即可重构出高质量的三维测量数据。

本实施例中，从所述第二反射镜9到所述第三反射镜10之间的参考光光路与所述第一分束器5到所述聚光透镜11之间的物光光路存在垂直交叉，其利用了两束光互相穿过并不影响光束性质的特点，有效的减小了光路结构所占用的空间。

图2是本发明的第二个实施例中反射式离轴数字全息显微测量装置的结构示意图；包含除与图1中相同编号的元器件外，还包括分光比可调的分束器19和半波片20。相对于图1所示光路，图2的变化主要为装置除所 述显微物镜15、所述样品16和所述三维位移平台17外的主光路旋转了90度，以适用竖直方向空间受限，水平方向空间充足的应用环境。同时，所述分光比可调的分束器19替换了图1中所述线性偏振片4和所述第一分光镜5，所述半波片20替换了图1中所述线性偏振片6和7，所述反射镜10被省略。

所述分光比可调分束器19的结构为在偏振分数立方体的进光面加上一可旋转的偏振片。所述激光机1发出的激光经所述准直扩束器2扩束后，透过所述第一线性偏振片3后进入所述分光比可调分束器19，通过所述分光比可调分束器进光面的偏振片后从偏振分数立方体分出物光O和参考光R，两束光具有互相垂直的偏振方向，其大小为进入偏振分数立方体的偏振光在各自偏振方向上的分量。旋转所述分光比可调分束器进光面的偏振片即可控制进入偏振分数立方体的光偏振角度，从而调节分光比。而照明光光强的调节，则通过调节所述线性偏振片3的角度来实现。

由于光产生理想干涉必须满足两束光偏振方向相同的要求，而经过所述分光比可调分束器后的物光O和参考光R有着互相垂直的偏振方向。此时则需要旋转所述半波片20，使参考光R的偏振方向旋转90度。

图2中，光路中的光程差可表示为：

L'＝2n(l₃+l₄-l₅)-2l_MO(n_MO-n)

其中，n为设备所在介质(空气)的折射率，n_MO为显微物镜镜片材料的折射率，l_MO为显微物镜镜片的有效厚度，l₃为图2中第二分束器13到第二反射镜9的垂直方向距离，l₄为图2中第二分束器13到第二反射镜9的水平方向距离，l₅为图2中第二分束器13到样品16表面的距离。

补偿上述光程差，需要沿竖直方向调节所述反射镜组8、9。

不使用参考光从所述CCD相机上方经过的光路，是由于实践中发现所述CCD相机占的空间，必然会导致参考光光路的光程大于物光光路的光程， 光程差无法得到有效补偿。该光路中其余的操作步骤与成像原理以及数据处理，基本与装置实施例1中相同。

图3是本发明中反射式离轴数字全息显微测量装置工作流程图。由图可知，本发明装置工作的流程大致为：

放置样品16，并调节三维位移平台17，三维位移平台为一可沿三个固定的相互正交的方向移动的平台，将样品16调节到合适位置，打开激光器1。实际操作中，放置样品16和打开激光器1可以不分先后。激光器1发出的光束由所述准直扩束器3扩束后成为平行光，再由第一偏振片3、第二偏振片4调节光强和偏振方向后进入第一分束器5。第一分束器5将光束分为物光O和参考光R，物光O经所述聚光透镜11后聚焦于显微物镜15后焦点，经过显微物镜15后成为光束直径较小的平行光照射样品，后经样品反射回来成为反射物光O‵。参考光R经所述第三偏振片6、第四偏振片7调节光强和偏振方向后，依次经所述可沿a方向移动的光程调节反射镜组(包括第一反射镜8和第二反射镜9)、位置固定的第三反射镜10(实际中第三反射镜10位置固定)以及可沿b方向移动及可调节偏转角度的第四反射镜12，到达第二分束器13，从第二分束器13透射或者反射出来，入射至图像传感器14。所述物光和参考光相互干涉并在所述CCD相机感光面上产生全息图并被记录。通过调节所述可沿a方向移动的光程调节反射镜组的位置，可有效减小所述参考光与所述物光的光程差；通过调节所述可沿b方向移动及可调节偏转角度的第四反射镜12的位置，所述参考光可在满足离轴偏转角度的同时充分照明所述CCD相机感光面。所述CCD相机采集的图像由计算机通过数字全息图像处理程序进行数值重构，即可获得数字全息再现的三维图像。

本发明的一种反射式离轴数字全息显微测量装置可做如下更改：其中所使用的氦氖激光器可由更经济，相干长度较短的半导体激光器等替换。使用相干长度较短的激光器时，可得到散斑噪声更少的全息图，更有利于 测量。

本发明在保证图像传感器充分记录干涉区域的同时，有效补偿了参考光与物光的光程差，从而提高了图像传感器所记录离轴全息图的条纹对比度，改善了全息图质量，使三维形貌测量更精确。并具有对环境振动不敏感，结构紧凑的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。