基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学测量、成像技术，特别是一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件、微光学元件、微光机电系统等微结构元件的广泛应用，需要一种具有高分辨率、高精度、非接触、无损快捷等特性的测量手段对其进行深入检测，如物体三维形貌、表面缺陷、裂缝、面形误差等方面。在物体表面形貌测量中，数字全息显微术具有非接触、无损伤、高分辨率以及处理迅速等优点尤其是随着半导体和微电子技术的发展，CCD和CMOS性能的不断提高，以及计算机技术的发展，数字全息显微术受到越来越多的关注，应用前景也越来越广泛。
[0003]但由于数字全息术采用的是反正切函数来计算物体的相位分布，故受函数周期性以及主值区间的限制，当光通过物体后产生的最大光程差大于所用记录光波波长时，计算获得的物体相位分布都是包裹在之间的，称为包裹图像，所以还需要进行相位解包裹来恢复被测物体的实际相位分布。但是当前的相位解包裹算法大多存在一定的问题，尚未寻找到一种误差较小且广泛适用的算法，这使得物体表面形貌的测量具有一定难度，尤其是对于一些结构复杂或者表面梯度较大的物体。如果使用的记录波长大于最大光程差，就可以直接展开相位，不再需要解包裹处理。但这只适用于少数情况，大多数测量中并不存在如此长波长的激光器。随着数字全息研究热点的高涨，国外各高校和研究机构对相位解包裹的理论和方法做了很多的研究工作。二维相位解包裹的研究始于20世纪70年代末，90年代后，由于二维图像处理的需要，二维相位解包裹技术得到迅速发展。二维相位去包裹可以通过Takeda提出的行列逐点算法来实现，它是最早的二维相位去包裹算法，这一算法是根据相位解包裹的原始意图得到的，即通过逐点积分实现的。但行列逐点算法只能对理想无误差的图像正确快速地去包裹，对实际测量获得的包裹图处理时会产生严重的失真现象。为此，国内外经过大量的研究，提出了针对各种情况的二维相位解包裹算法，迄今为止算法的种类已经不下40种。比如2006年西北工业大学的王军等人提出了相位图去包裹的一种新的综合方法([I]王军，赵建林，范琦等.相位图去包裹的一种新的综合方法.中国激光.2006, 33(6):795-799)。建立了一个消除局部不连续点的模型，可有效地消除包裹相位图中的不连续点。国防科大的雷志辉等人提出一种基于双频投影条纹的全自动相位解包裹方法([2]雷志辉，李健兵.基于双频投影条纹的全自动相位解包裹方法.光学学报.2006，26(1):39-42)，推导了利用该双频条纹的相位主值获取真实相位场的公式。在利用公式进行解包裹时，各点的相位求取都是单独进行的，因此不会出现误差传递的现象，同时求解的相位场保持了相移法求解的相位精度。但是这些方法在相位精确解包裹的同时，大多算法复杂，计算量大。如何实现精度又高速度又快的相位解包裹成为了数字全息显微成像中一项技术难题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置，以实现数字全息显微成像中的快速相位解包裹。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置，包括第一激光器、第二激光器、集光镜、聚光镜针孔光阑、聚光镜、第一平面镜、第二分束镜、镜筒透镜、显微物镜、相机、第六平面镜、第一衰减片与第二平面镜、第三分束镜，所述的聚光镜针孔光阑放置在集光镜的后焦面位置，同时也是聚光镜的前焦面位置；其中第一激光器发出的激光依次经过第三分束镜、集光镜汇聚到聚光镜针孔光阑，光通过聚光镜针孔光阑发散后又被聚光镜收集变成平行光，再经过第一平面镜反射被第二分束镜分成两路:其中一路经过镜筒透镜和显微物镜后再次变成平行光照射待测样品，然后被待测样品反射的光经过显微物镜和镜筒透镜以及第二分束镜后垂直照射相机的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第一衰减片衰减光强，被第二平面镜反射，再通过第一衰减片被衰减，最后通过第二分束镜后倾斜照射相机的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机记录下来；与此同时，第二激光器发出的激光经过第六平面镜反射后经过第三分束镜被反射，然后和第一激光器发出的激光经过相同的光路，在相机成像平面形成干涉图并被记录下来。
[0006]本发明与现有技术相比，其显著优点:(I)采用了双波长数字全息技术，使用两个不同波长的激光同时照射待测样品，并用一个彩色相机在两个不同颜色通道中同时采集到两幅全息干涉图，然后分别求出两个波长下的包裹相位图，最终再用这两幅双波长包裹相位图光学解包裹，求出样品的非包裹相位图。(2)使用本发明的装置进行数字全息显微成像，避免了复杂的相位解包裹过程，降低了后期计算处理的复杂度，提高了相位重建精度。
[0007]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0008]图1(a)-(c)为基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置的三种等价装置的示意图:图1(a)是使用迈克尔逊结构的一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置的示意图；图1(b)是使用分束镜进行分光的一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置的示意图；图1(c)是使用光纤与光纤分路器进行分光的一种基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置的示意图。
[0009]图2 (a)-图2 (f)为利用基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置对MEMS表面微结构样品进行数字全息显微成像的结果:图2(a)是彩色相机拍摄到的原始干涉图中红色通道的部分，即红色激光形成的干涉图；图2(b)是图2(a)经过傅立叶变换的频谱，图中用小框框出的是+1级谱；图2((:)是+1级谱平移到频谱中央后的结果；图2((1)是利用傅立叶逆变换求出的物体在红光下的包裹相位分布图；图2(0是利用傅立叶逆变换求出的物体在绿光下的包裹相位分布图；图2(f)是利用双波长光学解包裹求出的物体的非包裹相位分布图。
【具体实施方式】
[0010]如图1(a)所示，本发明基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置，包括第一激光器1、第二激光器16、集光镜2、聚光镜针孔光阑3、聚光镜4、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15、第六平面镜17、第一衰减片18与第二平面镜19、第三分束镜20，所述的聚光镜针孔光阑3放置在集光镜2的后焦面位置，同时也是聚光镜4的前焦面位置；其中第一激光器I发出的激光依次经过第三分束镜20、集光镜2汇聚到聚光镜针孔光阑3，光通过聚光镜针孔光阑3发散后又被聚光镜4收集变成平行光，再经过第一平面镜10反射被第二分束镜11分成两路:其中一路经过镜筒透镜12和显微物镜13后再次变成平行光照射待测样品14，然后被待测样品14反射的光经过显微物镜13和镜筒透镜12以及第二分束镜11后垂直照射相机的成像平面15，这一路称为物光光路；另外一路经过第一衰减片18衰减光强，被第二平面镜19反射，再通过第一衰减片18被衰减，最后通过第二分束镜11后倾斜照射相机15的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机15记录下来；与此同时，第二激光器16发出的激光经过第六平面镜17反射后经过第三分束镜20被反射，然后和第一激光器I发出的激光经过相同的光路，在相机15成像平面形成干涉图并被记录下来。
[0011]本发明基于双波长数字全息技术的反射式显微成像装置具有另外等价的光路结构。第一种结构如图1(b)所不，用第一分束镜5进行分光，包括第一激光器1、第二激光器16、集光镜2、聚光镜针孔光阑3、聚光镜4、第一分束镜5、第三平面镜6、第二衰减片7、第四平面镜8、第五平面镜9、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15、第六平面镜17、第三分束镜20，所述的聚光镜针孔光阑3放置在集光镜2的后焦面位置，同时也是聚光镜4的前焦面位置；其中第一激光器I发出的激光依次经过第三分束镜20、集光镜2汇聚到聚光镜针孔光阑3，光通过聚光镜针孔光阑3发散后又被聚光镜4收集变成平行光，再被第一分束镜5分成两路:其中一路经过第一平面镜10反射后经过第二分束镜11，再经过镜筒透镜12和显微物镜13后变成平行光照射待测样品14，然后被待测样品14反射的光经过显微物镜13和镜筒透镜12以及第二分束镜11后垂直照射相机15的成像平面，这一路称为物光光路；另外一路经过第三平面镜6反射后经过第七衰减片7衰减光强，依次被第四平面镜8和第五平面镜9反射后，通过第二分束镜11后倾斜照射相机15的成像平面，这一路参考光与物光干涉，形成的干涉图由相机15记录下来；与此同时，第二激光器16发出的激光经过第六平面镜17反射后经过第三分束镜20被反射，然后和第一激光器I发出的激光经过相同的光路，在相机15成像平面形成干涉图并被记录下来。
[0012]第二种结构如图1 (C)所示，使用光纤分路器21进行分光。包括激光器1、第二激光器16、光纤分路器21、第一聚光镜4、第二聚光镜22、第二衰减片7、第四平面镜8、第五平面镜9、第一平面镜10、第二分束镜11、镜筒透镜12、显微物镜13、相机15，其中第一激光器I和第二激光器16发出的激光通过光纤耦合进入光纤分路器21，混合并且分成两路后再通过光纤親合输出，每一路光纤输出都包含第一激光器I和第二激光器16发出的激光，两个输出的光纤头分别位于第一聚光镜4、第二聚光镜22的焦点位置，以保证经过第一聚光镜4、第二聚光镜22后出射的是平行光；在分成的两路中，一路经过第一平面镜10反射后经过第二分束镜11再经