专利名称：一种通过旋转线偏振光偏振态记录与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，是指一种一种通过旋转线偏振光偏振态记录与合成的数字全息三维显微观测装置。
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 kmiconductor，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(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；( 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；C3)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通过旋转线偏振光偏振态记录与合成的数字全息三维显微观测装置，该装置一方面采用两束线偏振光，其中一束作为参考光，另一束作为照射待观测物体的照明光；另一方面通过同步改变线偏振参考光和包含有物体形貌信息的线偏振散射光的偏振态并干涉叠加，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。本发明的通过旋转线偏振光偏振态记录与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两束线偏振光，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，C波片置于偏振分光棱镜的反射光位置。其中，所述的A半波片用于调整光源发射的激光的偏振方向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C波片使得偏振分光棱镜的透射光和反射光的偏振态同步改变，实现两束光相干叠加，并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两束线偏振光的总光强，使得全息图的强度分布处于相机的动态范围之内。所述的分光单元中的连续可调衰减器用于连续调整接收激光的强度，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C半波片可以调整偏振分光棱镜的反射光线偏振光；通过同时旋转B半波片和C半波片使得线偏透射光和反射光的偏振态同步改变，实现具有不同偏振态的线偏光相干叠加，得到多帧包含不同线偏振态信息的数字全息图；同时通过调整连续可调衰减器对A线偏振光和B线偏振光的光强总和，使得全息图的强度分布处于相机的动态范围内，提高参物光干涉图像的信噪比。本发明的一种通过旋转线偏振光偏振态记录与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两束偏振态相同的线偏振光，并精确控制照明光和参考光的偏振态、光强比和总光强。(2)本发明通过同时改变线偏振参考光和包含有物体形貌信息的线偏振散射光的偏振方向，并使它们发生干涉，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，进而通过平均叠加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)采用线偏振参考光如和具有物体形貌信息的圆偏振散射光Ha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-
结构框图。
4中通过旋转线偏振光偏振态记录与合成的三维显微观测装置的图IA是本发明分光单元的光传输方式结构图。图2是本发明分光单元的装配结构图。图中1.光源la.激光 lb.透射光2.分光单元 201. A半波片 202.偏振分光棱镜204.连续可调衰减器 205. C波片3A. A空问滤波器3B. A平凸透镜 4. A反射镜4a.参考光 5.消偏振分光棱镜7. B反射镜 7a.照明光 14.待观测物体20 ΙΑ. A升降支架202A. B升降支架204A. D升降支架05A. E升降支架
Ic.反射光 203. B半波片 21. A线偏振光 22. B线偏振光 3C. B空问滤波器 3D. B平凸透镜
5a.合并光束 6. CMOS相机 14a.具有物体形貌信息的散射光 203A.C升降支架 206.安装台
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IA所示，本发明是一种通过旋转线偏振光偏振态记录与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，并输出两束线偏振光，其中，一束为A线偏振光21、 另一束为B线偏振光22 ；A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；B线偏振光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CMOS相机6所采集。分光单元2包括有连续可调衰减器204、A半波片201、偏振分光棱镜202、B半波片 203和C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，C波片205 置于偏振分光棱镜202的反射光位置，A半波片201的前向设置有连续可调衰减器204。参见图2所示，分光单元2的装配采用多个升降支架与一个安装台的配合，保证了分光单元2中光传输的方向。连续可调衰减器204安装在D升降支架204A上，A半波片 201安装在A升降支架201A上，偏振分光棱镜202安装在B升降支架上，B半波片203安装在C升降支架203C上，C波片205安装在E升降支架205A上。在本发明中，升降支架为购入器件，只需保证在上下方向上能够伸缩即可。安装台206上均勻开有螺纹孔，该螺纹孔有利升降支架的安装，以及升降支架之间的相对距离调整，升降支架与安装台206的安装采用了螺钉与螺母的配合。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Ia穿过分光单元2的连续可调衰减器204 和A半波片201上入射至偏振分光棱镜202上，分别输出透射光Ib和反射光Ic ；透射光Ib穿过B半波片203输出A线偏振光21，反射光Ic穿过C半波片205输出B线偏振光22 ；A线偏振光21顺次经空间滤波器3A、平凸透镜后，经反射镜4反射输出参考光 4a入射至消偏振分光棱镜5 ；B线偏振光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线偏振散射光1 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线偏振散射光1 进行合光处理得到合并光束如，该合并光束fe形成的干涉全息图被CMOS相机6的光敏面捕
-M-犾。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，形成的参考光如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B线偏振光22经空间滤波器3C、平凸透镜3D、 反射镜7后的照明光7a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Ha入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为物光光路。
通过同时旋转分光单元2中B半波片203和C半波片205，可以同步改变参考光路中线偏振光21和照明光路中线偏振光22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，并通过调整连续可调衰减器204来控制其强度；另一方面将接收到的激光Ia分为线偏振光21和 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，C半波片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Ia进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光Ib 和反射光Ic的光强比连续可调，B半波片203用于调整偏振分光棱镜202的透射光Ib的偏振方向；C半波片205用于调整偏振分光棱镜202的反射光Ic的偏振方向；通过同时旋转B半波片203和C半波片205使得线偏透射光Ib和Ic的偏振态同步改变，实现不同偏振方向的参考光和物光相干叠加，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22的总光强，使得全息图的强度分布处于相机动态范围内，从而提高了参物光干涉图像的信噪比。在本发明中，A半波片201、B半波片203和C半波片205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，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，得到均勻的出射光斑，选取北京大恒光电公司生产的GCM-OlM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
^Mi ο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1280 X 10 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
1.一种通过旋转线偏振光偏振态记录与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O)、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( 包括有连续可调衰减器(204)、A半波片(201)、偏振分光棱镜(202)、B 半波片(20 和C波片Q05)；偏振分光棱镜(20 置于A半波片(201)和B半波片(203) 之间，C波片(205)置于偏振分光棱镜O02)的反射光位置，A半波片O01)的前向设置有连续可调衰减器O04)；光源(1)出射的激光(Ia)穿过分光单元O)的连续可调衰减器(204)和A半波片(201)上入射至偏振分光棱镜(20 上，分别输出透射光(Ib)和反射光(Ic)；透射光(Ib) 穿过B半波片(203)输出A线偏振光21，反射光(Ic)穿过C半波片(205)输出B线偏振光 (22)；该激光(Ia)经分光单元( 进行分光处理后分别输出A线偏振光和B线偏振光(22)；A线偏振光顺次经空间滤波器(3A)、平凸透镜(3B)后，经反射镜(4)反射输出参考光Ga)入射至消偏振分光棱镜(5)；B线偏振光02)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线偏振散射光 (14a)入射至消偏振分光棱镜(5)；消偏振分光棱镜( 对入射的参考光(如)、具有物体形貌信息的线偏振散射光(14a) 进行合光处理得到合并光束( )，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( 中的连续可调衰减器(204)用于连续调整接收激光(Ia)的强度， A半波片(201)用于将光源发射的激光(Ia)进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光(Ib)和反射光(Ic)的光强比连续可调，而B半波片(20 用于调整偏振分光棱镜(202)的透射光(Ib)的偏振方向；采用C半波片(20 可以调整偏振分光棱镜O02)的反射光(Ic)线偏振光0 ；通过同时旋转B半波片(20 和C半波片(20 使得线偏透射光(Ib)和反射光(Ic)的偏振态同步改变，实现具有不同偏振态的线偏光相干叠加，得到多帧包含不同线偏振态信息的数字全息图；同时通过调整连续可调衰减器(204)对A线偏振光和B线偏振光02)的光强总和，使得全息图的强度分布处于相机的动态范围内，提高参物光干涉图像的信噪比。
2.根据权利要求1所述的通过旋转线偏振光偏振态记录与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(Ia)的中心波长为532nm。
3.根据权利要求1所述的通过旋转线偏振光偏振态记录与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A线偏振光经空间滤波器(3A)、平凸透镜(3B)、反射镜(4)后，形成的参考光Ga)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所述的通过旋转线偏振光偏振态记录与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( 分出的B线偏振光0 经空间滤波器(3C)、平凸透镜(3D)、反射镜(7)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线偏振散射光(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所述的通过旋转线偏振光偏振态记录与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( 中通过同时旋转B半波片(20 和C半波片005)， 能够同步改变参考光路中线偏振光和照明光路中线偏光02)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
本发明公开了一种通过旋转线偏振光偏振态记录与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两束线偏振光后，并分别输入两个空间滤波器；其中一束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；另一束线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，C半波片置于偏振分光棱镜的反射光位置。本发明装置通过同时改变线偏振参考光和包含有物体形貌信息的线偏振散射光的偏振方向，并使两光束相干叠加，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G01B9/021GK102288128SQ20111012056
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者伊小素, 刘烁, 张菁, 戎路, 潘锋, 肖文 申请人:北京航空航天大学