一种具有新型延时系统的数字全息显微系统的制作方法

本发明属于显微技术领域，涉及一种具有新型延时系统的数字全息显微系统。

背景技术：

现有反射式数字全息显微镜的延时系统为使用两个垂直反射镜组合的方式延时，通过调整两个反射镜的位置来匹配参考光与物光的光程差，从而达到实现干涉成像的目标。此系统需要精确控制两面反射镜互相垂直，并且需要同时移动两面反射镜来达到改变光程的目的，调节困难且要求精度较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有新型延时系统的数字全息显微系统，本发明的有益效果是系统更容易调整和达到较高精度。

本发明所采用的技术方案是包括以棱镜作为延时系统的数字全息显微系统和以四分之一波片和反射镜作为延时系统的数字全息显微系统；其中，以棱镜作为延时系统的数字全息显微系统包含棱镜延时反射式数字全息显微镜光路和棱镜延时透射式数字全息显微镜光路；以四分之一波片和反射镜作为延时系统的数字全息显微系统包含反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路。

进一步，棱镜延时反射式数字全息显微镜光路中，光源发出的线偏振光经第一二分之一波片和偏振分光棱镜后分为两束偏振态垂直的光波，其中一束经过第一反射镜反射后依次经过第一透镜、非偏振分光棱镜和物镜后平行出射于样品表面，样品反射光经过非偏振分光棱镜反射后被第三透镜准直为平面波入射相机作为物光束；另一束经偏振分光棱镜折射的光束为参考光束，此路光穿过第二二分之一波片经棱镜将光束180度反转后，依次经过第二透镜会聚、第二反射镜反射、非偏振分光棱镜透射和第三透镜准直后入射相机，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机数字转化后，传输入计算机，进行数字重建。

进一步，棱镜延时透射式数字全息显微镜光路中，光源发出的线偏振光经第一二分之一波片和偏振分光棱镜后分为两束偏振态垂直的光波；其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜反射后依次经过第一透镜、照射于样品表面，由物镜收集后，经过非偏振分光棱镜反射后被第三透镜准直为平面波入射相机作为物光束,另一束经偏振分光棱镜折射的光束为参考光束，此路光穿过第二二分之一波片经棱镜将光束180度反折后，依次经过第二透镜会聚、第二反射镜反射、非偏振分光棱镜透射和第三透镜准直后入射相机，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机数字转化后，传输入计算机，进行数字重建。

进一步，反射式数字全息显微镜光路中，光源发出的线偏振光经第一二分之一波片和偏振分光棱镜后分为两束偏振态垂直的光波；其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜反射后依次经过第一透镜、非偏振分光棱镜和物镜后平行出射于样品表面，样品反射光经过非偏振分光棱镜反射后被第三透镜准直为平面波入射相机作为物光束；另一束经偏振分光棱镜折射的光束为参考光束，此路光穿过四分之一波片经第三反射镜反射后，再次透过四分之一波片和偏振分光棱镜，依次经过第二反射镜反射、第二透镜会聚、非偏振分光棱镜透射和第三透镜准直后入射相机，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机数字转化后，传输入计算机，进行数字重建。

进一步，透射式数字全息显微镜光路中，光源发出的线偏振光经第一二分之一波片和偏振分光棱镜后分为两束偏振态垂直的光波；其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜反射后依次经过第一透镜、照射于样品表面，由物镜收集后，经过非偏振分光棱镜反射后被第三透镜准直为平面波入射相机作为物光束；另一束经偏振分光棱镜折射的光束为参考光束，此路光穿过四分之一波片经第三反射镜反射后，再次透过四分之一波片和偏振分光棱镜，依次经过第二反射镜反射、第二透镜会聚、非偏振分光棱镜透射和第三透镜准直后入射相机，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机数字转化后，传输入计算机，进行数字重建。

进一步，由于物光光束和参考光光束需要扩束到合适尺寸进行干涉，选用扩束镜将所述偏振分光棱镜的入射光斑和出射光斑进行扩束。

进一步，由于物光和参考光需要振动方向相同才能产生干涉，偏振方向也需要严格控制，四分之一波片的光轴需要与光路平面呈45度才可以达到将第三反射镜反射出的光线完全透过偏振分光棱镜的目的。

进一步，光源为线偏振光源，若光源为随机偏振态，则让激光先经过偏振片，变为线偏振态。

进一步，相机包括面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机和线阵黑白相机，相机传感器类型包括CCD和CMOS。

进一步，第二二分之一波片放置于物路光束或者参考路光束。

进一步，第二反射镜角度和位置可变，可使参考光束与物光束形成夹角可变从而控制干涉条纹密度。

进一步，第一扩束镜、第二扩束镜、第三扩束镜有以下几种安装方式：

a)只安装第一扩束镜；

b)只安装其中任意两个；

c)三个扩束镜全部安装。

附图说明

图1是反射式数字全息显微系统、棱镜延时结构示意图；

图2是透射式数字全息显微系统、棱镜延时结构示意图；

图3是反射式数字全息显微系统、四分之一波片和反射镜延时结构示意图；

图4是透射式数字全息显微系统、四分之一波片和反射镜延时结构示意图；

图5是光源方案一示意图；

图6是光源方案二示意图。

图中，1.光源，2.第一二分之一波片，3.偏振分光棱镜，4.第一反射镜，5.第一透镜，6.非偏振分光棱镜，7.物镜，8.样品，9.第二二分之一波片，10.棱镜，11.第二透镜，12.第二反射镜，13.第三透镜，14.相机，15.计算机，16.四分之一波片，17.第三反射镜，18.第一扩束镜，19.第二扩束镜，20.第三扩束镜，21.发光源，22.第一聚焦透镜，23.针孔，24.第二聚焦透镜，25.光纤，26.第三聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明以棱镜作为延时系统的数字全息显微系统如图1和图2所示。棱镜延时反射式数字全息显微镜光路如图1所示，光源1发出的线偏振光经第一二分之一波片2和偏振分光棱镜3后分为两束偏振态垂直的光波，其中一束经过第一反射镜4反射后依次经过第一透镜5、非偏振分光棱镜6和物镜7后平行出射于样品8表面，样品8反射光经过非偏振分光棱镜6反射后被第三透镜13准直为平面波入射相机14作为物光束；另一束经偏振分光棱镜3折射的光束为参考光束，此路光穿过第二二分之一波片9经棱镜10将光束180度反转后，依次经过第二透镜11会聚、第二反射镜12反射、非偏振分光棱镜6透射和第三透镜13准直后入射相机14，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机14数字转化后，传输入计算机15，进行数字重建。

棱镜延时透射式数字全息显微镜光路如图2所示，光源1发出的线偏振光经第一二分之一波片2和偏振分光棱镜3后分为两束偏振态垂直的光波。其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜4反射后依次经过第一透镜5、照射于样品8表面，由物镜7收集后，经过非偏振分光棱镜6反射后被第三透镜13准直为平面波入射相机14作为物光束。另一束经偏振分光棱镜3折射的光束为参考光束，此路光穿过第二二分之一波片9经棱镜10将光束180度反折后，依次经过第二透镜11会聚、第二反射镜12反射、非偏振分光棱镜6透射和第三透镜13准直后入射相机14，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机14数字转化后，传输入计算机15，进行数字重建。

以四分之一波片和反射镜作为延时系统的数字全息显微系统如图3和图4所示。反射式数字全息显微镜光路如图3所示，光源1发出的线偏振光经第一二分之一波片2和偏振分光棱镜3后分为两束偏振态垂直的光波。其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜4反射后依次经过第一透镜5、非偏振分光棱镜6和物镜7后平行出射于样品8表面，样品8反射光经过非偏振分光棱镜6反射后被第三透镜13准直为平面波入射相机14作为物光束。另一束经偏振分光棱镜3折射的光束为参考光束，此路光穿过四分之一波片16经第三反射镜17反射后，再次透过四分之一波片16和偏振分光棱镜3，依次经过第二反射镜12反射、第二透镜11会聚、非偏振分光棱镜6透射和第三透镜13准直后入射相机14，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机14数字转化后，传输入计算机15，进行数字重建。

透射式数字全息显微镜光路如图4所示，光源1发出的线偏振光经第一二分之一波片2和偏振分光棱镜3后分为两束偏振态垂直的光波。其中透射光束作为物光束，其经过第一反射镜4反射后依次经过第一透镜5、照射于样品8表面，由物镜7收集后，经过非偏振分光棱镜6反射后被第三透镜13准直为平面波入射相机14作为物光束。另一束经偏振分光棱镜3折射的光束为参考光束，此路光穿过四分之一波片16经第三反射镜17反射后，再次透过四分之一波片16和偏振分光棱镜3，依次经过第二反射镜12反射、第二透镜11会聚、非偏振分光棱镜6透射和第三透镜13准直后入射相机14，与物光束干涉后产生含有样品表面信息的干涉条纹经相机14数字转化后，传输入计算机15，进行数字重建。由于物光光束和参考光光束需要扩束到合适尺寸进行干涉，可以选用扩束镜将偏振分光棱镜3的入射光斑和出射光斑进行扩束，第一扩束镜18、第二扩束镜19、第三扩束镜20安装位置如图1至图4所示。在数字全息显微技术中，物光与参考光需要严格控制偏振方向从而产生干涉。产生干涉的物光和参考光光程差需要严格控制在相干范围之内，本发明中棱镜10和第三反射镜17的位置可以在y轴方向精确移动从而匹配参考光光程与物光光程。

由于物光和参考光需要振动方向相同才能产生干涉，偏振方向也需要严格控制，四分之一波片16的光轴需要与光路平面呈45度才可以达到将第三反射镜17反射出的光线完全透过偏振分光棱镜的目的。光源1可由激光器经空间滤波器滤波后由透镜准直组成(如图5所示)，也可以由激光器光纤耦合输出后经透镜准直至合适光斑大小后输出(如图6所示)。本发明中所提光源皆为线偏振光源，若光源为随机偏振态，则可让激光先经过偏振片，变为线偏振态。图5为光源方案一。其中发光源21可采用半导体激光器，气体激光器(氦氖激光器)，LED，Super LED等。发光源21射入针孔23内，穿过第一聚焦透镜22和第二聚焦透镜24后射出，针孔23、第一聚焦透镜22和第二聚焦透镜24构成一个空间滤波器。图6位光源的方案二，入射光经过光纤25射出，穿过第三聚焦透镜26。

本发明提出了使用四分之一波片和反射镜组合的方式实现调整参考路光程的目的。另外也提出使用一个棱镜达到将光束偏转180度从而实现调整光程的目的。提出的这两种延时系统相较于两个反射镜的延时系统更容易调整和达到较高精度。本发明将系统的集成度提高并且简化了延时系统的调节难度。不同于传统的两面反射镜作为延时，本专利中用棱镜或四分之一波片作为延时的主要器件。属于数字全息成像技术领域，可用于三维实时形貌测量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。