专利名称：基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置及共焦轴向扫描方法
技术领域：
本发明涉及一种共焦显微镜及其扫描方法。
背景技术：
自二十世纪八十年代以来，微电子技术、生物工程、微光学和微光机电系统技术已进入了一个飞速发展的阶段，在微尺度领域中人们更加重视对三维状态的定量分析，三维快速超精密测量已经成为现代测试技术和仪器研究中的重要课题。而共焦测量方法因其高精度、高分辨力、非接触和易于实现三维成像数字化的独特优势而成为三维微结构测量的一个重要研究方向。采用共焦测量方法实现三维微结构测量的一种方法是使被测物体相对于焦点位置轴向移动，在探测器表面形成离焦信号，根据探测器所探测到的光强来实现对被测物体三维微结构的测量。典型的测量装置如下哈尔滨工业大学自动化测试与控制系的王富生博士在其博士论文《基于差动共焦显微探测技术的三维测量系统研究》中提出了一种可以实现轴向扫描的共焦装置，该装置的构成是包括激光器、会聚透镜、针孔3、扩束器、偏振分光镜、λ /4波片、物镜、被测物体， 还包括聚光镜、分光镜、针孔1、光电探测器1、针孔2、光电探测器2。激光器发射的平行光束经汇聚透镜成像到针孔3位置处形成点光源，点光源发射的光束经扩束器平行入射到偏振分光镜上，透射过偏振分光镜的光束经过λ /4波片后由物镜成像到被测物体表面并沿原路反射，再次经过λ /4波片后被偏振分光镜反射到聚光镜形成汇聚光束，汇聚光束被分光镜分成两路差动信号，分别穿过焦前和焦后的两个针孔后被光电探测器探测形成差动共焦系统。该装置通过Z向驱动单元承载物镜沿光轴方向前后移动实现轴向扫描。哈尔滨工业大学自动化测试与控制系的黄向东博士在其博士论文《阵列式空间超分辨共焦显微扫描探测技术与理论研究》中介绍了反射式激光扫描共焦显微镜的工作原理，该装置的构成是包括激光器、针孔1、分光镜、物镜、被测物体，还包括针孔2、探测器。 激光器发射的光束经过针孔1形成点光源，点光源发射的光束经物镜成像到被测物体表面并沿原路反射，反射光线再次经过物镜后又被分光镜反射到针孔3位置处。该装置通过调整被测物体的轴向位置来实现系统对被测物体的轴向扫描。这两篇博士论文均提出了一种可以实现轴向扫描的共焦显微技术和扫描方法，他们共有的特点是被测物体离焦是通过物镜或被测物体沿轴向方向移动实现的，这种方法就要求测量装置包含轴向扫描机构。具有轴向扫描机构装置的第一个缺点是装置结构复杂， 实现精密测量需要配合运动机构、控制机构、以及反馈环节；第二个缺点是如果轴向移动的是被测样品，且该样品在移动过程中会不断发生形变，如细胞，不仅降低这种样品的测量精度，而且测量重复性差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有轴向扫描装置及方法因被测物体离焦是通过物镜或被测物体沿轴向方向移动而实现的，从而导致装置的结构复杂、样品的测量重复性差的问题，提供一种基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置及共焦轴向扫描方法。基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置，它包括激光器、会聚透镜、第一针孔、照明物镜、光阑、偏振分光镜、λ/4波片、反射式液晶空间光调制器、被测物、测量物镜、分光镜、收集物镜、第二针孔和光强探测器，激光器发射的平行光束通过会聚透镜成像到第一针孔处，通过第一针孔的光束通过照明物镜准直后平行入射到偏振分光镜，偏振分光镜把入射光分为反射光和透射光，所述反射光是S光，所述透射光是P光，透射光通过 λ /4波片后到达反射式液晶空间光调制器，反射式液晶空间光调制器把到达光全反射，获得的全反射光按原光路返回入射至偏振分光镜，经该偏振分光镜反射的反射光入射至分光镜，经该分光镜反射的反射光入射至测量物镜，通过该测量物镜成像到被测物上，经被测物反射的反射光沿原光路返回入射至分光镜，经该分光镜透射的透射光由收集物镜成像到第二针孔位置处，并通过第二针孔入射到光强探测器的光敏面。基于上述基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置实现共焦轴向扫描方法，它的具体步骤如下步骤一、设定理论调焦距离xF = 0，将被测物配置为待扫描物体，把待扫描物体放置到距离测量物镜为2 位置处；步骤二、保持步骤一所述待扫描物体和测量物镜的相对位置不动，通过计算机控制反射式液晶空间光调制器的相位灰度图变化，使得所述相位灰度图对应的理论调焦距离 h沿轴向方向从ο μ m到105 μ m以5 μ m的步进，所述相位灰度图与理论调焦距离和之间的关系为
权利要求
1.基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置，其特征是它包括激光器(1)、 会聚透镜(2)、第一针孔(3)、照明物镜(4)、光阑(5)、偏振分光镜(6)、λ/4波片(7)、反射式液晶空间光调制器(8)、被测物(10)、测量物镜(11)、分光镜(1 、收集物镜(1 、第二针孔(14)和光强探测器(16)，激光器(1)发射的平行光束通过会聚透镜( 成像到第一针孔C3)处，通过第一针孔(3)的光束通过照明物镜(4)准直后平行入射到偏振分光镜(6)， 偏振分光镜(6)把入射光分为反射光和透射光，所述反射光是S光，所述透射光是P光，透射光通过λ/4波片(7)后到达反射式液晶空间光调制器(8)，反射式液晶空间光调制器 (8)把到达光全反射，获得的全反射光按原光路返回入射至偏振分光镜(6)，经该偏振分光镜(6)反射的反射光入射至分光镜(12)，经该分光镜(12)反射的反射光入射至测量物镜 (11)，通过该测量物镜(11)成像到被测物(10)上，经被测物(10)反射的反射光沿原光路返回入射至分光镜(12)，经该分光镜(1 透射的透射光由收集物镜(1 成像到第二针孔 (14)位置处，并通过第二针孔(14)入射到光强探测器(16)的光敏面。
2.根据权利要求1所述基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置，其特征在于它还包括位移台(9)，被测物(10)置于位移台(9)上，位移台(9)能够沿测量物镜(11) 的光轴方向作一维移动。
3.根据权利要求1所述基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置，其特征在于它还包括三维精密位移台(15)，光强探测器(16)置于三维精密位移台(15)上。
4.根据权利要求1所述基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置，其特征在于所述反射式液晶空间光调制器(8)的有效像素面积为7. 68mmX 7. 68mm，每个像素大小为 15 μ mX 15 μ m。
5.采用权利要求1所述的基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置实现共焦轴向扫描方法，其特征在于它包括具体步骤如下步骤一、设定理论调焦距离XF = 0，将被测物配置为待扫描物体，把待扫描物体放置到距离测量物镜(11)为位置处；步骤二、保持步骤一所述待扫描物体和测量物镜(11)的相对位置不动，通过计算机控制反射式液晶空间光调制器(8)的相位灰度图变化，使得所述相位灰度图对应的理论调焦距离&沿轴向方向从0 μ m到105 μ m范围内以5 μ m的步长步进，所述相位灰度图与理论调焦距离&之间的关系为
全文摘要
基于反射式液晶空间光调制器的共焦轴向扫描装置及共焦轴向扫描方法，涉及一种共焦显微镜及其扫描方法，本发明解决了现有轴向扫描装置及方法因被测物体离焦是通过物镜或被测物体沿轴向方向移动而实现所导致的装置结构复杂、样品的测量重复性差的问题。本发明的共焦轴向扫描装置在现有装置基础上的偏振分光镜和物镜之间增加了反射式液晶空间光调制器，同时去掉传统共焦轴向扫描装置中轴向扫描机构，用反射式液晶空间光调制器取代轴向扫描机构。本发明的共焦轴向扫描方法采用计算机直接调制相位灰度图的方式来调整物镜之前光波的波前，从而实现变焦，使得测量物镜和被测物均不需要轴向移动即可实现对被测物的轴向扫描。用于共焦显微镜及其扫描。
文档编号G02F1/13GK102540439SQ20111045335
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者侯斯靓, 谭久彬, 邹丽敏 申请人:哈尔滨工业大学