用于数字全息成像和干涉测量的光纤分路器装置和包括所述光纤分路器装置的光学系统的制作方法

本发明涉及全息和干涉成像领域。

背景技术：

全息或干涉成像方法用于表征样品的相位和强度(或幅度)对比度。相位信息是定量的并且特别令人感兴趣，因为它能够对反射样品进行表面形貌测量，并且使用透明样品进行厚度或折射率测量。此外，在细胞成像中，已经证明定量相位测量(qpm)能够监测形态、细胞内浓度、通道活性和其他细胞过程的变化。使用提供光学产生的干涉图案或全息图的数字图像的图像传感器来最佳地实现全息和干涉成像方法，通过应用特定图像处理方法从中产生定量相位对比图像。

为了创建全息图或干涉图，必须组合两个光束：(i)包含样品信息的目标光束，和(ii)未与样品相互作用的参考光束。并且由于这两个光束必须彼此相干以便干涉，所以参考和目标波也必须从相同的光源发出，分别设置成不同的参考和目标臂。另外，如果光源具有降低的相干性，则仅当在它们各自的臂中传播的参考和目标波的光学路径长度相等或者相差小于干涉或全息设置的分路和重组点之间的光源的相干长度时，才发生干涉。

在提出用于实现全息或干涉成像的各种解决方案中，当需要复杂的三维几何形状来实现期望的光学路径时，已经表明采用光纤传输的那些解决方案特别相关。例如，b.kemper等人在“modulardigitalholographicmicroscopysystemformarkerfreequantitativephasecontrastimagingoflivingcells”(proceedingsofspievol.6191，2006)(“用于活细胞的无标记定量相衬成像的模块化数字全息显微镜系统”)中描述了可适用于标准商业光学显微镜的模块化数字全息显微镜概念。quweijuan等人发表了通过使用集成光纤分路器装置实现光纤传输和分路的自然方式，“microlenscharacterizationbydigitalholographicmicroscopywithphysicalsphericalphasecompensation”(appliedoptics,49,2010)(“通过数字全息显微镜用物理球形相位补偿进行微透镜表征”)。

然而，仅用长相干激光器和标准光纤分路器报告了全息和干涉成像中的光纤分路和传送，而没有从分路器出来的光纤之间的受控长度差异。本发明引入了一种新的光纤分路解决方案，该光纤分路解决方案对于传输目标和参考波的光纤具有受控的长度差异，并且与现有技术相比具有几个优点。特别地，本发明简化了降低的相干光源的管理并且使得能够更容易地实现最佳干涉条件，包括波前匹配和轴外干涉。此外，使用根据本发明的装置的设备对于振动和环境扰动更加稳健，并且可以通过减少元件数量来更快地生产，同时在仪器的设计中提供更大的灵活性，特别是组合不同光源的复杂仪器和/或不同的成像方式。

技术实现要素：

本发明解决了上述不便之处。本发明涉及根据权利要求1的光学系统和根据权利要求16的全息或干涉测量装置。其他有利特征可以在从属权利要求中找到。

光纤分路器是用于光纤网络和光纤传感器的无源器件。本发明提出了这种光纤分路器装置的改进，以便在用于全息成像或二维干涉测量的装置中实现最佳集成。这种改进包括精确地固定从光纤分路器出射的两根光纤之间的长度差，以便于利用用于产生参考波的光与用于照射样品以产生目标波的光之间的预定义光程差将光传递到设置。确定光纤长度差以满足以下要求中的至少一个：

(i)当参考波和目标波重新组合以干涉产生全息图或干涉图时，最小化参考波和目标波之间的光学路径长度(opl)差异。这使得能够使用降低的相干光源。在下文中，该要求有时被称为opl匹配条件。

(ii)当参考波和目标波重新组合以干涉创建全息图或干涉图时，优化参考波和目标波之间的波前匹配。这使得能够记录具有干涉条纹的全息图或干涉图，其在评估平坦表面时尽可能接近直条纹图案的理想情况。在下文中，该要求有时被称为波前匹配条件。

(iii)应用程序施加的设计约束，例如大样品量或多个光源使用，以及人体工程学或集成要求，例如紧凑性或外部访问，或适应现有仪器。

总之，光纤长度差是固定的，以便为创建全息图或干涉图定义最佳干涉条件，并且确保结合本发明装置的仪器的最佳使用。

根据本发明的光纤分路器装置可以在透射和反射配置中结合到用于全息或干涉成像的各种设置中，以分别研究透明或反射样品。

本发明更关注于设计专用于大表面检查的全息或干涉仪器，或者更一般地，当传感器和样品之间需要长距离时，因为与通常的自由空间实现相比，使用光纤传送的参考波可以以更紧凑和最简单的方式满足opl匹配的条件。但是，几乎所有形式的干涉或全息设置都可以受益于使用根据本发明的设备。作为适于有利地使用根据本发明的光纤分路器装置的装置的示例，我们可以引用：无透镜全息设置、数字全息显微镜、干涉显微镜、白光干涉仪、垂直扫描干涉仪、干涉光学表面轮廓仪、干涉仪、相移干涉仪。同样，使用根据本发明的光纤分路器装置可以产生利用干涉过程进行三维层析成像的光学仪器。

使用根据本发明的装置的全息或干涉装置的实现包括光被光纤引导的部分和光在自由空间中在目标和参考臂中传播的其它部分。在本发明的优选实施例中，确定光纤长度差，以便通过光纤引导的光程差来补偿自由空间光程差。换句话说，自由空间光程差和光纤引导光程差具有相同的绝对值，但符号相反。

不同的光纤长度补偿在例如光学装置中的自由空间中传播期间在目标电磁波和参考电磁波之间形成的光程差。

使用根据本发明的光纤分路器装置的仪器的设计将优选地最大化光纤引导部分，因为光纤引导的光对环境扰动不太敏感，在对准稳定性方面对振动更加稳健(robust)，并且与其等效的自由空间实现相比，在生产方面进行了简化，其必须将棱镜和/或立方体和/或镜子和/或透镜组合在可调节的支架中，以在相同的位置提供光。结果，改进的鲁棒性(robustness)和简化是本发明的第一明显优点，由于光纤传输提供的灵活性以及有源或无源光纤耦合或光纤集成元件更容易集成，这在仪器设计中带来了更多自由度。此外，使用光纤传输光在全息和干涉测量中是有吸引力的，因为从光导出射的波前具有高质量和低像差水平，特别是对于单模和保偏光纤。

本发明的上述和其他目的、特征和优点以及它们的实现方式将变得更加明显，并且参考示出本发明的一些优选实施例的附图，从以下描述的研究中将最好地理解本发明本身。

附图说明

图1描绘了使用根据本发明的光纤分路器装置的无透镜数字全息成像的示例性光学设计或系统。

图2描绘了根据本发明的用于具有大视场的大样品的全息或干涉成像的光纤分路器装置的示例性实施方式。

图3描绘了根据本发明的用于具有高分辨率的样品的全息或干涉透射显微镜的光纤分路器装置的示例性实施方式。

图4描绘了根据本发明的两个光纤分路器装置的示例性实施例，用于透射和反射中的全息或干涉显微镜。

图5描绘了根据本发明的用于具有两个光源的全息或干涉反射显微镜的光纤分路器装置的示例性实施方式。

图6描绘了根据本发明的用于具有至少两个光源的全息或干涉反射显微镜的两个光纤分路器装置的示例性实施方式。

图7描绘了图3的实施方式的示例性修改，以使得利用根据本发明的光纤分路器装置的装置适于通过收集跨样品体积的若干角度投影进行层析成像。

这里，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。

具体实施方式

本发明的光纤分路器装置(fsd)包括至少3根光纤。第一个0收集光源(1)发出的光，第二个称为目标光纤(3)，第三个称为参考光纤(4)。光纤分路器fs将来自光源(1)的光分成目标和参考光纤，目标和参考光纤将光传送到光学装置os，光学装置os被配置成通过重新组合由目标和参考光纤传递的光来产生干涉。

干涉发生在参考波(7)和目标波(6)之间。目标波(6)通过目标光纤(3)传递的光与样品(5)的相互作用产生。参考波(7)由参考光纤(4)传递的光发出，而不与样品相互作用。目标波(6)和参考波(7)之间的干涉产生由图像传感器(9)记录的全息图或干涉图。

使用根据本发明的光纤分路器装置的装置中的参考波和目标波组合了两种类型的光传播(以两种不同的方式传播)，其定义如下：

-光纤分路器fs与目标和参考光纤端部之间的光纤引导传播。

-从目标端部和参考光纤到传感器(9)的自由空间传播。

在这里可以这样理解自由空间传播，其中对光线不受光纤引导的设置的所有部分有广泛的定义，包括通过透明或半透明元件(例如透镜、立方体、棱镜或光学滤波器)的传播。在这个宽泛的定义中，自由空间传播还包括反射或半反射表面(例如镜子、滤光器或棱镜)的反射或偏差。

光程长度(opl)或光学距离是通过系统的路径光的几何长度与其传播的介质的折射率的乘积。在使用根据本发明的光纤分路器装置的设备中，参考波和目标波的光路长度包括如下定义的两种类型的贡献：

-在光纤分路器fs与目标和参考光纤的端部之间的光纤引导传播部分中的光纤引导的opl。

-自由空间传播部分中的自由空间opl，从目标和参考光纤的端部到传感器(9)。

因此，光程差(opd)(定义为参考波的opl与目标波的opl之间的差异)也包括两种类型的贡献：

-光纤引导的opd，用于光纤引导传播部分中的参考波和目标波之间的opl差异，光纤分路器fs与目标和参考光纤的端部之间。

-自由空间opd，用于自由空间传播部分中的参考波和目标波之间的opl差异，从目标和参考光纤的端部到传感器(9)。

本发明的一个重要特征是参考光纤(4)和目标光纤(3)的长度是不同的并且是固定的，以便通过光纤引导的opd补偿自由空间opd，以便最小化由光纤引导传播和自由空间传播产生的整体(global)opd。根据一个实施例，光纤长度被定义为光纤从光纤分路器fs处的光纤连接或接口点到被引导光离开光纤的光纤端的几何(或物理)长度。结果，根据本发明的光纤分路器装置fsd具有用于参考光纤(4)和目标光纤(3)的不同光纤长度。在下文中，目标和参考光纤3,4的长度之间的这种差异将被称为光纤长度差，在一个优选实施例中，光纤长度差是固定的，使得光纤引导的opd具有与自由空间opd相同或几乎/基本相同的绝对值，但符号相反。换句话说，如果目标波(6)的自由空间opl比参考波(7)长，则参考光纤(4)将比目标光纤(3)长，反之亦然。

在一个优选实施例中，根据本发明的光纤分路器装置使用相同的光纤类型用于参考光纤和目标光纤(3、4)，特别是两个光纤具有相同的折射率，因此，光纤引导的opd与几何光纤长度差成正比。但是，根据本发明的光纤分路器装置也可以使用不同的光纤类型实现目标光纤(3)和参考光纤(4)。在这种情况下，如果参考光纤(4)和目标光纤(3)具有不同的折射率，根据本发明的光纤分路器装置可以限定非零光纤引导的opd，其具有与参考光纤和目标光纤(3,4)相同或几乎/基本相同的几何长度。

利用根据本发明的光纤分路器装置的设备或系统可以例如按照包括以下步骤的过程来设计：

a)选择图像传感器(9)和至少一个光源(1)；

b)目标波(6)的自由空间传播的光学设计或配置。

取决于期望的横向分辨率和视场(fov)，目标波在其中传播的目标波的自由空间部分可以包括至少一个成像透镜以产生样品的放大或缩小图像(5)。还可以添加附加透镜以对由目标光纤(3)传递的光进行成形，以便对样品(5)进行适当照射，以及反射或部分反射的表面，以使光偏离样品和/或图像传感器(9)。根据全息成像的教导，目标波的这个自由空间部分也可以免除成像透镜，并且根据全息显微镜的教导，可以在距图像传感器(9)一定距离处形成放大或缩小的样品图像，用于离焦记录。

c)参考波(7)的自由空间传播的光学设计或配置。在优选实施例中，定义参考波(7)以便产生轴外干涉，这意味着从图像传感器(9)观察其传播方向相对于目标波(6)的传播方向形成一个角度。但是，具有平行目标和参考波的在线实施方式也是可能的，例如在相移干涉测量法或垂直扫描干涉测量法中已知的那样。参考波(7)的自由空间光学设计可包括反射或部分反射表面、或光学棱镜，以使光以适当的离轴角度朝向图像传感器(9)偏离。参考波(7)的自由空间光学设计还可以包括透镜，以对由参考光纤(4)传递的光进行整形，以便适当地照射图像传感器(9)，理想地满足波前匹配条件，这意味着，除了轴外干涉所需的潜在倾斜和/或潜在横向剪切之外，参考波(7)的波前与平面样品的目标波的波前紧密匹配，其中匹配紧密意味着目标和参考波前具有相似的曲率，至少在第二阶，使得直的或接近直的条纹构成由参考波(7)和目标波(6)对于平坦样品的叠加产生的干涉图案。

d)用于目标波和参考波共用的自由空间传播的光学设计，包括组合装置以叠加目标波和参考波，以便在图像传感器(9)上产生干涉图案。在大多数情况下，适当定位和尺寸的立方体分路器(8)对于该操作是足够的，但是也可以使用板或二向色分光器以及包括棱镜和/或反射或半反射表面的更复杂的解决方案。如果参考和目标波被设计成使得它们到达图像传感器(9)而没有适当的干涉能力，则也可以抑制组合手段。

e)精确计算目标和参考波的自由空间opl，并计算相关的自由空间opd。这需要了解自由空间传播中目标和参考波穿过的材料的几何长度和折射率。这可以使用理论模型来模拟自由空间波传播，例如，借助于光学设计软件工具，例如zemax或opticsstudio、或oslo(用于布局和优化的光学软件)或代码v。也可以进行实验验证，但是基于简单模型化的几何光学规则以及光学元件厚度和折射率的知识通常是足够的。

f)确定定义光纤引导的opd所需的光纤长度差，补偿自由空间opd，即具有相同或几乎相同的绝对值但具有相反的符号。这需要了解光纤的折射率。

g)可选地添加调整装置以微调参考波(7)的自由空间opl和/或目标波(6)的自由空间opl。这可以通过添加至少一个(机械)装置(例如，平移台)来完成，以平移参考光纤(4)的端部和/或目标光纤(3)的端部。可选地，该平移还可以包括自由空间设计的其他光学元件，例如位于转换光纤端之后的至少一个透镜。可选地，也可以在目标或参考波的路径中添加具有适当厚度和折射率的玻璃板。

h)可选地添加调整装置以控制参考波(7)和/或目标波(6)的偏振，使得它们最佳地干涉相同的偏振。这可以通过添加至少一个(机械)装置来完成，该装置用于旋转参考或目标光纤(例如，光纤端部旋转器)中的至少一个的端部。可选地，可以包括光纤偏振控制器并将其用在设置的光纤引导部分上。可选地，偏振控制光学器件也可以插入设置的自由空间部分中，例如半波或四分之一波片、偏振器或偏振分路器。

利用根据本发明的光纤分路器装置fsd的示例性装置或系统包括耦合到光纤分路器fs的至少一个光源(1)光纤。光源(1)和光纤分路器fs之间可以是直接光纤耦合的，这意味着光源(1)例如直接尾纤到相对端进入光纤分路器fs的光纤，或间接意味着借助于附加光纤到光纤连接和/或意味着自由空间发射光源是光纤耦合的。光源(1)可以有利地是减小的相干光源或长相干光源。发光二极管(led)、垂直腔面发射激光器(vcsel)、激光二极管、激光器、超辐射发光二极管(sld)、尾纤二极管、脉冲光源、稳定激光器、稳定激光二极管、光纤激光器、有源纳米结构光纤激光器、二极管泵浦固态(dpss)激光器、分布式布拉格反射器(dbr)激光器、光纤布拉格光栅(fbg)激光二极管、体全息光栅(vhg)激光器和可调光源，是可以使用的光源(1)的示例。

如稍后所述，相同仪器可以使用不同波长和/或功率和/或偏振状态的若干不同光源，以同时或顺序获取各种波长和/或功率和/或偏振状态的干涉或全息信息。

同样，可以通过使用光纤耦合器来耦合至少两个相同的光源以增加可用的光功率。此外，由于光纤传输，光源或光源的组合可以距离使用它的仪器很远，并且还可以进行光纤分离以将来自相同光源或来自相同光源组合的光传递到几个不同的仪器。

根据光纤技术中的通常措辞，根据本发明的装置所使用的光纤分路器fs也可以称为光纤耦合器或光纤组合器。光纤分路器fs及其连接的光纤可以是单模或多模类型。光纤分路器fs及其连接的光纤可以是偏振保持(pm)型或不是。光纤分路器fs可以应用不同的分光比，但是对于目标波和参考波限定相似光功率水平的比率是优选的。

可以使用熔融双锥形(fbt)分路器和平面光波电路(plc)分路器以及任何等效物，只要它将来自至少一根光纤的光分成至少两根光纤即可。

还可以使用包括立方体分路器和至少三个包括聚焦或准直透镜的光纤耦合端口的装置。波分复用器(wdm)也可用于多波长组合。也可以使用多于一个光纤分路器fs或具有三个以上光纤的光纤分路器，例如当组合多个光源时或者当需要的测量需要多于一个目标波(6)和/或多于一个参考波(7)时。同样，光纤分路器可以级联用于额外的分离和/或组合目的，这意味着可以在离开另一个光纤分路器的光纤的端部插入至少一个附加的光纤分路器。也可以实现具有未使用光纤的光纤分路器。

参考光纤和目标光纤(3、4)的不同长度的设置可以在光纤分路器fs器件的制造过程中完成，例如，通过固定来自光纤分路器fs的不同光纤长度的光纤耦合器，或者稍后借助于至少一个光纤延伸部分，该光纤延伸部分通过光纤到光纤连接插在从光纤分路器fs出射的至少一个光纤上。关于光纤长度，重要的是精确地说，根据本发明的装置的重要规格是光纤长度差异，而不管光纤的绝对长度。可能地，光源(1)和光纤分路器fs可以远离全息或干涉仪器。

进入或离开根据本发明的光纤分路器fs装置的光纤可选地沿其路径中断，以插入有源或无源类型的光纤耦合或光纤集成光学装置。这允许全息或干涉仪器以比完全自由空间设计更简单和稳健(robust)的方式结合例如调制器，例如电光或声光调制器。光纤耦合器、光纤环行器、光纤隔离器、光纤衰减器、光纤偏振器、光纤偏振控制器、光开关、光纤放大器、光纤布拉格光栅、分布式布拉格反射器或调制器(如幅度调制器或相位调制器或偏振调制器)，是光纤耦合或光纤集成装置的示例，其可以有利地沿着使用根据本发明的光纤分路器装置的仪器的光纤引导部分并入。另外，光纤耦合或光纤集成器件可以插入进入或离开光纤分路器fs的光纤的端部，例如光纤准直器、梯度折射率透镜、尾纤透镜、尾纤法拉第反射镜、光纤后向反射器或光纤终端器。

图1中给出了第一个实施例，用于所谓的数字全息成像的无透镜设置。图1的自由空间光学装置或设计os由分路器立方体(8)和优选地位于样品(5)和图像传感器(9)之间的单个分路器立方体(8)组成，定义了一个非常紧凑的传感器或系统，其全局结构，包括光纤分路器fs和光源(1)，由于光纤传输，具有很大的设计灵活性。用于记录干涉图案的图像传感器9例如可以是相机，例如数码相机

在图1的实施例中，离轴配置由参考光纤(4)端e4相对于目标光纤3的端部e3的(小)垂直平移表示，其在图的平面中高于目标光纤(3)的端部e3。也就是说，光纤4的端部e4沿着图1中所示的方向v更靠近传感器9的光检测平面。参考光纤(4)端e4也可以沿垂直于图的平面的轴(沿着图1中所示的轴h平行于传感器9的光检测平面的方向)平移，并且可选择安装在可定向安装座上，具有角度调节功能，以确保在离轴配置中实现最佳光束定心。

在图1的设置中，目标波(6)的自由空间传播穿过复合分路器立方体(8)的玻璃厚度的两次，而参考波(7)仅穿过它一次。为了满足波前匹配条件，光纤端部与图像传感器(9)之间的几何距离必须比参考臂长目标臂中立方体(8)尺寸的大约三分之一。这种立方体尺寸的三分之一的估计是由于当发散光束穿过折射率为1.5的厚玻璃板时出现的所谓焦点偏移的计算的标准近似。结果，对于立方体再次假设折射率为1.5，根据图1的自由空间opd可以被计算为立方体(8)尺寸的5/6。

由于目标波的自由空间opl较长，参考光纤(4)的长度必须长于目标光纤(3)，光纤长度差等于立方体尺寸的5/9，假设一个光纤的折射率为1.5的情况下。因此，参考光纤4更长。当然，可以更精确地评估光纤长度差异、自由空间opd和opl，并通过使用更精确的相应波长折射率值来优化波前匹配，并使用更精确的模型来模拟自由空间波传播，例如借助光学设计软件工具，如zemax或opticsstudio、或oslo(用于布局和优化的光学软件)或代码v。在实践中，还可以通过向上或向下平移样品(朝向或远离图像传感器(9))来微调目标光学路径长度。

或者，可以使用由目标光纤(3)的不同材料类型(不同折射率)组成的光纤来补偿目标波的较长自由空间opl。这也可以通过替代地使用由不同材料类型(不同折射率)组成的光纤用于参考光纤(4)来实现。

例如，光沿光纤传播的光纤芯材料具有不同的材料类型(不同的折射率)。

或者，目标光纤或参考光纤可包括由第一折射率的材料构成的第一长度的第一部分和由不同于第一折射率的第二折射率的材料构成的第二长度的第二部分。第一和第二部分可以例如通过光纤耦合器连接在一起。

在这种情况下，目标光纤3和参考光纤4可以具有相同的几何长度(或基本相同的几何长度)或不同的几何长度。

在如图1所示的无透镜设置中，对于给定的图像传感器尺寸和分辨率，可以通过改变目标光纤(3)在端部e3发射的光的发散来修改光学横向分辨率和视场(fov)。发散越大，视场和横向分辨率越小。结果，具有大数值孔径(na)的光纤优选地使分辨率具有特权，并且具有较低数值孔径(na)的光纤优选地具有较大的fov。如果没有理想的光纤na，位于光纤端部e4、e3或靠近光纤端部e4、e3的透镜可用于增加或减少发散，可能是直接耦合到光纤端部e4、e3的尾纤透镜或梯度折射率(grin)透镜。

从图1的实施例，根据另一个实施例，通过简单地将目标光纤(3)或端部e3定位在图像传感器(9)前面的样品5下方，可以容易地导出用于透明样品观察的透射无透镜设置或系统。在这种情况下，自由空间opd限于样品光学厚度。因此，对于默认或预定义的样品opl，可以固定透射无透镜设置的光纤长度差，并且可以通过将参考光纤(4)的端部e4朝向或远离分路器立方体(8)平移来微调参考自由空间opl。

与基于所谓的michelson或mach-zehnder无透镜配置的非纤维等效设置相比，使用如图1所示的根据本发明的光纤分路器设备fs具有若干优点。首先并且主要地，值得注意的是，可以在不使用任何镜子和镜头的情况下创建参考波，具有最佳的轴外设置和图像传感器(9)的最佳照明。然后，光源(1)可以有利地非常自由地定位在设置周围，即使在很远的距离也没有任何增加的复杂性。最后，通过对光纤距离和立方体(8)尺寸的简单缩放，可以容易地集成大型图像传感器，例如1英寸对角线或更大，可以在数字全息设置中集成高分辨率图像传感器，从而提供极具吸引力的低成本解决方案。

如图1所示的无透镜设置通常适用于成像样品，其尺寸约为图像传感器(9)的芯片尺寸的1/3至2/3，即通常为毫米尺寸的目标，具有几微米的典型横向分辨率。如图1中的无透镜设置中的工作距离通常也在几毫米的范围内。

对于大于图像传感器(9)的芯片的样品和/或位于距图像传感器(9)较远距离的样品，必须使用成像光学器件来形成样品的缩小图像。在这种情况下，目标自由空间opl可以很长并且根据本发明的光纤分路器装置fsd特别令人感兴趣，因为通过简单地定义长光纤长度差，它们能够通过非常紧凑和简单的参考波自由空间部分满足opl匹配条件，目标光纤(3)比参考光纤短(4)。

在图2中示出了实现大视场的另一示例性实施方式。这里，称为物镜(10)的第一透镜收集由样品(5)反射的光，并且称为图像透镜(11)的第二透镜形成图像。对于干涉测量实施方式，图像形成在图像传感器(9)上，对于全息实现，图像形成在图像传感器(9)的前面或后面，用于离焦记录。在成像透镜11和物镜10透镜之间，半透明表面(22)(部分反射-部分透射的)，例如立方体分路器，反射由目标光纤(3)传递的光，用于样品(5)的同轴照射，并且在成像透镜(11)之后插入立方体分路器(8)，以将目标波(6)与参考波(7)组合，以在图像传感器(9)上形成全息图或干涉图。

通过准直由参考光纤(4)传递的光，提供参考波(7)作为轴外参考波。可选地，可以在参考光纤端e4和分路器立方体(8)之间添加镜子，以反射具有偏轴角度的参考波。可选地，参考波(7)也可以在线提供(平行目标和参考波)，用于相移或垂直扫描干涉测量。

如图2中示意性地所示，参考光纤(4)的长度比目标光纤(3)长度长得多，以便补偿由所呈现的布置产生的大的自由空间光程差。在这种情况下，使用根据本发明的光纤分路器装置fsd是非常有利的，因为在等效的完全自由空间实现中满足opl匹配条件的参考波将需要大的几何距离和若干光束偏差以将光源引导到传感器。利用如图2所示的本发明的解决方案，可以在与具有相同视场的简单等效非干涉成像系统几乎相同的体积中实现大视场干涉仪或全息仪器。

在图2的设置中，物镜10的焦距fo比成像透镜11的焦距fi长，并且如果两个透镜之间的距离等于fo+fi，则放大系数由下式给出：比率fi/fo并且将小于1，意味着视场大于图像传感器(9)的芯片尺寸。通过仅缩放焦距比并且如果需要的话，可以通过缩放镜头直径来实现如图2所示的设置，从几毫米到几英寸的全部晶片成像的各种视野。

如果需要，例如，当光源(1)具有短相干性时，可以通过相对于光学装置向上或向下(朝向或远离传感器9)平移样品(5)来微调自由空间opd。可选地，由参考光纤端e4和下一个准直透镜cl组成的整体(15)也可以沿参考波(7)轴平移。图2的设置还可以在另一实施例中适用于透明或半透明样品的透射成像，方法是将目标纤维(3)或端部e3定位在样品5下方，并且可选地复制样品5下方的物镜(10)。

非干涉视觉系统，有时称为远心视觉系统、或扩束器视觉系统、或望远镜、或变焦镜头、或简称相机镜头，可适于包括本发明的特征。提供各种设计或配置，产生各种放大系数，包括1x放大倍率、以及从毫米到米的各种工作距离。这种视觉系统通常结合两个以上的镜头，包括多元件镜头，例如双合透镜或三合透镜，以及孔径光阑以及可能的中继透镜。通过包括根据本发明的光纤分路器装置fsd，可以使这种系统适用于干涉或全息成像。根据图2的教学和相应的描述，我们可以看到所需的调整是：

-添加半(部分)反射表面(22)用于同轴照明。

-为参考波(7)添加端口，包括参考光纤的端口(4)。

-为目标和参考波重组添加分路器立方体(8)或等效设备。

-根据针对参考波和目标波评估的自由空间opl来确定光纤长度差的大小。

图3示出了根据本发明的用于透射全息或干涉显微术的光纤分路器装置fsd的另一实施方式。在图3的设置中，显微镜物镜(12)形成样品(5)的放大图像，其由管透镜(13)聚焦。对于干涉显微镜实施方式，放大的图像聚焦在图像传感器(9)上，对于数字全息显微镜实施方式，图像聚焦在图像传感器9的后面或前面，用于失焦记录。如果物镜(12)未被无限校正，则可以抑制管透镜(13)。在图3中，样品(5)通过简单地准直从目标光纤(3)射出的光进行透射，但也可以进行会聚或发散照射，以及在物镜(12)和目标光纤(3)长度之间增加额外的透镜和/或反射界面。在没有附加透镜的情况下由目标光纤(3)直接进行样品照射也是可能的。

在图3的实施例中，通过首先将由参考光纤(4)传递的光与第一透镜准直，然后用第二透镜将其聚焦，其焦点和位置由波前匹配条件确定，来提供参考波(7)。在图3中，镜子(18)可以有利地倾斜和定位以在分路器立方体(8)重新组合之后反射离轴参考波(7)，但是也可以实现用于相移干涉测量的线内参考波(7)。可选地，可以抑制参考臂中的镜子(18)，并且可以相对于附图的平面垂直地实现参考波(7)。

可选地，由参考光纤(4)的端部e4和参考波(7)的第一准直透镜组成的整体(15)可以相对于图的平面水平平移(朝向或远离第二透镜或镜子18沿轴线h)，以微调参考自由空间opl。平移整体(15)对于使opl匹配条件适应样品(5)的不同光学厚度或不同的物镜放大率是有用的。提供参考波(7)和目标波(6)的自由空间光学设计可以比图3中呈现的实施方式更简单。可以抑制或添加镜头、以及棱镜、镜子或过滤器。同样，管透镜(13)可以定位在分路器立方体(8)之前。

在图3的设置中，目标波(6)在物镜(12)之后被反射元件(14)反射。有利地，该反射元件(14)可以是二向色镜或分光器，具体地说，反射光源(1)的波长，并尽可能广泛地传输其他光波长。使用这样的二向色元件14使得能够在全息或干涉显微镜设置上限定另外的端口(16)，其可以用于实现其他测量或成像模态。例如，外部端口(16)可用于将该设置连接到另一个相机，从而实现标准明场或相位对比或荧光显微镜。如果需要这些附加模态中的一种，则可以通过使用插入在目标光纤(3)和样品(5)之间的二向色元件来耦合至少一个附加光源以进行透射照射。至少一个附加光源也可以通过附加端口(16)耦合以进行落射照明。对于荧光显微镜，激发和发射荧光信号都可以通过附加端口(16)传输，假设荧光立方体插入二向色元件(14)下方以反射荧光光源并将荧光发射图像传输到另外的相机。

在图3的设置中，自由空间opd小于图2的设置，并且在图3中使用根据本发明的光纤分路器装置fsd的一个重要优点是参考光纤和目标光纤可以在最佳定义的远距离位置传送光，以产生具有短自由空间opl的所需干涉条件。显然，实现满足opl匹配条件的图3设置的完全自由空间版本，其中参考光束和在设置的相对角处传送的目标光束将需要通过精确定位和调整的镜子进行多次反射，意味着更高的系统配置和机械设计的复杂性以及更耗时的仪器生产。

关于图3的重要注意事项是通过定义平行于物镜(12)的参考臂可以简化类似装置的完全自由空间实施方式，其中参考波(7)光学器件位于与物镜(12)相同的高度。但是在这种情况下，可用于保持和定位样品(5)的体积将显著减小，这很好地说明了本发明用于设计具有改进的人体工程学的全息或干涉仪器的另一个优点。为了进一步考虑人机工程学，值得注意的是，在图3的三维实施方式中，包括分路器立方体(8)的参考臂可以有利地围绕垂直于图像传感器(9)的轴h并且以图像传感器(9)为中心旋转90度。这样的旋转确实能够使图3中的细虚线(附图标记bb)围绕的所有元件在与图像传感器(9)相同的水平面中，这有利于在全息或干涉仪器下定义宽广的自由空间，意味着更灵活地利用外部端口(16)。

根据本发明的光纤分路器装置fsd也可以在仪器的设计中级联，并且图4示出了能够实现反射和透射全息或干涉显微术的这种实施方式的示例。在图4中，第一光纤分路器fs将光纤耦合光源(1)分成参考光纤(4)，并分成第二光纤fb，第二光纤fb耦合到第二光纤分路器(2b)中。第二光纤分路器(2b)将由第一光纤分路器fs传送的光分到第一目标光纤(3a)和第二目标光纤(3b)。第一目标光纤(3a)为透射显微镜提供照明，第二目标光纤(3b)通过显微镜物镜(12)的落射照射为反射显微镜提供照明。

在图4中，参考波(7)是离轴的并且具有两个透镜，如图3中所示，除了镜面反射，其可以在图4中任选地添加。图4中的参考波(7)也可以在没有轴外角度的情况下提供用于线内干涉。在图4中，管透镜(13)聚焦由显微镜物镜(12)收集的图像，并且通过将管透镜(13)调节到图像传感器(9)的距离，可以进行聚焦或聚焦外图像记录。可选地，如果物镜(12)未被无限校正，则可以抑制管透镜(13)。可选地，可以平移由参考光纤端部和准直参考光的第一透镜的e4组成的整体(15)，以对参考自由空间opl进行微调。

通过图4的设置，通过参考波(7)和目标波(6)之间的干涉产生全息图或干涉图，其可以通过两种不同的方式产生：(i)通过用第一目标光纤(3a)照射透明或半透明样品(5)，和/或(ii)通过用第二目标光纤(3b)照射反射或半反射样品(5)进行反射。可以通过例如用快门关闭未使用的通道来实现从透射模式到反射模式的切换，但是也可以结合透射和反射的目标波来记录全息图或干涉图(6)。同样，通过闭合参考波(7)的通道，可以在发射和反射的目标波之间产生干涉。

使用单个光纤分路器实现图4设置的变体，只需在设置的两个不同位置插入相同的目标光纤，以便从发射模式切换到反射模式。基于图5或图6的教导，另一种变型可以利用两个参考波来实现，用于利用单个图像传感器(9)同时进行透射和反射成像，可能通过在参考光纤(4)上级联第三光纤分路器。能够同时反射和透射显微镜的另一种变体可以用两种不同的光源实现，可能具有不同的波长。当然，如图4所示的设置的直立或倒置实现都可以通过180度旋转。

由于仅通过添加许多附加组件可以实现等效于图4的设置的完全自由空间实现，图4再次清楚地说明了使用根据本发明的光纤分路器的优点，这表明通过使用具有良好限定的光纤长度的光纤分路器装置，可以更有效地实现带来创新干涉测量数据的复杂装置。

图5示出了根据本发明的光纤分路器装置的另一种实施方式，其设置使得能够进行具有多于一个波长的干涉测量或全息显微术。在图5中，光纤分路器fs将两个光纤耦合光源(1a)和(1b)分成目标光纤(3)和参考光纤(4)。参考光纤和目标光纤都组合来自第一光源(1a)的光和来自第二光源(1b)的光，并且在优选实施例中，两个光源具有不同的波长。

来自目标光纤(3)的光首先由第一透镜准直，然后由靠近显微镜物镜(12)的后焦平面的第二透镜聚焦，该第二透镜透射光以照射样品(5)。通过用显微镜物镜(12)收集由样品(5)反射的光来产生目标波(6)，并且当目标波(6)组合来自两个光源的光时，管透镜(13)将两个叠加图像(每个源一个)聚焦在图像传感器(9)上，或靠近图像传感器(9)聚焦以进行离焦记录。

在图5中的参考臂中，由参考光纤(4)传递的光被二向色元件(17)分开，该二向色元件(17)反射来自第二光源(1b)的光和来自第一光源(1a)的透射光，并且产生两个单独的参考波：(i)第一参考波(7a)具有第一光源(1a)的波长，(ii)第二参考波(7b)具有第二光源(1b)的波长。

参考7a和7b以不同的轴外角度朝向图像传感器(9)反射，使得由图像传感器(9)获取的单个帧同时记录两个叠加的全息图或干涉图，每个光源一个，这可以重建以提供双波长干涉或全息信息，例如，遵循出版物的教导：“具有单个全息采集的实时双波长数字全息显微术”(“real-timedual-wavelengthdigitalholographicmicroscopywithasinglehologramacquisition”)(j.kühn等人，opticsexpress，vol.15，no.12,2007，第7231页)。

使用图6的设置也可以实现双波长干涉测量或全息测量，其原理与图5相同，除了使用两个单独的光纤分路器(fsa)和(fsb)之外，每个光源(1a)和(1b)一个，提供两个目标光纤(3a)和(3b)，以及两个参考光纤(4a)和(4b)。

在图6的实施例中，在目标臂中使用二向色元件(17)以组合由两个目标光纤3a、3b发射的光。可选地，二向色元件17可以由将两个目标光纤3a、3b组合成单个光纤耦合器的光纤耦合器代替。如图5所示，二向色元件(17b)也用在图6的参考臂中，用于传输第一参考波(7a)和反射第二参考波(7b)。在图6的实施例中，通过整体(15a)和/或整体(15b)的转换，可以针对每个参考波分别实现参考自由空间opl的精细调整。在图5的实施例中，可以通过包括目标光纤(3)的端部e3和第一准直透镜的整体(15)的平移来实现目标自由空间opl的精细调整。

利用所有呈现的实施方式也可以实现双波长干涉测量或全息测量。利用图1的无透镜设置，利用图1的无透镜设置，可以垂直于现有的一个添加第二参考并且通过二向色元件组合，以及在用于大视场的图2的设置中。对于透射显微镜，可以在图3中所示的那个下方添加第二参考，并且再次通过使用二色性元素来组合。对于透射和反射显微镜，可以垂直于图4中所示的参考添加第二参考。在后一种情况下，两个光源可以具有相同的波长，以通过单次采集提供同时的反射和吸收对比度。

通过为两个参考波定义两个交叉偏振，包括2个参考波的实施方式，如图5和6中所示，或者如前面的段落中针对其他实现所描述的那样，也可以用于偏振和双折射测量。在这种情况下，单个光源就足够了，或者可以使用两个相同的光源。

可选地，如图6的设置中所示，至少在光纤分路器(fsa)和/或(fsb)上，其可包括至少一个另外的进入光纤，其连接到至少一个另外的光源(1c)和/或(1d)。在这种情况下，每个光纤分路器接通一个光源可以产生多达四种不同的双波长组合。通过级联附加光纤耦合器或使用多路复用器可以添加更多光源。波长可调光源也可用于拓宽可实现的波长组合的范围。能够将若干光源组合到相同仪器的这种基于光纤的多路复用可能性也可以应用于所有其他呈现的实现，包括具有单个参考波的设置，可以顺序地实现双波长测量。在没有光纤耦合器和分路器的情况下管理这样的多源实现会复杂得多，并再次说明使用根据本发明的光纤分路器装置的益处。

使用干涉仪或全息设备的方法包括并利用根据本发明的光纤分路器装置处理由图像传感器(9)提供的数字全息图或干涉图，以便重建描述样品5的强度和/或定量相位对比图像。例如在专利ep1119798或us7649160中描述的数字全息方法将优选用于重建用离焦目标贡献记录的离轴数字全息图。可以通过使用条纹分析或条纹处理方法(例如傅立叶条纹图案分析)和使用相移技术的线内干涉图案或全息图来处理离轴、对焦干涉图或干涉图案。垂直扫描干涉测量方法也可以应用于处理在垂直平移和/或扫描给定范围的参考自由空间opl时记录的在线或轴外图像堆叠。本段中的方法列表并非详尽无遗，并且不能代表对本发明范围的限制，因为使用根据本发明的光纤分路器装置的设备获得的全息图或干涉图案可以通过提供类似结果的其他等效方法重建，或者如果相关应用不需要则甚至可以根本不重建。

根据本发明的光纤分路器装置fsd也可用于适应全息或干涉测量装置，使得这些装置可用于执行三维(3d)层析成像或光学衍射层析成像。能够进行层析成像的这种修改的一般原理是目标光纤(e3)的端部可以定位在设置中，使样品(5)倾斜照射以提供所谓的角度投影，并且，通过在设置中移动目标光纤端部(e3)，可以产生样品(5)的几个不同的角度投影，以便产生不同的照射角度。

在图7中，呈现了由图3描述的实施方式的改编，其通过使用透射全息或干涉显微镜设置实现三维(3d)层析成像。图7描述的改编示出了图3中的子集合cc的修改布置，由具有端部e3的目标纤维(3)、称为聚光透镜或聚光器(19)的透镜、样品(5)和物镜(12)组成。在图3中，所有这些元件都是静态的并且以相同的垂直轴为中心。在图7中，目标纤维(e3)的端部相对于物镜(12)的中心不是轴向居中的，并且不再是静止的，而是沿着聚光器(19)的后焦平面中的圆(20)旋转，在径向距离(旋转圆半径)处接近(或基本上等于)聚光透镜半径。结果，如图7所示，倾斜地照射样品体积(5)并且显微镜物镜(12)收集所谓的角度投影，之后用作目标波(6)以产生全息图或干涉图，当光纤端(e3)沿圆(20)旋转时，图像传感器(9)可记录对应于不同角度投影(或不同照射角度)的若干全息图或干涉图，并且可以通过组合从这些不同全息图或干涉图重建的信息来获得样品体积(5)的3d层析图像。

当然，如图7中所描述的对层析成像的改编意味着光纤端部位移台，例如电动旋转台，被包括在全息或干涉设置中以旋转光纤端e3。同样，这意味着图像传感器(9)和光纤端部位移台是同步的，以便以限定的角度间隔获取全息图或干涉图。

有趣的是，该层析图像可以是定量的并且提供样品体积(5)中折射率的3d分布。

还可以通过旋转目标光纤3的端部e3(可选地与准直光学元件一起)在限定的平面中反射收集层析图像，使得近聚焦的光点靠近物镜12自身的后焦平面旋转。

图7的聚光透镜(19)也可以被移除，并且通过倾斜目标光纤3的端部e4产生倾斜照明，使得例如在无透镜配置中收集角度投影。

同样，除了旋转之外的运动可以应用于目标光纤(3)的端部e3，聚光透镜(19)的后焦平面(20)可以通过线性平移扫描，或者通过更复杂的轨迹扫描，例如椭圆或螺旋轨迹。

使用根据本发明的光纤分路器装置fsd的优点与相应的显微镜或成像配置相同，但与其他层析扫描实施相比具有重要的补充优势，因为通过使用目标波光纤(3)进行光纤传输能够将点光源直接带到设置的旋转部分并放置在设置的旋转部分上，而在等效的自由空间实施方式中需要彼此仔细对准的几个反射。

此外，在另一实施例中，如添加了虚线和虚线的图7中示意性地示出的，分割目标光纤(3)以提供多个另外的目标光纤3x、3y使得能够通过将至少一个另外的目标光纤的端部e3x、e3y放置在至少一个附加角度和/或至少一个额外的照射角度来增加径向或/和轴向位置，因此增加了至少一个同时可用的角度投影，使得能够减少完整角度所需的旋转。通过将附加目标纤维3x、3y的多个端部e3x、e3y放置在附加的角度和/或径向或/和轴向位置处来实现多个照射角度。有趣的是，由于纤维分路器可以用多达一百多个出射纤维实现，所以所有需要的角度突出都可以在没有旋转的情况下实现，并且系统包括用于定位多个目标纤维3、3x、3y相对的纤维支架或支架。除了分割目标光纤(3)之外，还可以通过复制根据本发明的光纤分路器装置fsd来添加附加的角度投影，并且可选地还复制光源。

有趣的是，在另一个实施例中，所添加的角度投影之一(目标光纤3、3x、3y)以物镜12的光轴为中心并且平行于物镜12的光轴，使得能够在层析成像模式和标准显微镜模式之间进行简单的转换。

最后，重要的是指出本发明描述了一种用于构建干涉仪或全息设备的光纤分路器装置fsd。这里描述的示例性实施方式不旨在限制本发明的范围，而是提供示出示例性实施例并且在特定情况下示出本发明的相关优点。

虽然已经参考某些优选实施例公开了本发明，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对所描述的实施例及其等同物进行多种修改，变更和改变。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，并且根据所附权利要求的语言给出最广泛的合理解释。

参考

kemper，danielcarl，alexandergertvonbally，ilonabredebusch，jürgenschnekenburger，用于活细胞的无标记定量相衬成像的模块化数字全息显微镜系统(modulardigitalholographicmicroscopysystemformarkerfreequantitativephasecontrastimagingoflivingcells)，proc.ofspievol.6191，61910t，(2006)。

quweijuan，cheeoichoo，yuyingjie和anandasundi，通过数字全息显微镜和物理球相补偿的微透镜表征(microlenscharacterizationbydigitalholographicmicroscopywithphysicalsphericalphasecompensation)，appliedoptics，vol.49，no.33，p.6448(2010)。

jonaskühn，tristancolomb，frédéricmontfort，floriancharrière，yvesemery，etiennecuche，pierremarquet和christiandepeursinge，具有单一全息图采集的实时双波长数字全息显微镜(real-timedual-wavelengthdigitalholographicmicroscopywithasinglehologramacquisition)，opticsexpress，vol.15，no.12，p.7231(2007)。