专利名称：一种基于数字全息的长工作距离原位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，是指一种基于数字全息的长工 作距离原位三维显微观测系统。
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 Semiconductor,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物光场，从而获得物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；(2)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物光场并可以对物体三维信息进行定量分析；(3)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，目前数字全息技术在实际应用中仍存在一些技术问题，主要是再现物光的 分辨率受光电图像传感器(CCD、 CMOS)性能指标的制约，具体表现为(1)目 前光电图像传感器的像素尺寸较大(约3.5 10微米)，因此仅能够记录与参考光夹 角较小(约小于1° )的物光；(2)光电图像传感器光敏面的面积较小(约 lcmXlcm)，使得物光场的高频成分无法记录。因此，由于上述因素，特别是在长 工作距离条件下，造成严重的分辨率受限问题，进而使得数字全息技术在实际应用中 受到一定限制。为了解决这一问题，普遍利用显微物镜对待观测物体进行预放大，然 后将所得到的物体放大实像进行数字全息记录与再现，从而能够获得高分辨率物光 场，但是此方法的工作距离受显微物镜焦距的限制，同时再现物光场受显微物镜引起 的像差、畸变影响。发明 内 容
本发明的目的是提出一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，该
装置一方面未采用显微物镜对待观测物体进行预放大，使得长工作距离得以实现；另 一方面采用了合成孔径成像方法，保证了待观测物体再现像的分辨率；第三方面以非 接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。
本发明的一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，该装置包括有 光源1、分光单元2、 A光束准直器3、 A反射镜4、 B反射镜11、 B光束准直器 12、光照明单元13、消偏振分光棱镜5和CMOS相机6;本发明装置的光路为 光源1出射的激光la入射至分光单元2中，经分光单元2进行分光处理后输出A 激光21、 B激光22; A激光21顺次经A光束准直器3、 A反射镜4后输出第一平 行光4a入射至消偏振分光棱镜5; B激光22顺次经B反射镜11、 B光束准直器 12、光照明单元13后照射到待观测物体14上，由待观测物体14反射的包含物体 形貌信息的物光14a入射至消偏振分光棱镜5;消偏振分光棱镜5对入射的第一平 行光4a、物光14a进行合光处理得到合并光束5a，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。
本发明的一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其具有如下优 点(1) CMOS相机与消偏振分光棱镜之间的工作距离达到50cm 100c附，该工
作距离比利用显微物镜的焦距(lmm lc^)的距离要长得多，因此，在本发明中 称为长工作距离，本发明的观测装置在长工作距离条件下以原位探测方式获取高分辨 率的待观测物体三维信息。(2)采用两路光(第一平行光4a和物光14a)在消偏振 分光棱镜上进行合光，可以通过数字全息记录方式获取待观测物体的三维信息。(3) 运用基座、磁力座、二维调整架、反射镜组合形成光照明单元，可以实现在不同入射 角度的照明光照射待观测物体的条件下，记录多幅数字全息图，从而为实现高分辨率 的三维合成孔径成像提供多幅存在互补信息的再现物光场。(4)本发明观测装置结 构紧凑，操作方便。
图1是本发明的长工作距离原位三维显微观测装置的结构框图。
图2是本发明分光单元的结构图。图3是本发明光照明单元的结构图。
图3A是本发明光照明单元的光路传输的结构图。
图中l.光源la.激光2.分光单元 21.A激光
22.B激光201.C反射镜202.A波片203.偏振分光棱镜
204.B波片3.A光束准直器4.A反射镜4a-第一平行光5.消偏振分光棱镜
5a，合并光束6. CMOS相机ll.B反射镜12.B光束准直器
12^第二平行光13.光照明单元13a,D反射镜13b.E反射镜 13c.F反射镜
13八.第一反射光13B.第二反射光13C.第三反射光131.基座 132.导轨
133.滑块134.A磁力座135.B磁力座136.支撑柱 137.A二维调整架
138.B二维调整架139.C二维调整架
14.待观测物体14a.物光
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。
本发明是一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，该装置包括有
光源1、分光单元2、 A光束准直器3、 A反射镜4、 B反射镜11、 B光束准直器 12、光照明单元13、消偏振分光棱镜5和CMOS相机6;本发明装置的光路为 光源1出射的激光la入射至分光单元2中，经分光单元2进行分光处理后输出A 激光21、 B激光22; A激光21顺次经A光束准直器3、 A反射镜4后输出第一平 行光4a (用于数字全息记录的参考光)入射至消偏振分光棱镜5; B激光22顺次经 B反射镜11、 B光束准直器12、光照明单元13后照射到待观测物体14上，由待 观测物体14反射的包含物体形貌信息的物光14a入射至消偏振分光棱镜5;消偏振 分光棱镜5对入射的第一平行光4a、物光14a进行合光处理得到合并光束5a,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。
在本发明中，由分光单元2分出的A激光21经A光束准直器3、 A反射镜4 后入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为参考光路。由分光单元2分出的B 激光22经B反射镜11、 B光束准直器12、光照明单元13、待观测物体14后入 射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为物光光路。通过调整所述物光光路中的光 束方向可以改变照明光照射物体时的入射角，从而记录多幅数字全息图，进而基于所述的多幅数字全息图运用数字方法重构、放大物光场，然后将所得的物光场分布进行 平均相加，从而合成高分辨率、低噪声的物体三维立体像。另外本发明采用光照明单 元13对待观测物体14采用非接触方式的工作模式，使得对物体的原位获取信息、
无透镜像差影响。
在本发明中，光源1，该光源1用于为本发明长工作距离原位三维显微观测系统 提供光信息，该光源1提供了的中心波长为532，的激光。
在本发明中，A光束准直器3和B光束准直器12结构相同，可以是北京大恒光 电公司生产的GCO-2503型号光束准直器。
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。 选取北京大恒光电公司生产的GCC-403012型号消偏振分光棱镜。
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-WOIR、分辨率为1280X1024像素、帧频为15fps、光敏面尺寸为2/3 英寸、信号接口为USB2.0。
参见图2所示，分光单元2，一方面用于接收从光源1出^f的中心波长为532"附 的激光la，另一方面将接收到的激光la分为传播方向垂直、偏振方向相同的A激 光21和B激光22。该分光单元2由C反射镜201、 A半波片202、偏振分光棱镜 203和B半波片204构成，A半波片202置于C反射镜201与偏振分光棱镜203 之间，B半波片204置于A光束准直器3之间。C反射镜201与光源1的垂直距 离为5cm 10cm。其中，所述的A半波片202用于将经C反射镜201反射的激 光进行偏振方向的调整，而B半波片204用于将经偏振分光棱镜203透射后的激光 进行偏振方向的调整，采用两个半波片(A半波片202、 B半波片204)对入射后 的激光进行偏振方向的调整，保证了A激光21、 B激光22的偏振方向相同，且A 激光21与B激光22的光强比为1:5。在本发明中，偏振分光棱镜203具有将一束 入射光分为两束传播方向垂直、偏振方向正交的光。可以选取公司生产的 GCC-401102型号的偏振分光棱镜。
参见图3所示，光照明单元13包括有三个反射镜、三个二维调整架、两个磁力 座、 一个基座131、导轨132和滑块133。
三个反射镜是指D反射镜13a、 E反射镜13b和F反射镜13c。三个二维调整架是指A 二维调整架137、 B 二维调整架138和C 二维调整架 139。在本发明中，二维调整架用于安装反射镜，二维调整架为外购件，可以是北京 大恒光电公司生产的GCM-082305M型号二维调整架。
两个磁力座是指A磁力座134、 B磁力座135。 B磁力座135上放置待观测物 体14。 A磁力座134上安装有A二维调整架137, A 二维调整架137上安装有D 反射镜13a。
基座131上安装有A磁力座134、 B磁力座135和导轨132，导轨132位于 纵向中心线上，导轨132上设有滑块133，滑块133上安装有支撑柱136，支撑柱 136上安装有B 二维调整架138和C 二维调整架139， B 二维调整架138上安装 有E反射镜13b， C二维调整架139上安装有F反射镜13c;导轨132的两侧是A 磁力座134、 B磁力座135;在本发明中，基座131上设有多个安装孔，安装孔的 设计有利于方便安装与折卸A磁力座134、 B磁力座135、导轨132在基座131 上的安装位置，从而方便地调节三个反射镜对光的反射角度。
参见图3A所示，第二平行光12a入射到D反射镜13a上，第二平行光12a 经D反射镜13a后形成的第一反射光13A入射到E反射镜13b上；
第一反射光13A经E反射镜13b后形成的第二反射光13B入射到F反射镜13c
上；
第二反射光13B经F反射镜13b后形成的第三反射光13C入身t到待观测物体 14上。
参见图3A所示，在本发明中，第二平行光12a进入光照明单元13后，首先转 化为平面波并通过二维调整架调节光束的方向，使得以不同入射角形成的光均能够照 射到待观测物体14。当光照射到待观测物体14的表面，将有部分反射光作为物光 14a入射至消偏振分光棱镜5上，第一平行光4a和物光14a通过消偏振分光棱镜5 合成合并光束5a，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。
在本发明中，长工作距离是指待观测物体至CMOS相机之间的垂直距离，该距 离为50 c附~ 100 cm 。在本领域中， 一般显微观察距离为1 mm 1 cm ,故称本发明 中待观测物体至CMOS相机的距离为长工作距离。在本发明中，A反射镜4、 B反射镜ll、 C反射镜201、 D反射镜13a、 E反 射镜13b和F反射镜13c为结构相同的反射镜，可以选取北京大恒光电公司生产的 GCC-102102型号反射镜。
本发明的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，该观测装置的工作 过程为:激光器光源1发出的激光光束la经分光单元2分为A激光21 、B激光22; A激光21顺次经A光束准直器3、 A反射镜4后出射的第一平行光4a入射至消偏 振分光棱镜5; B激光22顺次经B反射镜11、 B光束准直器12、光照明单元13、 待观测物体14后出射的物光14a入射至消偏振分光棱镜5;第一平行光4a和物光 14a通过消偏振分光棱镜5合成合并光束5a，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。对于CMOS相机6能够获取的多幅存在互补物光三 维信息的合息图像，可以进行基于合成孔径成像方法的高分辨率三维重构。
权利要求
1、一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特征在于该装置包括有光源(1)、分光单元(2)、A光束准直器(3)、A反射镜(4)、B反射镜(11)、B光束准直器(12)、光照明单元(13)、消偏振分光棱镜(5)和CMOS相机(6)；光源(1)出射的激光(1a)入射至分光单元(2)中，经分光单元(2)进行分光处理后输出A激光(21)、B激光(22)；A激光(21)顺次经A光束准直器(3)、A反射镜(4)后输出第一平行光(4a)入射至消偏振分光棱镜(5)；B激光(22)顺次经B反射镜(11)、B光束准直器(12)、光照明单元(13)后照射到待观测物体(14)上，由待观测物体(14)反射的包含物体形貌信息的物光(14a)入射至消偏振分光棱镜(5)；消偏振分光棱镜(5)对入射的第一平行光(4a)、物光(14a)进行合光处理得到合并光束(5a)，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。
2、 根据权利要求1所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特 征在于分光单元(2) —方面用于接收从光源(1)出射的中心波长为532"m的 激光(la)，另一方面将接收到的激光(la)分为传播方向垂直、偏振方向相同 的A激光(21)和B激光(22);该分光单元(2)由C反射镜(201)、 A半波 片(202)、偏振分光棱镜(203)和B半波片(204)构成，A半波片(202) 置于C反射镜(201)与偏振分光棱镜(203)之间，B半波片(204)置于A 光束准直器(3)之间；C反射镜(201)与光源(1)的垂直距离为5cm ~ 10cm 。
3、 根据权利要求2所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特 征在于A激光(21)与B激光(22)的光强比为1:5。
4、 -根据权利要求1所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特征在于光照明单元(13)包括有D反射镜(13a)、 E反射镜(13b)、 F反射 镜(13c)、 A二维调整架(137)、 B二维调整架(138)、 C 二维调整架(139)、 A磁力座(134)、 B磁力座(135)、基座(131)、导轨(132)和滑块(133)， 基座(131)上安装有A磁力座(134)、 B磁力座(135)和导轨(132)，导轨 (132)位于纵向中心线上，导轨(132)上设有滑块(133)，滑块(133)上 安装有支撑柱(136)，支撑柱(136)上安装有B二维调整架(138)和C 二维 调整架(139)， B二维调整架(138)上安装有E反射镜(13b)， C 二维调整 架(139)上安装有F反射镜(13c);导轨(132)的两侧是A磁力座(134)、B磁力座(135); B磁力座(135)上放置待观测物体(14); A磁力座(134) 上安装有A 二维调整架(137) ， A 二维调整架(137)上安装有D反射镜(13a)。
5、 根据权利要求4所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特 征在于光照明单元(13)中的光路为，第二平行光(12a)入射到D反射镜(13a) 上，第二平行光(12a)经D反射镜(13a)后形成的第一反射光(13A)入射 到E反射镜(13b)上；第一反射光(13A)经E反射镜(13b)后形成的第二 反射光(13B)入射到F反射镜(13c)上；第二反射光(13B)经F反射镜(13b) 后形成的第三反射光(13C)入射到待观测物体(14)上。
6、 根据权利要求1所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特 征在于长工作距离是指待观测物体(14)至CMOS相机(6)之间的垂直距离， 该距离为50 lOOcw 。
7、 根据权利要求1所述的基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，其特 征在于光源(1)输出的激光的中心波长为532"m。
全文摘要
本发明公开了一种基于数字全息的长工作距离原位三维显微观测装置，该装置包括有光源、分光单元、A光束准直器、A反射镜、B反射镜、B光束准直器、光照明单元、消偏振分光棱镜和CMOS相机；本发明装置的光路为光源出射的激光入射至分光单元中，经分光单元进行分光处理后输出A激光、B激光；A激光顺次经A光束准直器、A反射镜后输出第一平行光入射至消偏振分光棱镜；B激光顺次经B反射镜、B光束准直器、光照明单元后照射到待观测物体上，由待观测物体反射的包含物体形貌信息的物光入射至消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜对入射的第一平行光、物光进行合光处理得到合并光束，该合并光束形成的干涉全息图被CMOS相机的光敏面捕获。
文档编号G01B11/24GK101514892SQ20091008163
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者伊小素, 路 戎, 瑞 李, 锋 潘, 文 肖, 博 魏 申请人:北京航空航天大学