一种离轴光路三维显微形貌测量系统的制作方法

本发明属于光电技术领域，具体为一种离轴光路三维显微形貌测量系统。

背景技术

1948年，英籍匈牙利科学家d.gabor提出了一种利用物体衍射的电子波记录物体振幅和相位的方法，提高电子显微镜的分辨率，这种方法被gabor命名为全息术。直到上世纪80年代末和90年代初电荷耦合器件(ccd)的快速发展，全息术不再依赖化学记录材料，而可以通过数字记录。

显微表面形貌测量方法，大致上可以分为接触式和非接触式两大类。典型的接触式测量就是原子力显微镜(afm)，其接触式测量依托其机械探针接触物体表面来获得形貌信息，很容易对样品造成不可挽回的损失。非接触式像电子显微镜使用逐点成像的方法获得放大像，得到了物体形态，但是必须在真空下观察。数字全息显微术是一种基于光波衍射和干涉原理的成像与测量技术，它可以同时获取物光波的振幅和相位信息，得出被测物的三维形貌，同时具有非接触、实时、大景深、高分辨率和相衬成像的优点。离轴数字全息显微，通过对参考光光轴和物光光轴夹角的控制，使得两光轴最终以一定角度到达ccd。在满足采样定理和频谱分离的要求下，解决直透光与共轭像难以消除的问题。

预放大成像光路物镜的引入，往往引入附加相位因子。通常是在光路中加入扩束镜和准直镜等一系列光学元件去调节光波曲率，这种情况下光路往往十分复杂，空间结构过大。整个系统抗噪能力下降，过多的光学元件带来其他像差问题，影响了测量精度。并且多采用大型激光器，图像采集局限在实验室内。或者双曝光的方法，拍摄参考全息图。但是这种有要求待测物体有无样本信息区域，并且两次曝光期间系统的稳定性无法保证。这些在很大程度上限制了数字全息显微的应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种离轴光路三维显微形貌测量系统。通过在参考光光路上增加参考物镜，改变参考平面镜的位置，即可实现光波的曲率调节，进而抵消物光物镜带来的附加相位因子。结构紧凑，不需要引入过多的光学元件，减少不必要的像差，系统抗噪能力提高。图像采集仅需一次曝光即可，避免两次曝光间隔内的外界因素干扰。实验激光光源采用半导体激光器，结构简单，便于携带，成本较低。

本发明提供一种离轴光路三维显微形貌测量系统，包括：底座、安装在底座上的xyz微位移平台以及依次设置在xyz微位移平台上方的成像物镜、干涉装置和图像采集装置；所述干涉装置包括外壳和设置在外壳内的激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、微调反光镜和参考物镜；

所述激光光源发出的激光光束经第一反光镜反射后射入分光棱镜，分光棱镜输出两束光，第一束反射光经成像物镜射出照射到xyz微位移平台上的样品上，样品的反射光再经过成像物镜、分光棱镜到达图像采集装置形成物光；分光棱镜输出的第二束透射光经第二反光镜、参考物镜射入微调反光镜，微调反光镜输出的反射光经参考物镜、第二反光镜和分光棱镜再反射到图像采集装置形成参考光，物光和参考光之间形成1.52°～7.57°的离轴角进而形成离轴干涉，利用图像采集装置记录下得到的干涉全息图。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，所述微调反光镜安装在竖直微位移平台上，调整微调反光镜的角度可实现离轴角的调节，调整竖直微位移平台的位置可实现参考光的光程调节，调节xyz微位移平台可使物光光路成像清晰，进而使物光和参考光发生离轴干涉形成全息图。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，所述激光光源、分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、竖直微位移平台和参考物镜安装在外壳内设的多孔板上。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，所述激光光源发出的激光光束以与法线呈45°夹角射入第一反光镜，第一反光镜输出的反射光以与法线呈45°夹角射入分光棱镜，分光棱镜输出的第二束透射光以与法线呈45°夹角射入第二反光镜。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，所述分光棱镜包括立方镜笼和设置于立方镜笼内的两个直角棱镜，两个直角棱镜的斜面胶合形成一体，直角棱镜的斜面与激光光源的光轴成45°角，以使分光棱镜输出的第一束反射光和第二束透射光的光强比例为1:1。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，所述立方镜笼设有多个连接杆，成像物镜的镜架与连接杆固定连接。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，成像物镜和参考物镜都采用10倍、工作距离为10.5mm的无限远nikon物镜，同时设有成像物镜和参考物镜抵消了单物镜光路带来的相位附加因子。

在本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统中，还包括与所述图像采集装置通过数据线相连接的上位机，所述上位机基于matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。

本发明提供的离轴光路三维显微形貌测量系统，解决了当前预放大数字全息显微技术因曲率不同而引入的附加相位因子问题。相比于加入准直镜、扩束镜及其他辅助光学元件的做法，光学元件少，避免了其它元件引入的其他像差问题；光路紧凑，整个系统抗噪能力有所提升。图像采集仅需单次曝光，方便高效。

附图说明

图1是本发明的一种离轴光路三维显微形貌测量系统的结构示意图；

图2是本发明的干涉装置的内部结构示意图；

图3是本发明的离轴光路的原理图；

图4是实验样品为无参考光作用下的二维形貌图；

图5是通过本发明的一种离轴光路三维显微形貌测量系统测量获得的全息图；

图6为通过上位机对全息图处理还原获得的三维显微形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统进行说明。

如图1所示，本发明的一种离轴光路三维显微形貌测量系统，包括：底座5、安装在底座5上的xyz微位移平台4以及依次设置在xyz微位移平台4上方的成像物镜3、干涉装置2和图像采集装置1。

如图2所示，所述干涉装置2包括外壳24和设置在外壳24内的激光光源21、分光棱镜22、第一反光镜23、第二反光镜28、竖直微位移平台25、微调反光镜26和参考物镜27。所述激光光源21、分光棱镜22、第一反光镜23、第二反光镜28、竖直微位移平台25和参考物镜27安装在外壳24内设的多孔板29上。微调反光镜26安装在竖直微位移平台25上。所述分光棱镜22包括立方镜笼和设置于立方镜笼内的两个直角棱镜，两个直角棱镜的斜面胶合形成一体，直角棱镜的斜面与激光光源21的光轴成45°角，以使分光棱镜22输出的反射光和透射光的光强比例为1:1。立方镜笼设有多个连接杆，成像物镜3的镜架与连接杆固定连接。

如图3所示，激光光源21发出的激光光束经第一反光镜23反射后射入分光棱镜22，分光棱镜22输出两束光，第一束反射光经成像物镜3射出照射到xyz微位移平台4上的样品上，样品的反射光再经过成像物镜3、分光棱镜22到达图像采集装置1形成物光；分光棱镜22输出的第二束透射光经第二反光镜28、参考物镜27射入微调反光镜26，微调反光镜26输出的反射光经参考物镜27、第二反光镜28和分光棱镜22再反射到图像采集装置1形成参考光，物光和参考光之间形成1.52°～7.57°的离轴角进而形成离轴干涉，利用图像采集装置1记录下得到的干涉全息图。

具体实施时，所述激光光源21发出的激光光束以与法线呈45°夹角射入第一反光镜23，第一反光镜23输出的反射光以与法线呈45°夹角射入分光棱镜22，分光棱镜22输出的第二束透射光以与法线呈45°夹角射入第二反光镜28。通过调整微调反光镜26的角度可实现离轴角的调节，上下调整竖直微位移平台25的位置可实现参考光的光程调节，调节xyz微位移平台4可使物光光路成像清晰，进而使物光和参考光发生离轴干涉形成全息图。

具体实施时，所述图像采集装置1通过数据线相连接的上位机，所述上位机基于matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。

如图2本实验采用的激光是波长633nm的半导体激光，具有很好的相干性。采用分光棱镜将一束单色光束分成两束后，让两束光在一定区域内重叠，形成新的波形，其干涉条纹相位信息与样品表面高度信息存在对应关系。振幅和相位调制的信息形成的干涉图也称为全息图。

具体实施时，图像采集装置1可采用多种型号，本实施例选择的是olympuse-m5mark相机，有效像素4000万；本实施例成像物镜3和参考物镜27都采用10倍、工作距离为10.5mm的无限远nikon物镜，可以达到微米级横向分辨率，同时设有成像物镜3和参考物镜27抵消了单物镜光路带来的相位附加因子。激光光源21可采用he-ne激光器或者半导体激光，本实施例选择的是普通半导体激光，激光光束大小可微调，正常调节至直径10mm的光斑；本实施例分光棱镜22为棱长25.4cm，普通能量分光棱镜。

采用本发明的离轴光路三维显微形貌测量系统采集全息图的步骤如下：

1)连接图像采集装置1，将成像物镜3的镜架连接到分光棱镜22的立方镜笼上的连接杆上，通过镜架上有m3紧定螺钉对成像物镜3的位置进行固定。第一反光镜23和第二反光镜28安装到多孔板上，使之与水平面成45°角。微调反光镜26安装在竖直微位移平台25上，再将竖直微位移平台25安装到多孔板上，方便实现参考光路的光程调节和离轴角调节。分光棱镜22、激光光源21、竖直微位移平台25、物镜镜头27均固定在外壳2的多孔板上。

2)打开激光光源21和图像采集装置1，经第一反光镜23反射，通过分光棱镜22反射到xyz微位移平台4上样品的光斑初步确定观测区域。调节xyz微位移平台4，使得物光图像处于较为清晰的位置。此时通过对微调反光镜26俯仰角度和左右角度的调整，使其产生的参考光既不垂直达到图像采集装置1，又与物光有重叠部分；通过前后方向的移动，确保两束光光程差合适，此时便保证离轴且发生干涉。

3)图像采集装置1和上位机通过数据线连接通讯，设置图像采集装置1的参数使其达到最佳拍摄效果，也可通过上位机对拍摄参数进行设置部分；通过上位机捕捉图像采集装置1得到的实验全息图。

上位机对全息图处理，进行三维结构重建主要包括以下几个步骤：

s1：选用离轴光路三维显微形貌测量装置得到待测样品的全息图；

s2：对步骤s1所述全息图进行fft计算，实现空域转换至频域，并进行频域滤波，选取频域信息中对应+1级项对应频谱；

s3：对所述步骤s2得到对应的实像部分频谱做衍射计算；

s4：所述步骤s3衍射计算结果为物光复振幅，利用物光复振幅得到包裹相位值；

s5：对步骤s4所述的包裹相位值做相位解包裹计算，还原原始相位；

s6：利用步骤s5得到的真实相位，完成样品三维形貌的重建工作。

图4至图5为本发明的一个实施例，实验样品是一个50线/mm的反射光栅，其中图4为无参考光作用下的二维形貌图，图5为该样品通过本发明得到的全息图。图6为通过上位机处理后获得的数字微纳三维形貌图。通过本发明得到的数字微纳三维形貌，方便对这些物体结构进行形貌数据的提取和进一步的处理，且实现简单高效、无损观测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。