[发明专利]一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维显微观测系统，更特别地说，是指一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测系统。

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散射光场，从而获得散射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散射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。

但是在数字全息再现像的三维重构中，数字全息再现像的各种噪声有非常大的影响。噪声的存在会使得用算法判断像的聚焦出现错误，从而使获得的三维重构像失真。减小甚至消除各种噪声的影响是三维重构的关键所在，噪声消除的程度直接影响到三维重构像的质量。散斑噪声是影响数字全息再现像质量的重要因素，也是一种比较难处理的噪声。它是由于相干光照射到粗糙物体的表面发射散射，在散射体的表面或附近的光场中形成并可观测的一种无规则的亮暗斑纹。被散斑覆盖的再现像细节很难分清楚，使得再现像模糊不清。减小激光散斑对提高数字全息再现像的质量有重要意义，对于实现再现像的三维重构也非常关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，该装置一方面采用线偏振光作为参考光，圆偏振光作为照射待观测物体的照明光；另一方面利用改变线偏振参考光的偏振方向和包含有物体形貌信息的圆偏振散射光干涉，可以在不改变照射光角度以及物体和相机相对位置的情况下获得多幅包含物体不同信息的全息图；第三方面本观测装置能以非接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。

本发明的一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置，该装置包括有光源、分光单元、空间滤波器、平凸透镜、反射镜、消偏振分光棱镜和CMOS相机。

光源用于为本发明三维显微观测系统提供光信息。

分光单元一方面用于接收从光源出射的激光，分光单元另一方面将接收到的激光分为线偏振光和圆偏振光，并分别输入两个空间滤波器。偏振分光棱镜置于A半波片和B半波片之间，1/4波片置于偏振分光棱镜的反射光位置。其中，所述的A半波片用于将光源发射的激光进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续可调，而B半波片用于调整偏振分光棱镜的透射光的偏振方向；采用1/4波片可以将偏振分光棱镜的反射光转化为圆偏振光；通过旋转B半波片使得线偏透射光的偏振态改变，实现不同偏振方向的线偏光与圆偏光相干叠加，得到多帧包含不同偏振信息的数字全息图。同时通过调节连续可调衰减器可以调节线偏振光和圆偏振光的光强比，进而通过控制参考光和散射光的光强比，提高参物光干涉图像的信噪比。激光经A半波片和偏振分光棱镜后，通过光纤耦合器形成圆偏振光输出至光照明单元。

本发明的一种基于多偏振态合成的数字全息三维显微观测装置的优点在于：(1)分光单元可以同时输出线偏振光和圆偏振光，并精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比。

(2)本发明通过改变线偏振参考光的偏振方向，和包含有物体形貌信息的圆偏振散射光发生干涉，可以在不改变照明光照射物体的角度或者物体和相机之间的相对位置的前提下，记录多帧包含物体信息并且散斑噪声相互独立的数字全息图，进而通过合成上述数字全息图的再现像，得到高分辨率、低噪声的物体像。

(3)采用线偏振参考光4a和具有物体形貌信息的圆偏振散射光14a在消偏振分光棱镜上进行合光，利用数字全息记录与再现方法获取待观测物体的三维信息。

(4)本发明观测装置结构紧凑，操作方便，尤其适用于对照射角度有特殊要求的物体的显微观测。

附图说明

图1是本发明的基于多偏振态合成的三维显微观测装置的结构框图。

图1A是本发明分光单元的结构图。

图中：           1.光源        1a.激光           1b.透射光    1c.反射光

2.分光单元       201.A半波片   202.偏振分光棱镜               203.B半波片