[发明专利]一种光滑反射表面的合成孔径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，是指一种针对光滑反射表面的合成孔径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电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)或金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)等光电成像探测器件来代替传统的成像胶片、干板等材料作为记录介质，数字化的记录全息图，再利用计算机模拟再现参考光对全息图进行照射，通过模拟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，且无需对样品进行预处理，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。

然而，由于生产技术的制约，数字全息再现物光场的分辨率受光电图像传感器(CCD、CMOS)性能指标的制约，主要表现在两个方面：(1)光电图像传感器的像素尺寸较大(约3.5～10微米)，无法记录较高的空间频率，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1cm×1cm)，在同样的参物光夹角下，无法记录更高的空间频率。由于上述因素，特别是在长距离原位检测中，数字全息的分辨率受到了严重的制约。针对图像传感器光敏面积较小的特点，为了在保持一定工作距离的基础上获取较高分辨率的图像，数字全息中普遍利用合成孔径的方法来扩展光电成像探测器的等效分辨率和等效孔径。合成孔径的主要原理是分别采用不同方向的照明光照射观测目标的表面来获取全息图，再分别对多个全息图分别进行再现，进而将多幅再现图叠加，从而融合更多不同空间频率分量的物光信息，提高数字全息显微观测的分辨率。

现有的多照明合成孔径方法主要针对的是漫反射物体，其反射光分布范围较广，即使在多照明条件下图像传感器仍可以在同一位置进行全息图的获取。然而，若观测目标为光滑表面物体，则其反射光具有较强的指向性，在多方向光的照明下，图像传感器无法有效获取观测目标的被测面全息图。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于合成孔径数字全息的光滑表面三维显微观测装置，该装置一方面采用同轴旋转观测目标的方法实现对其的多角度照明；另一方面，为了消除物光偏移，在参考光路中设置了光束调整器；第三方面以非接触、原位探测的方式获取观测目标的光滑表面的三维信息。

本发明的一种光滑反射表面的合成孔径数字全息三维显微观测装置，包括有光源、CMOS相机、分光单元、第一空间滤波器、第一平凸透镜、第三平面反射镜、光束调整器、旋转载物台、第二空间滤波器、第二平凸透镜、消偏振分光棱镜；其中，第一空间滤波器与第二空间滤波器的结构相同；第一平凸透镜与第二平凸透镜的结构相同；所述合成孔径数字全息三维显微观测装置的光路连接为：光源出射的激光通过分光单元分别输出照明光和参考光；

照明光顺次经过第一空间滤波器、第一平凸透镜和第三平面反射镜后，输出平行照明光入射至消偏振分光棱镜上；

参考光顺次经过第二空间滤波器、第二平凸透镜和光束调整器后，输出调节后参考平行光入射至消偏振分光棱镜上；

平行照明光入射至消偏振分光棱镜的透射部分对放置于旋转载物台上的观测目标进行照明，被测表面反射的物光入射至消偏振分光棱镜上；

物光入射至消偏振分光棱镜的反射部分与调节后参考平行光入射至消偏振分光棱镜的透射部分汇合为合成光束，该光束形成全息干涉图，并由CMOS相机的光敏面进行接收记录。

本发明的数字全息三维显微观测装置具有如下优点：

①分光单元2可以精确控制照明光束21和参考光束22的偏振态方向和光强比。

②运用独立的光束调整器6，而非分光棱镜，来实现物光7a与调节后参考平行光6a的夹角调节，避免了在调节过程中物光的偏移，使得灵活快速的光路调节成为可能。

③采用旋转观测目标的方法，可以灵活快速地实现在不同入射角度的平行反射光10a照射观测目标的光滑表面的条件下，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采用两路光(调节后参考平行光6a和物光7a)在消偏振分光棱镜10上进行合光处理输出合并光10b，可以通过数字全息记录方式获取待观测物体的三维信息。