[发明专利]离轴干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种离轴干涉仪及其在设备中的使用，以及一种用于离轴数字全息显微镜的方法。

背景技术

在现有技术的干涉仪中，入射光束通常分割为目标光束和参考光束，然后重新合并到记录平面上，在该记录平面上，目标光束和参考光束干涉产生干涉条纹。这样的装置的目的是测量光的复幅度(即，相位和幅度信息)。

通常，在这样的测量中使用的光具有高相干性，比如激光器产生的光。这有若干缺点，比如相干噪声(散斑场)的出现以及与高相干光源相关联的高成本。

在很多情形中，在目标光束和参考光束之间引入小的角度以便获得低频空间外差条纹，比如US7002691中所公开的。由于干涉仪轴和干涉光束之一之间的非零角度，因此这类配置通常被称为离轴配置。

在这样的离轴配置中，必须使用高相干入射光来观察干涉：如果参考光束和目标光束之间的路径长度差大于入射光束的相干长度，则无法观察到任何干涉，从而丢失相位信息。

这意味着，对于时间部分相干光，由小角度在记录平面上的不同位置处引入的路径长度的差可能足以破坏相干性，因此将只能在保持相干性的部分记录平面中观察到干涉。

一般而言，相位和幅度(或复幅度)信息的记录是全息技术、更具体地是数字全息显微镜(DHM)的基础。在DHM中，使用电荷耦合器件(CCD)摄像机来记录全息图，并且由计算机执行对所观察的样本的三维模型的重构。通过使用干涉仪来获得全息图。该过程提供了用于对厚样本的深度图像逐片地重聚焦的高效工具。对于作为生物样本的观察的多种应用，DHM允许获得定量相衬成像。深度重建能力使得DHM成为用于实现三维(3D)速度仪的有力工具。由于数字全息术提供复幅度，因此实现了有力的处理方法，比如自动重聚焦、像差补偿、3D图样识别、分离和边界处理。

采用分离的目标光束和参考光束的数字全息术的原理，包括从所记录的目标光束和参考光束之间的干涉图样中提取目标光束的复幅度信息。然后，复幅度信息可以被处理用于计算数字重聚焦以及用于执行定量相衬成像。存在两种主要配置类型：在线配置和离轴配置。

通常通过使用干涉仪比如马克-增德(Mach-Zehhder)干涉仪和迈克尔逊(Michelon)干涉仪获得复幅度。

在在线配置中，如L.Yamaguchi等人在“phase-shifting digital holography”，Opt.Lett.22，1268-1270(1997)中所公开的，入射在摄像机传感器上的参考光束和目标光束之间的角度尽可能小。复幅度的计算需要相位步进方法，其中，随着在目标光束和参考光束之间引入小的光路变化来记录若干个干涉测量图像。通过将若干个干涉测量图像实现为公式来计算光相位信息。

在线配置的主要缺点是需要顺序记录若干个干涉测量图像，由于摄像机帧速率这限制了获取速度。实际上，在花费若干帧记录的时间的完成获取期间目标必须保持静止。

在离轴配置中，比如US 6,525,821和Takeda等在“Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry，”J.Opt.Soc.Am.72，156-160(1982)中所公开的，在目标光束和参考光束之间存在非零平均角度，这使得能够仅根据一个记录的干涉测量图像来计算复幅度。对于在线配置，这是一个用于快速变化的现象的分析的决定性优点。但是，在那些配置中使用马克-增德干涉仪或迈克尔逊干涉仪要求高时间相干性的光源。否则，由于在目标光束和参考光束之间的视场上的可变光延迟，导致条纹调制不是恒定的。

如Dubois等在“Improved three-dimensional imaging with digital holography microscope using a partial spatial coherent source”Appl.Opt.38，7085-7094(1999)所公开的，部分相干光源的使用通过减小相干假象(artefact)噪声改善了全息记录的质量，最有效的噪声减小是通过使用空间部分相干光源获得的。这种类型的光源是通过降低激光光束的相干性质获得的，或者是通过由光过滤系统来提高比如发光二极管的非相干源的空间相干性获得的。