一种基于LED的部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统

一种基于led的部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统
技术领域
1.本发明属于光学显微测量技术领域，尤其涉及一种基于led的部分相干光反射式离轴数字全息微纳测量系统，用于对反射式样品进行无接触、高精度显微测量。


背景技术：

2.数字全息技术(dhm)利用光的干涉和衍射原理记录包含物体的振幅和相位信息的全息图。同时，相位的改变可被解调为所测样品的三维形貌。离轴数字全息显微技术结合了光学干涉技术和光学显微成像技术，通过一次曝光即可在诸如ccd或者cmos的光电记录器件上对单幅光学全息图进行离散的数字化记录，并通过计算机模拟数值计算对全息图进行数字化再现，从而将被测物体的物光场解调再现出来，得到物体表面结构。
3.传统的数字全息技术大部分是利用相干性较高的激光进行照明，如氦氖激光器等。虽然相干光源的相干长度长，物光和参考光相遇时候容易形成干涉条纹，全息图容易得到，但是缺点也很明显，光在透镜表面和被测件表面等的多次反射下十分容易产生寄生干涉条纹，且相干噪声大，从而影响测量结果的准确性。同时，各透镜和光路中其他元件的表面灰尘引起的散斑噪声也将严重影响全息图的质量。而在全息图解调过程中，全息图中各类噪声会影响其重建相位的准确性，相位噪声越大，相应的测量精度越低。
4.因此，本发明的目的是提供一种采用led部分相干光的反射式离轴数字全息微纳测量系统，其可以很好的抑制传统高相干光源生成全息图的相干噪声等的影响。相比于传统高相干光学生成的全息图，能够提高全息图的质量，增加测量结果的准确性。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于led部分相干光的反射式离轴数字全息微纳测量系统。
6.本发明通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供了一种基于led部分相干光的反射式离轴数字全息微纳测量系统，包括光源发生及准直模块，偏振测量模块，物参光光栅衍射分离模块，空间偏振滤波模块，偏振干涉模块和图像采集模块，所述偏振测量模块中有待测样品，其中，
8.所述光源发生及准直模块用于发出部分相干的led光，并将其进行滤光与准直，用于后续显微测量；
9.所述偏振测量模块用于得到相互垂直的两个不同偏振方向的物光和参考光；
10.所述物参光光栅分离模块用于将来自偏振测量模块的物光及参考光进行衍射，得到不同的衍射级次；
11.所述空间偏振滤波模块将来自物参光光栅衍射分离模块的不同衍射级次进行偏振滤波，得到偏振的零级物光和正一级光参考光；
12.所述偏振干涉模块将来自空间偏振滤波模块的物光及参考光进行干涉，将相互垂直的两个偏振态的物光及参考光进行偏振干涉；
13.所述图像采集模块用于采集由所述偏振干涉模块得到的全息图。
14.在本发明的一个实施例中，所述光源发生及准直模块包括led光源及沿着光路设置的物镜、光阑及一个双胶合透镜组成，其中，
15.所述led光源波长范围为620
±
10nm；
16.所述物镜用于对所述led光源产生的可见光带宽进行限制和汇聚；
17.所述光阑用于对所述物镜聚焦的光进行简单的空间滤波；
18.所述双胶合透镜用于对所述光阑滤波后的部分相干光进行准直。
19.在本发明的一个实施例中，所述偏振测量模块包括两个偏振片，一个非偏振分光棱镜，一个参考镜及一个待测样品，构成迈克尔逊经典干涉系统，其中，
20.所述两个偏振片偏振方向垂直，所述参考镜及待测样品与非偏振分光棱镜等距离放置。
21.在本发明的一个实施例中，所述物参光光栅分离模块包含一个正弦衍射光栅及一个双胶合透镜，其中，
22.所述衍射光栅放置在双胶合透镜的前焦面上。
23.在本发明的一个实施例中，所述空间偏振滤波模块包括一个非偏振分光棱镜，两个光阑，两个偏振片，两个等焦距的双胶合透镜及两个反射镜，构成马赫泽德经典系统，其中，
24.所述非偏振分光棱镜放置在上述光栅物参光分离模块中双胶合透镜的后焦距前；
25.所述两个光阑分别放置在非偏振分光棱镜的透射及反射光路中前述双胶合透镜的后焦面上，其中，所述透射光的光阑中心位于前述衍射光栅的零级衍射光的后焦点上，所述反射光路中的光阑中心放置在前述衍射光栅的正一级衍射光的后焦点上；
26.所述两个反射镜分别位于透射光路及反射光路中，将光路进行反射；
27.所述两个等焦距双胶合透镜置于前述两个双光阑的一个焦距位置，即两光阑都位于两个双胶合透镜的前焦面上；
28.所述两个偏振片偏振方向垂直放置，且物光光路即前述偏振空间滤波模块中的透射光路中的偏振片方向与前述偏振测量模块中的物光光路偏振片的偏振方向一致，参考光路即前述偏振空间滤波模块中的反射光路中的偏振片方向与前述偏振测量模块中的参考光光路中的偏振片的偏振方向一致。
29.在本发明的一个实施例中，所述偏振干涉模块包括一个非偏振分光棱镜，一个偏振片，其中，
30.所述非偏振分光棱镜将前述偏振空间滤波模块中的参考光和物光光路汇集为一条光路，其放置在前述偏振空间滤波模块中的两双胶合透镜的一个焦距范围内；
31.所述偏振片的偏振片与前述偏振干涉滤波模块中的两个偏振片的偏振方向夹角均为45
°
。
32.在本发明的一个实施例中，所述图像采集模块包含一个光电耦合器件ccd相机，其放置于前述偏振滤波模块中两双胶合透镜的后焦面上。
33.与现有传统技术相比，本发明的优势在于：
34.本发明提供了一种基于led的部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统，首先，由于采用部分相干的led光源进行测量，图像质量得到极大提升，与高相干的激光光源相
比，相干噪声得到有效抑制，提高测量精度；此外，与偏振干涉相结合，采用偏振干涉及基于4f系统的空间偏振滤波技术方案，改变照明光的偏振分量，提高最终生成全息图的对比度，保证样品相位重建的准确性；最后，该系统应用了光栅衍射及其相干平面倾斜的特性，应用光栅的正一级衍射光波的相干平面与零级衍射光波的相干平面相互平行的特点，结合4f系统，通过空间偏振滤波得到所需正一级参考光及零级物光波，在光栅的共轭面上得到了所测样品的反射式离轴全息图，保证物光和参考光光程严格匹配的同时，克服了部分相干光全息的视场小的问题，得到了全场的干涉条纹。
35.综上所述，本系统抑制了传统高相干光全息中的寄生条纹及相干噪声的影响，所获全息图的质量高，样品相位重建的准确性提高，可对反射式样品进行一次曝光成像测量，在微纳精密结构测量等领域具有很大的应用价值。
附图说明
36.图1为本发明实施例提供的一种基于led的部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统的光路图；
37.图2为本实施例示出的物参光光栅衍射分离模块中用于分离物参光的光栅衍射原理示意图；
38.图3为本实施例示出的基于4f系统及偏振滤波的空间偏振滤波模块的原理图；
39.图4为本实施例示出的系统中各模块之间的工作流程图；
40.图中：1-led光源，2-显微物镜，3-第一光阑，4-第一双胶合透镜，5-第一偏振片，6-第二偏振片，7-第一非偏振分光棱镜，8-第一反射镜，9-待测样品，10-衍射光栅，11-第二双胶合透镜，12-第二非偏振分光棱镜，13-第二光阑，14-第二反射镜，15-第三双胶合透镜，16-第三偏振片，17-第三光阑，18-第三反射镜，19-第四双胶合透镜，20-第四偏振片，21-第三非偏振分光棱镜，22-第五偏振片，23-ccd相机。
具体实施方式
41.下面通过具体实施方式进一步详细说明。
42.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及原理，在以下配图的具体实施方式详细说明中清楚的呈现。通过本实施例的具体说明，可以对本发明为达到前述目的所采用的各技术手段更加深入了解。
43.本发明实施例提供了一种led部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统，如图4所示，包括光源发生及准直模块、偏振测量模块、物参光光栅衍射分离模块、偏振空间滤波模块、偏振干涉模块和图像采集模块，所述偏振测量模块中放有待测样品。
44.其中，所述光源发生及准直模块用于发出部分led光，并将其进行滤光与准直，用于后续显微测量；所述偏振测量模块用于得到相互垂直的两个不同偏振方向的物光和参考光；所述物参光光栅衍射分离模块用于将来自偏振测量模块的物光及参考光进行衍射，得到不同的衍射级次；所述空间偏振滤波模块用于将来自物参光光栅衍射分离模块的不同衍射级次的光进行偏振滤波，得到偏振的零级物光及正一级参考光；所述偏振干涉模块用于将来自空间偏振滤波模块的零级物光及正一级参考光进行干涉，将相互垂直的两个偏振态的物光及参考光进行偏振干涉；所述图像采集模块用于采集由所述偏振干涉模块得到的全
息图。
45.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于led的部分相干反射式离轴数字全息微纳测量系统的光路图，其中，包括led光源1，显微物镜2，光阑3、13、17，双胶合透镜4、11、15、19，偏振片5、6、16、20、22，非偏振分光棱镜7、12、21，反射镜8、14、18，待测样品台9，衍射光栅10，ccd相机23。
46.所述光源发生及准直模块包括led光源1、沿着光路设置的显微物镜2、第一光阑3及第一双胶合透镜4。
47.本实施例中，所述led光源1的波长范围为620
±
10nm红光led，但是不限于仅仅采用此波长范围的led光源，中心波长越长，其轴向测量能力越强，波长越长则其包裹相位越少，因此也可以采用其他波长的led光源；所述显微物镜2用于对所述led光源1产生的可见光带宽进行限制和汇聚；所述光阑3用于对通过所述显微物镜2聚焦的光进行空间滤波，以提高光源的时间相干性，并滤除部分杂散光，以提高最终全息图的成图质量；所述第一双胶合透镜4用于对经过所述第一光阑3滤波后的部分相干光进行准直，双胶合透镜4与第一光阑3之间的距离为一个焦距，即所述第一光阑3在所述第一双胶合透镜4的前焦面上，光源发生及准直模块中的led光源1发出的光经过显微物镜2、第一光阑3及第一双胶合透镜4之后，变为平行的部分相干光，为进一步的测量做准备。
48.所述偏振测量模块包括第一偏振片5、第二偏振片6、第一非偏振分光棱镜7、第一反射镜8及待测样品9，构成迈克尔逊经典干涉系统。
49.本实施例中，第一偏振片5和第二偏振片6的偏振方向垂直放置，以保证参考光和物光具有两个相互垂直的偏振态，为后续的光栅衍射分光及偏振滤波做准备；所述第一反射镜8及待测样品9为了保证其相干性，必须与第一非偏振分光棱镜7等距离放置。
50.所述物参光光栅衍射分离模块包括衍射光栅10和第二双胶合透镜11；
51.本实施例中，所述衍射光栅10放置在第二双胶合透镜11的前焦面上，与后续的空间偏振滤波模块、偏振干涉模块和图像采集模块共同组成两套4f系统，其中，ccd相机23与衍射光栅10需要保证共轭。
52.所述衍射光栅10的分光衍射作用如图2所示，宽光谱光源存在两个相关的平面，即等相位面和相干平面。其中，所述等相位面是指光波中相位相等的点所构成的面，而相干平面是指与群速度传播对应的平面，相干平面上的各个点总是对应光强度的最大值。对于宽光谱光源而言，其光波在通过光栅之前的等相位面和相干平面是重合的，而由于光栅的衍射作用，各频率光波的波矢方向k由光栅方程决定：
53.dsinθ＝mλ
54.其中，d为光栅常数，θ为衍射角，m为衍射级次，λ为波长。等相位面与波矢k的方向垂直，如图中实线所示，而由于光栅使相干平面倾斜的作用，使得经过衍射光栅的部分相干光的等相位面与相干平面产生夹角α。相干平面示意图如图中虚线所示。正因为光栅的衍射分光与使部分相干光相干平面倾斜的作用，在其发生干涉时，虽然干涉条纹的周期是由两束光的波矢k夹角来决定，但是干涉条纹的对比度是通过物光和参考光的相干平面重叠程度决定。光栅使部分相干光相干平面倾斜的特性，使得物光和参考光相干平面相互平行成为可能，因此图像采集模块中ccd相机23可以获取全视场、具有良好对比度的干涉条纹，为获取清晰的全息图奠定了基础。
55.应用上述衍射光栅10的衍射分光作用，将来自偏振测量模块的两束不同偏振态的物光及参考光进行夫琅禾费衍射，通过光栅衍射过程，即可得到不同的衍射级次。
56.由于衍射光栅10放置于第二双胶合透镜11的前焦面上，经过光栅衍射后的物光和参考光受到汇聚作用，将在第一双胶合透镜11的后焦面上产生不同的衍射级次。
57.所述空间偏振滤波模块将来自物参光光栅衍射分离模块的不同级次衍射光进行偏振滤波，得到偏振的零级物光和正一级参考光。所述空间偏振滤波模块包括第二非偏振分光棱镜12、第二光阑13、第三光阑17、第三偏振片16、第四偏振片20、两个等焦距的第三双胶合透镜15和第四双胶合透镜19、第二反射镜14、第三反射镜18，构成经典的马赫泽德干涉系统。
58.本实施例中，所述第二非偏振分光棱镜12放置在上述物参光光栅衍射分离模块中第二双胶合透镜11的一个焦距以内，用于将来自前述物参光光栅衍射分离模块中的衍射光进行分光，分为两个垂直的光分别沿透射光路及反射光路传播，为下一步的偏振滤波做准备。
59.第二光阑13、第三光阑17分别放置在前述第二非偏振分光棱镜12的透射光路及反射光路上，所述透射光路中的第二光阑13的中心位于前述物参光光栅衍射分离模块中的第二双胶合透镜11的零级衍射光的后焦点上，所述反射光路中的第三光阑17的中心位于前述第二双胶合透镜11的正一级衍射光的后焦点上，通过两个光阑的滤光作用，选择衍射光的所需级次。
60.所述的第二反射镜14、第三反射镜18分别位于第二非偏振分光棱镜12的透射光路及反射光路中，分别用于对零级衍射光和正一级衍射光进行反射，与第二非偏振分光棱镜12和偏振干涉模块中的第三非偏振分光棱镜21共同组成经典的马赫泽德干涉系统。
61.所述第三双胶合透镜15放置在第二非偏振分光棱镜12的透射光路中，并且与第二光阑13的间距为一个焦距，即第二光阑13位于第三双胶合透镜15的前焦面上，且光阑中心位于第二双胶合透镜11的焦点上；所述第四双胶合透镜19放置在第二非偏振分光棱镜12的反射光路中，并且与第三光阑17的间距为一个焦距，即第三光阑17位于第四双胶合透镜19的前焦面上，需要注意的是，与透射光路不同的是，第三光阑17的中心点并不在第四双胶合透镜19的焦点上，而是位于，通过第四双胶合透镜19之后的正一级衍射光变为平行光。
62.所述第三偏振片16位于第三双胶合透镜15的一个焦距以内，所述第四偏振片20位于第四双胶合透镜19的一个焦距以内，且两个偏振片的偏振方向垂直放置。
63.需要注意的是，空间偏振滤波模块中位于透射光路中的第三偏振片16偏振方向与偏振测量模块中位于物光光路中的第一偏振片5的偏振方向一致；空间偏振滤波模块中位于反射光路中的第四偏振片20偏振方向与偏振测量模块中位于参考光光路中的第二偏振片6的偏振方向一致，最终通过第三偏振片16的物光及通过第四偏振片20的参考光具有相互垂直的偏振态，即通过空间偏振滤波模块后，得到了两束偏振状态相互垂直的零级物光和正一级参考光。
64.所述偏振干涉模块包括第三非偏振分光棱镜21和第五偏振片22，通过偏振干涉模块将来自前述空间偏振滤波模块的具有相互垂直偏振态的零级物光和正一级参考光进行干涉。
65.本实施例中，所述第三非偏振分光棱镜21放置在第三双胶合透镜15和第四双胶合
透镜19的一个焦距之内，需要注意的是，其与两个双胶合透镜等距，透射过第三非偏振分光棱镜21的正一级参考光与经第三非偏振分光棱镜21反射的零级物光汇聚为一条光路。
66.所述第五偏振片22的偏振方向与前述空间偏振滤波模块中的两个偏振片的偏振方向不同，夹角均为45
°
或者根据光强来调整偏振角，根据偏振干涉原理，两束相互垂直的偏振态的偏振光经过一个倾斜偏振角的偏振片后，将发生偏振干涉，从而得到干涉条纹。
67.所述图像采集模块采用ccd相机23，用于采集由所述偏振干涉模块得到的干涉条纹，得到全息图。
68.需要注意的是，所述ccd相机23需要放置在前述空间滤波模块中第三双胶合透镜15和第四双胶合透镜19的后焦面上，ccd相机23与前述物参光光栅衍射分离模块中的衍射光栅10共轭，即前述光栅物参光衍射分离模块中的衍射光栅10和第二双胶合透镜11，空间偏振滤波模块中的第二光阑13和第三双胶合透镜15(或第三光阑17和第四双胶合透镜19)以及ccd相机23共同组成4f系统，其基本原理如图3所示，通过所述衍射光栅10的物光和参考光，经过光栅衍射作用分为0级、 1级、-1级等多个衍射级次，通过透镜的傅里叶变换性质，将原始平行光聚焦到频谱面上，各个衍射级次在频谱面上相互分开，通过光阑等在频谱面上选择所需的衍射级次，过滤其他不需要的衍射级次，即可在其共轭面上得到所需的干涉光波。本实施例选择正一级参考光和零级物光进行干涉，在所述衍射光栅10的共轭面上，即ccd相机23平面上得到清晰的全息图。
69.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。