專利名稱：一種光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維顯微觀測(cè)系統(tǒng)，更特別地說，是指一種針對(duì)光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
數(shù)字全息技術(shù)是利用電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)或金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)等光電成像探測(cè)器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的成像膠片、干板等材料作為記錄介質(zhì)，數(shù)字化的記錄全息圖，再利用計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)參考光對(duì)全息圖進(jìn)行照射，通過模擬全息圖的光學(xué)衍射過程，以數(shù)字方法重構(gòu)三維物光場(chǎng)， 從而獲得物光場(chǎng)的振幅和相位的信息，其優(yōu)點(diǎn)包括(1)以非接觸方式獲取物體三維信息， 且無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)觀測(cè)樣本影響非常小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；(2)數(shù)字全息圖的記錄與再現(xiàn)過程都以數(shù)字化形式完成，因此能夠以數(shù)字形式重構(gòu)物光場(chǎng)并可以對(duì)物體三維信息進(jìn)行定量分析；C3)在數(shù)字重構(gòu)過程中，可方便的運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，矯正、補(bǔ)償光學(xué)像差以及各種噪聲和探測(cè)器非線性效應(yīng)等的影響。然而，由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，數(shù)字全息再現(xiàn)物光場(chǎng)的分辨率受光電圖像傳感器 (CCD、CMOS)性能指標(biāo)的制約，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面(1)光電圖像傳感器的像素尺寸較大 (約3. 5 10微米)，無法記錄較高的空間頻率，僅能夠記錄與參考光夾角較小(約小于 1° )的物光；( 光電圖像傳感器光敏面的面積較小(約IcmX lcm)，在同樣的參物光夾角下，無法記錄更高的空間頻率。由于上述因素，特別是在長(zhǎng)距離原位檢測(cè)中，數(shù)字全息的分辨率受到了嚴(yán)重的制約。針對(duì)圖像傳感器光敏面積較小的特點(diǎn)，為了在保持一定工作距離的基礎(chǔ)上獲取較高分辨率的圖像，數(shù)字全息中普遍利用合成孔徑的方法來擴(kuò)展光電成像探測(cè)器的等效分辨率和等效孔徑。合成孔徑的主要原理是分別采用不同方向的照明光照射觀測(cè)目標(biāo)的表面來獲取全息圖，再分別對(duì)多個(gè)全息圖分別進(jìn)行再現(xiàn)，進(jìn)而將多幅再現(xiàn)圖疊加， 從而融合更多不同空間頻率分量的物光信息，提高數(shù)字全息顯微觀測(cè)的分辨率?，F(xiàn)有的多照明合成孔徑方法主要針對(duì)的是漫反射物體，其反射光分布范圍較廣， 即使在多照明條件下圖像傳感器仍可以在同一位置進(jìn)行全息圖的獲取。然而，若觀測(cè)目標(biāo)為光滑表面物體，則其反射光具有較強(qiáng)的指向性，在多方向光的照明下，圖像傳感器無法有效獲取觀測(cè)目標(biāo)的被測(cè)面全息圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于合成孔徑數(shù)字全息的光滑表面三維顯微觀測(cè)裝置， 該裝置一方面采用同軸旋轉(zhuǎn)觀測(cè)目標(biāo)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其的多角度照明；另一方面，為了消除物光偏移，在參考光路中設(shè)置了光束調(diào)整器；第三方面以非接觸、原位探測(cè)的方式獲取觀測(cè)目標(biāo)的光滑表面的三維信息。本發(fā)明的一種光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，包括有光源、CMOS相機(jī)、分光單元、第一空間濾波器、第一平凸透鏡、第三平面反射鏡、光束調(diào)整器、旋
4轉(zhuǎn)載物臺(tái)、第二空間濾波器、第二平凸透鏡、消偏振分光棱鏡；其中，第一空間濾波器與第二空間濾波器的結(jié)構(gòu)相同；第一平凸透鏡與第二平凸透鏡的結(jié)構(gòu)相同；所述合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置的光路連接為光源出射的激光通過分光單元分別輸出照明光和參考光；照明光順次經(jīng)過第一空間濾波器、第一平凸透鏡和第三平面反射鏡后，輸出平行照明光入射至消偏振分光棱鏡上；參考光順次經(jīng)過第二空間濾波器、第二平凸透鏡和光束調(diào)整器后，輸出調(diào)節(jié)后參考平行光入射至消偏振分光棱鏡上；平行照明光入射至消偏振分光棱鏡的透射部分對(duì)放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)上的觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行照明，被測(cè)表面反射的物光入射至消偏振分光棱鏡上；物光入射至消偏振分光棱鏡的反射部分與調(diào)節(jié)后參考平行光入射至消偏振分光棱鏡的透射部分匯合為合成光束，該光束形成全息干涉圖，并由CMOS相機(jī)的光敏面進(jìn)行接收記錄。本發(fā)明的數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)①分光單元2可以精確控制照明光束21和參考光束22的偏振態(tài)方向和光強(qiáng)比。②運(yùn)用獨(dú)立的光束調(diào)整器6，而非分光棱鏡，來實(shí)現(xiàn)物光7a與調(diào)節(jié)后參考平行光 6a的夾角調(diào)節(jié)，避免了在調(diào)節(jié)過程中物光的偏移，使得靈活快速的光路調(diào)節(jié)成為可能。③采用旋轉(zhuǎn)觀測(cè)目標(biāo)的方法，可以靈活快速地實(shí)現(xiàn)在不同入射角度的平行反射光 IOa照射觀測(cè)目標(biāo)的光滑表面的條件下，記錄多幅數(shù)字全息圖，從而為實(shí)現(xiàn)高分辨率的三維合成孔徑成像提供多幅存在互補(bǔ)信息的再現(xiàn)物光場(chǎng)。④采用兩路光(調(diào)節(jié)后參考平行光6a和物光7a)在消偏振分光棱鏡10上進(jìn)行合光處理輸出合并光10b，可以通過數(shù)字全息記錄方式獲取待觀測(cè)物體的三維信息。⑤本發(fā)明觀測(cè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。


圖1是本發(fā)明三維顯微觀測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖IA是本發(fā)明分光單元的結(jié)構(gòu)圖。圖IB是本發(fā)明消偏振分光棱鏡對(duì)光路的調(diào)整示意圖。圖2是本發(fā)明光束調(diào)整器結(jié)構(gòu)圖。圖2A是本發(fā)明光束調(diào)整器中第一夾具的分解圖。圖2B是本發(fā)明第一夾具中三角鏡架的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明可旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖。圖3A是本發(fā)明可旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)中夾桿夾的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1所示，本發(fā)明是一種針對(duì)光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，該裝置主要包括有光源1、分光單元2、第一空間濾波器3、第一平凸透鏡4、第三平面反射鏡5、消偏振分光棱鏡10、CMOS相機(jī)11、第二空間濾波器8、第二平凸透鏡9、光束調(diào)整器6、旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7 ；其中，第一空間濾波器3與第二空間濾波器8的結(jié)構(gòu)相同；第一平凸透鏡4與第二平凸透鏡9的結(jié)構(gòu)相同。(一 )光源 1在本發(fā)明中，光源1用于提供532nm的激光la，即光信息，該光源提供了中心波長(zhǎng)為532nm的單縱模激光，可以選取中國長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司的MSL-532nm半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器。( 二)分光單元2參見圖IA所示，分光單元2包含有A半波片201、偏振分光棱鏡202、B半波片203、 連續(xù)可調(diào)衰減器204 ；其中，A半波片201與B半波片203的結(jié)構(gòu)相同。分光單元2 —方面用于接收從光源1出射的中心波長(zhǎng)為532nm的激光la，另一方面將接收到的激光Ia分為傳播方向垂直、偏振方向相同的照明光21和參考光22。B半波片203放置于偏振分光棱鏡 202和連續(xù)可調(diào)衰減器204之間。其中，A半波片201用于將光源發(fā)射的激光Ia進(jìn)行偏振方向的調(diào)整，對(duì)照明光21和參考光22的光強(qiáng)比(1 5 5 1)進(jìn)行初步調(diào)節(jié)；而B半波片203用于將經(jīng)偏振分光棱鏡202反射的激光進(jìn)行偏振方向的調(diào)整，從而保證照明光21和參考光22的偏振方向相同；同時(shí)通過調(diào)節(jié)連續(xù)可調(diào)衰減器204可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)照明光21 和參考光22的光強(qiáng)比，進(jìn)而控制平行參考光IOa和由待測(cè)物面反射的具有表面形貌信息的物光Ila的光強(qiáng)比。A半波片201和B半波片203用于改變?nèi)肷渚€偏振光的偏振方向，可以選取大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCL-060411型號(hào)的石英零級(jí)半波片。在本發(fā)明中，偏振分光棱鏡202具有將一束入射光分為兩束傳播方向垂直、偏振方向正交的光?？梢赃x取大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCC-401102型號(hào)的偏振分光棱鏡。在本發(fā)明中，連續(xù)可調(diào)衰減器204可根據(jù)圓盤的旋轉(zhuǎn)而線性改變出射空間光光功率，可以是大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GC0-0704M圓形可調(diào)衰減器/分光鏡。(三)第一空間濾波器3在本發(fā)明中，空間濾波器3能夠?qū)σ皇肷涞募す夤馐M(jìn)行空間濾波，得到均勻的出射光斑，選取大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCM-OlM型空間濾波器。在本發(fā)明中，空間濾波器8能夠?qū)σ皇肷涞募す夤馐M(jìn)行空間濾波，得到均勻的出射光斑，選取大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCM-OlM型空間濾波器。(四)第一平凸透鏡4在本發(fā)明中，平凸透鏡4用于對(duì)空間濾波器3的近似點(diǎn)光源出射光擴(kuò)束為一定尺寸的平行光。選用大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCL-010115型K9平凸透鏡。在本發(fā)明中，平凸透鏡9用于對(duì)空間濾波器4的近似點(diǎn)光源出射光擴(kuò)束為一定尺寸的平行光。選用大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCL-010115型K9平凸透鏡。平凸透鏡4和平凸透鏡9分別安裝在大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的 GCM-2701381M型號(hào)透鏡/反射鏡支架上。(五)第三平面反射鏡5在本發(fā)明中，反射鏡5用于調(diào)整照明光的照明方向和位置，可以選取大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCC-102102型號(hào)反射鏡，安裝在大恒新紀(jì)元科技股份有限公司生產(chǎn)的GCM-082305M型號(hào)二維調(diào)整架。
(六)消偏振分光棱鏡10在本發(fā)明中，消偏振分光棱鏡10具有將兩束傳播方向垂直的入射光合成一束光。 選取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生產(chǎn)的NT49-004型號(hào)消偏振分光棱鏡。參見圖IB所示，照明平行光5a透過消偏振分光棱鏡10后轉(zhuǎn)換成平行反射光10a， 該平行反射光IOa照射在被放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7上的觀測(cè)目標(biāo)72的光滑表面上，在所述光滑表面發(fā)生反射形成物光7a，物光7a被消偏振分光棱鏡10反射后并與調(diào)節(jié)后參考平行光 6a進(jìn)行部分匯合輸出合并光10b，該合并光IOb能夠被CMOS相機(jī)11接收，成為全息圖(即觀測(cè)目標(biāo)72的光滑表面的三維信息)。在本發(fā)明中，采用消偏振分光棱鏡10與觀測(cè)目標(biāo)72 的光滑表面形成鏡面反射關(guān)系，利用調(diào)節(jié)后參考平行光6a與物光7a合并，使得合并光IOb 能夠在CMOS相機(jī)11的接收光敏面發(fā)生干涉，形成全息圖。(七)CMOS 相機(jī) 11在本發(fā)明中，CMOS相機(jī)7可以選取加拿大Lumenera公司生產(chǎn)、型號(hào)為 LU125M-W0IR、分辨率為1280 X 10 像素、幀頻為15fps、光敏面尺寸為2/3英寸、信號(hào)接口為 USB2. 0。(八)光束調(diào)整器6參見圖2所示，光束調(diào)整器6包括有齒輪齒條平移臺(tái)、第一夾具63、第二夾具64、 第一支撐桿65、升降桿66、第二支撐桿67、第一平面反射鏡68和第二平面反射鏡69 ；其中， 第一夾具63與第二夾具64的結(jié)構(gòu)相同；第一平面反射鏡68與第二平面反射鏡69的結(jié)構(gòu)相同。第一夾具63安裝在第一支撐桿65上，第二夾具64安裝在第二支撐桿67上。第一支撐桿65、升降桿66和第二支撐桿67為圓筒結(jié)構(gòu)，升降桿66的一端上安裝第一支撐桿65，升降桿66的另一端上安裝第二支撐桿67。通過安裝在升降桿66內(nèi)的長(zhǎng)度 (第一支撐桿65、第二支撐桿67各自的長(zhǎng)度)來調(diào)節(jié)第一平面反射鏡68與第二平面反射鏡69之間的高度。第一支撐桿65的另一端穿過第一夾具63的夾持架634的A通孔63 后安裝在齒輪齒條平移臺(tái)的Y軸向基座62上。參見圖2A所示，第一夾具63包括有三角鏡架631、U形架632、轉(zhuǎn)臺(tái)633和夾持架 634 ；第一平面反射鏡68安裝在三角鏡架631的圓盤631a內(nèi)；參見圖2B所示，三角鏡架631 —側(cè)的側(cè)板上設(shè)有A銷孔(圖2A中未示出)，三角鏡架631另一側(cè)的側(cè)板上設(shè)有B銷孔631b，三角鏡架631的底板上設(shè)有鎖緊桿631c ；A銷孔內(nèi)安裝有U形架632上A凸耳63h，B銷孔631b內(nèi)安裝有U形架632上B凸耳632b，鎖緊桿631c插入U(xiǎn)形架632的矩形孔632c內(nèi)，并通過螺釘頂緊；三角鏡架631通過兩側(cè)側(cè)板上的兩個(gè)銷孔與U形架632上的兩個(gè)凸耳實(shí)現(xiàn)活動(dòng)安裝，為了調(diào)整第一平面反射鏡68與第二平面反射鏡69之間的相對(duì)位置，通過螺釘頂緊鎖緊桿631c實(shí)現(xiàn)。即第一夾具63上的第一平面反射鏡68向上抬起的仰視角度，第二夾具64上的第二平面反射鏡69向下的俯視角度，這都是為了保證照射在第一平面反射鏡68鏡面上參考平行光9a能夠照射在第二平面反射鏡69上后形成調(diào)節(jié)后參考平行光6a。U形架632的一側(cè)立板上設(shè)有A凸耳63 ，U形架632的另一側(cè)立板上設(shè)有B凸耳 632b，U形架632的底部設(shè)有一圓臺(tái)(圖2A中未示出)；A凸耳63 安裝在三角鏡架631的A銷孔內(nèi)，B凸耳632b安裝在三角鏡架631的B銷孔內(nèi)631b，圓臺(tái)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)633的圓孔633a內(nèi)；夾持架6；34上設(shè)有A通孔634a、B通孔634b和限位槽63 ；A通孔63 用于第一支撐桿65的一端穿過，并通過螺釘使第一夾具63夾緊安裝在第一支撐桿65上；B通孔 634b內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)臺(tái)633，轉(zhuǎn)臺(tái)633上的A限位板63 和B限位板633c置于限位槽63 內(nèi)； A限位板63 和B限位板633c與螺釘?shù)呐浜夏軌驅(qū)崿F(xiàn)第一平面反射鏡68在圓臺(tái)(設(shè)在U 形架632的底部)的軸向上的調(diào)節(jié)。齒輪齒條平移臺(tái)包括X軸向基座61和Y軸向基座62，Y軸向基座62垂直安裝在 X軸向基座61上，Y軸向基座62上安裝有第一支撐桿65的一端；本發(fā)明設(shè)計(jì)的光束調(diào)整器6用于調(diào)整參考平行光9a的角度和位置，從而控制調(diào)節(jié)后參考平行光6a與物光7a的夾角。當(dāng)參考平行光9a照射到第一平面反射鏡68時(shí)，參考平行光9a經(jīng)反射后照射至第二平面反射鏡69上，再反射后形成調(diào)節(jié)后參考平行光6a出射；通過調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡的旋轉(zhuǎn)、俯仰能夠使經(jīng)第二平面反射鏡69反射的調(diào)節(jié)后參考平行光6a達(dá)到最佳的出射角度。在本發(fā)明中，通過改變第一夾具63與第二夾具64之間的相對(duì)高度，在不改變參考平行光9a方向的前提下，分別粗調(diào)、細(xì)調(diào)出射光束的高度；然后通過調(diào)整齒輪齒條平移臺(tái)調(diào)節(jié)出射光束的照明橫向位置。在本發(fā)明中，光束調(diào)整器6中的齒輪齒條平移臺(tái)(包括有X軸向基座61、Y軸向基座62)可以選用大恒新紀(jì)元科技股份有限公司的GCM-150101M型齒輪齒條平移臺(tái)。在本發(fā)明中，光束調(diào)整器6中的第一平面反射鏡68與第二平面反射鏡69的可以選用大恒新紀(jì)元科技股份有限公司的GC0-11光束提升器中的可調(diào)反射鏡機(jī)構(gòu)。(九)旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7參見圖3所示，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7包括有三維調(diào)節(jié)鏡架71、第四支撐桿73、支桿夾74、 第三支撐桿75、磁性底座76。參見圖3Α所示，支桿夾74上設(shè)有X軸向通孔741和Y軸向通孔742 ；X軸向通孔 741用于第四支撐桿73穿過，當(dāng)?shù)谒闹螚U73穿過后，通過螺釘使第四支撐桿73鎖緊在X 軸向通孔741內(nèi)；穿過X軸向通孔741的第四支撐桿73的一端安裝在三維調(diào)節(jié)鏡架71上； Y軸向通孔742用于第三支撐桿75穿過，當(dāng)?shù)谌螚U75穿過后，通過螺釘使第三支撐桿 75鎖緊在Y軸向通孔742內(nèi)；穿過Y軸向通孔742的第三支撐桿75的一端安裝在磁性底座76上。觀測(cè)目標(biāo)72安裝在三維調(diào)節(jié)鏡架71的載物臺(tái)上。在本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7用以調(diào)整觀測(cè)目標(biāo)72的表面反射光的角度，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)，可以使得在反射物光角度不變的情況下，獲得觀測(cè)目標(biāo)表面不同角度照明的物光，實(shí)現(xiàn)光滑反射表面的多照明合成孔徑全息記錄。在本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7中的三維角度調(diào)節(jié)鏡架71可以選用北京北光世紀(jì)儀器有限公司的ΡΜ301型三維角度調(diào)節(jié)鏡架。磁性底座76放置于鐵制平臺(tái)上，位置調(diào)整完畢后，可通過磁性開關(guān)進(jìn)行位置固定；支桿夾74安裝在第二支撐桿75上，可進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，并通過擰緊螺釘鎖止，第四支撐桿 73安裝于支桿夾74上，與第三支撐桿75相互垂直，同樣通過擰緊螺釘鎖止。本發(fā)明設(shè)計(jì)的針對(duì)光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置的光路連接為光源1出射的532nm激光Ia通過分光單元2，分別輸出照明光21和參考光22 ；照明光21順次經(jīng)過空間濾波器3、平凸透鏡4和反射鏡5后，輸出平行照明光5a， 該照明光如入射至消偏振分光棱鏡10 ；參考光22順次經(jīng)過空間濾波器8、平凸透鏡9和光束調(diào)整器6后，輸出調(diào)節(jié)后參考平行光6a，該調(diào)節(jié)后參考平行光6a入射至消偏振分光棱鏡10 ；平行照明光fe入射至消偏振分光棱鏡10的透射部分IOa對(duì)放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7 上的觀測(cè)目標(biāo)體進(jìn)行照明，被測(cè)表面反射的物光Ila入射至消偏振分光棱鏡10 ；物光Ila入射至消偏振分光棱鏡10的反射部分與調(diào)節(jié)后參考平行光6a入射至消偏振分光棱鏡10的透射部分匯合為合成光束10b，該光束形成全息干涉圖，并由CMOS相機(jī) 7的光敏面進(jìn)行接收記錄。本發(fā)明中，由分光耦合單元2分出的空間平行光21順次經(jīng)第一空間濾波器3、第一平凸透鏡4、反射鏡5后，形成的平行光如入射至消偏振分光棱鏡10，透射部分IOa照射在放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7上的觀測(cè)目標(biāo)體表面后，反射形成具有物面信息的物光11a，入射至消偏振分光棱鏡10，該路光路可以稱為物光光路。本發(fā)明中，由分光耦合單元2分出的空間平行光22經(jīng)空間濾波器8、平凸透鏡9、 光束調(diào)節(jié)器10后，形成的平行光IOa入射至消偏振分光棱鏡10，該路光路可以稱為參考光路。通過調(diào)整所述物光光路中旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)的角度，可以改變照射在待觀測(cè)物體的入射角，從而使CMOS相機(jī)11記錄多幅數(shù)字全息圖。之后通過對(duì)CMOS相機(jī)11采集的多幅數(shù)字全息圖運(yùn)用數(shù)字方法合成、重構(gòu)，從而擴(kuò)展所獲得的物光頻譜范圍，增大系統(tǒng)的等效孔徑， 從而獲得高分辨率、低噪聲的物體三維立體像。本法明設(shè)計(jì)的物光光路中，照明光對(duì)放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)7的待觀測(cè)物體采用非接觸工作方式，通過旋轉(zhuǎn)待測(cè)物體，多角度原位獲取物體的三維信息，且無透鏡相差影響。
權(quán)利要求
1.一種光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，包括有光源(1)、CM0S 相機(jī)(11)，其特征在于還包括有分光單元O)、第一空間濾波器(3)、第一平凸透鏡0)、 第三平面反射鏡(5)、光束調(diào)整器(6)、旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)(7)、第二空間濾波器(8)、第二平凸透鏡 (9)、消偏振分光棱鏡(10)；其中，第一空間濾波器(3)與第二空間濾波器(8)的結(jié)構(gòu)相同； 第一平凸透鏡(4)與第二平凸透鏡(9)的結(jié)構(gòu)相同；所述合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置的光路連接為光源(1)出射的激光(Ia)通過分光單元(2)分別輸出照明光和參考光02)；照明光順次經(jīng)過第一空間濾波器(3)、第一平凸透鏡(4)和第三平面反射鏡(5) 后，輸出平行照明光(5a)入射至消偏振分光棱鏡(10)上；參考光02)順次經(jīng)過第二空間濾波器⑶、第二平凸透鏡(9)和光束調(diào)整器(6)后，輸出調(diào)節(jié)后參考平行光(6a)入射至消偏振分光棱鏡(10)上；平行照明光(5a)入射至消偏振分光棱鏡(10)的透射部分(IOa)對(duì)放置于旋轉(zhuǎn)載物臺(tái) (7)上的觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行照明，被測(cè)表面反射的物光(Ila)入射至消偏振分光棱鏡(10)上；物光(Ila)入射至消偏振分光棱鏡(10)的反射部分與調(diào)節(jié)后參考平行光(6a)入射至消偏振分光棱鏡(10)的透射部分匯合為合成光束(10b)，該光束形成全息干涉圖，并由 CMOS相機(jī)(11)的光敏面進(jìn)行接收記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于分光單元(2)包含有A半波片001)、偏振分光棱鏡Q02)、B半波片003)、連續(xù)可調(diào)衰減器004)；其中，A半波片(201)與B半波片(203)的結(jié)構(gòu)相同；分光單元(2) —方面用于接收從光源(1)出射的激光(Ia)，另一方面將接收到的激光(Ia)分為傳播方向垂直、 偏振方向相同的照明光和參考光0 ；B半波片(20 放置于偏振分光棱鏡(202)和連續(xù)可調(diào)衰減器(204)之間；其中，A半波片(201)用于將光源發(fā)射的激光(Ia)進(jìn)行偏振方向的調(diào)整，對(duì)照明光和參考光0 的光強(qiáng)比進(jìn)行初步調(diào)節(jié)；而B半波片(20 用于將經(jīng)偏振分光棱鏡(20 反射的激光進(jìn)行偏振方向的調(diào)整，從而保證照明光和參考光 (22)的偏振方向相同；同時(shí)通過調(diào)節(jié)連續(xù)可調(diào)衰減器(204)進(jìn)一步調(diào)節(jié)照明光和參考光0 的光強(qiáng)比，進(jìn)而控制平行參考光(IOa)和由待測(cè)物面反射的具有表面形貌信息的物光(Ila)的光強(qiáng)比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于光束調(diào)整器(6)包括有齒輪齒條平移臺(tái)、第一夾具(63)、第二夾具(64)、第一支撐桿(65)、升降桿(66)、第二支撐桿(67)、第一平面反射鏡(6 和第二平面反射鏡(69)；其中，第一夾具(63)與第二夾具(64)的結(jié)構(gòu)相同；第一平面反射鏡(68)與第二平面反射鏡 (69)的結(jié)構(gòu)相同；第一夾具(63)安裝在第一支撐桿(65)上，第二夾具(64)安裝在第二支撐桿(67)上；第一支撐桿(65)、升降桿(66)和第二支撐桿(67)為圓筒結(jié)構(gòu)，升降桿(66)的一端上安裝第一支撐桿(65)，升降桿(66)的另一端上安裝第二支撐桿(67)；第一支撐桿(65)的另一端穿過第一夾具(6 的夾持架(634)的A通孔(634a)后安裝在齒輪齒條平移臺(tái)的Y 軸向基座(62)上；第一夾具(63)包括有三角鏡架(631)、U形架(632)、轉(zhuǎn)臺(tái)(633)和夾持架(634)；第一平面反射鏡(68)安裝在三角鏡架(631)的圓盤(631a)內(nèi)；三角鏡架(631) —側(cè)的側(cè)板上設(shè)有A銷孔，三角鏡架(631)另一側(cè)的側(cè)板上設(shè)有B銷孔(631b)，三角鏡架(631)的底板上設(shè)有鎖緊桿(631c) ；U形架(632)的一側(cè)立板上設(shè)有 A凸耳(632a)，U形架(632)的另一側(cè)立板上設(shè)有B凸耳(632b)，U形架(632)的底部設(shè)有一圓臺(tái)，圓臺(tái)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)(633)的圓孔(633a)內(nèi)；A銷孔內(nèi)安裝有U形架(632)上A凸耳 (632a)，B銷孔(631b)內(nèi)安裝有U形架(632)上B凸耳(632b)，鎖緊桿(631c)插入U(xiǎn)形架 (632)的矩形孔(632c)內(nèi)；夾持架(634)上設(shè)有A通孔(634a)、B通孔(634b)和限位槽(634c) ；A通孔(634a)用于第一支撐桿(6 的一端穿過，并通過螺釘使第一夾具(6 夾緊安裝在第一支撐桿(65) 上；B通孔(634b)內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)臺(tái)(633)，轉(zhuǎn)臺(tái)(633)上的A限位板(633b)和B限位板(633c) 置于限位槽(634c)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于光源(1)用于提供532nm的激光(Ia)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于第一空間濾波器(3)與第二空間濾波器(8)選取GCM-OlM型空間濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于第一平凸透鏡(4)與第二平凸透鏡(9)選取GCL-010115型K9平凸透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于消偏振分光棱鏡(10)選取NT49-004型號(hào)消偏振分光棱鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，其特征在于A半波片(201)和B半波片(203)選取GCL-060411型號(hào)的石英零級(jí)半波片； 偏振分光棱鏡(20 選取GCC-401102型號(hào)的偏振分光棱鏡；連續(xù)可調(diào)衰減器(204)選取 GC0-0704M圓形可調(diào)衰減器/分光鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光滑反射表面的合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)裝置，該裝置包括有光源、分光單元、空間濾波器、平凸透鏡、平面反射鏡、消偏振分光棱鏡、光束調(diào)整器、旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)、CMOS相機(jī)；本發(fā)明裝置的光路為光源出射的激光入射至分光單元中，經(jīng)分光單元進(jìn)行分光處理后輸出照明光、參考光；兩束光分別順次經(jīng)空間濾波器、平凸透鏡進(jìn)行擴(kuò)束、整形；照明光經(jīng)反射鏡反射輸出平行光透過消偏振分光棱鏡，斜入射至旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)上的觀測(cè)目標(biāo)的表面，物表面的反射光再入射至消偏振分光棱鏡；參考光的角度和位置由光束調(diào)整器調(diào)整，也入射至消偏振分光棱鏡；消偏振分光棱鏡對(duì)入射的參考光、物光進(jìn)行合光處理，得到合并光束，該合并光束形成的干涉全息圖被CMOS相機(jī)的光敏面捕獲。在獲取中，通過旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，多次調(diào)整照明光的入射角度，得到包含有不同頻率分量的物表面全息圖，再進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)合成孔徑數(shù)字全息三維顯微觀測(cè)。
文檔編號(hào)G01B9/023GK102278952SQ201010280758
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者伊小素, 劉爍, 戎路, 潘鋒, 王璠璟, 肖文 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)