[发明专利]一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置

说明书

技术领域

本发明属于数字全息显微成像技术领域，涉及一种三维显微观测系统，更特别地说，是指一种全光纤预放大数字全息三维显微观测系统。

背景技术

高分辨率的三维显微成像是微电子技术、精密加工技术以及现代生物技术中非常需要的观测手段，对研究、开发和制造起着关键的作用。数字全息技术是采用数字图像技术，将物光波与参考光波干涉后形成的光谱利用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方式记录下来，通过数字反演解算得到三维数字图像的技术，是将集光学干涉、数字图像处理与显示测量相结合的综合性技术领域，发挥了光学相干成像与高速数字图像处理的优势。数字全息技术由于保留了传统光学全息的优点并直接结合了现代的数字化光电与计算机处理技术，可以完成对物体三维空间的高分辨成像、物体运动信息的获取，快速的图像与数据分析处理、方便的数据存储与传输，因此它赋予了光学全息技术崭新的意义和在观测技术领域广阔的发展前景。

数字全息技术的特点包括：

(1)数字全息用CCD或CMOS取代传统的干板作为记录介质，避免了繁琐的湿化处理过程，大大缩短了曝光时间和再现时间，简化了全息技术的处理程序，提高了对于图像信息提取处理速度，使发展快速实时的全息三维测量应用技术及全数字化的集成全息系统成为可能；

(2)数字全息技术能定量地得到被记录物体再现像的振幅和相位信息，不仅可以得到反射型物体的形貌分布，还适合测量三维透明或半透明物体的形貌分布等信息；

(3)由于数字全息采用数字处理的方法完成物体的三维重构再现，因此数字全息技术可以方便地与现代数字图像处理的相关技术和算法来消除噪声和相位偏差对再现像的影响，提高再现像质量，这些处理在真实的物理环境中通常是很难或几乎不可能实现的；

(4)数字全息技术实现了全息图的记录、存储和再现全过程的数字化，大大增强了数据的可移植性，同时可以方便调节再现距离得到不同再现距离下的物光波分布，从而可以通过采用合适的对焦判据实现自动对焦。所以数字全息技术提供了对物空间进行逐层成像分析的可能性，同时，可以通过数学处理方法消除由于透镜等光学元件的内部缺陷造成的图像畸变；

(5)数字全息技术还可以通过干涉与衍射场的相互反演以全模拟方法对一些难以测量的物体变化与运动信息包括宏观与微观物质运动与变化情况进行前瞻性理论模拟观测预期。为研究特殊条件下物体的变化与运动提供参考；

(6)数字全息技术具有瞬时完成区域空间体拍摄、非接触、非损伤性光学三维成像的本征特点，甚至可以对物质实施远距离显微观测成像，因此不需要特殊的测量样品处理加工过程，便可以实现对物质原貌的非提取就地测量，其轴向分辨率可以达到＜1nm，水平分辨率在光学波长量级的衍射极限水平。而且数字全息技术对环境影响小，特别是大景深、长工作距离、高精度的显微成像对各种物质的原位观测提供了方便。

但是，目前数字全息技术在实际应用中仍存在一些技术问题，主要是再现物光的分辨率受光电图像传感器(CCD、CMOS)性能指标的制约，具体表现为：

(1)目前光电图像传感器的像素尺寸较大(约3.5～10μm)，因此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)，使得物光场的高频成分无法记录。

因此，由于上述因素，造成严重的分辨率受限问题，进而使得数字全息技术在显微应用中受到一定限制。为了解决这一问题，普遍利用显微物镜对待测物体进行预放大，然后将所得到的物体放大实像进行数字全息记录与再现，从而能够获得高分辨率物光场。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种全光纤预放大数字全息三维显微观测装置，该装置一方面通过分光耦合单元保证物光光强与参考光光强相等、偏振方向相同；另一方面通过显微物镜对待观测物体进行预放大，可实现高分辨率物光场的获取；第三方面以非接触、原位探测方式获取待观测物体的三维信息。