[发明专利]用于数字全息成像和干涉测量的光纤分路器装置和包括所述光纤分路器装置的光学系统

说明书

公开了一种光纤分路器装置，其包括至少两个不同长度光纤，用于部分或完全补偿干涉产生全息图或干涉图的波之间的光程差。在用于微观和较大样品的全息和干涉成像的装置中描述了该光纤分路器装置的各种实施方式。

发明的领域

本发明涉及全息和干涉成像领域。

背景技术

全息或干涉成像方法用于表征样品的相位和强度(或幅度)对比度。相位信息是定量的并且特别令人感兴趣，因为它能够对反射样品进行表面形貌测量，并且使用透明样品进行厚度或折射率测量。此外，在细胞成像中，已经证明定量相位测量(QPM)能够监测形态、细胞内浓度、通道活性和其他细胞过程的变化。使用提供光学产生的干涉图案或全息图的数字图像的图像传感器来最佳地实现全息和干涉成像方法，通过应用特定图像处理方法从中产生定量相位对比图像。

为了创建全息图或干涉图，必须组合两个光束：(i)包含样品信息的目标光束，和(ii)未与样品相互作用的参考光束。并且由于这两个光束必须彼此相干以便干涉，所以参考和目标波也必须从相同的光源发出，分别设置成不同的参考和目标臂。另外，如果光源具有降低的相干性，则仅当在它们各自的臂中传播的参考和目标波的光学路径长度相等或者相差小于干涉或全息设置的分路和重组点之间的光源的相干长度时，才发生干涉。

在提出用于实现全息或干涉成像的各种解决方案中，当需要复杂的三维几何形状来实现期望的光学路径时，已经表明采用光纤传输的那些解决方案特别相关。例如，B.Kemper等人在“Modular digital holographic microscopy system for marker freequantitative phase contrast imaging of living cells”(Proceedings of SPIEVol.6191，2006)(“用于活细胞的无标记定量相衬成像的模块化数字全息显微镜系统”)中描述了可适用于标准商业光学显微镜的模块化数字全息显微镜概念。Qu Weijuan等人发表了通过使用集成光纤分路器装置实现光纤传输和分路的自然方式，“Microlenscharacterization by digital holographic microscopy with physical sphericalphase compensation”(Applied Optics,49,2010)(“通过数字全息显微镜用物理球形相位补偿进行微透镜表征”)。

然而，仅用长相干激光器和标准光纤分路器报告了全息和干涉成像中的光纤分路和传送，而没有从分路器出来的光纤之间的受控长度差异。本发明引入了一种新的光纤分路解决方案，该光纤分路解决方案对于传输目标和参考波的光纤具有受控的长度差异，并且与现有技术相比具有几个优点。特别地，本发明简化了降低的相干光源的管理并且使得能够更容易地实现最佳干涉条件，包括波前匹配和轴外干涉。此外，使用根据本发明的装置的设备对于振动和环境扰动更加稳健，并且可以通过减少元件数量来更快地生产，同时在仪器的设计中提供更大的灵活性，特别是组合不同光源的复杂仪器和/或不同的成像方式。

发明内容

本发明解决了上述不便之处。本发明涉及根据权利要求1的光学系统和根据权利要求16的全息或干涉测量装置。其他有利特征可以在从属权利要求中找到。

光纤分路器是用于光纤网络和光纤传感器的无源器件。本发明提出了这种光纤分路器装置的改进，以便在用于全息成像或二维干涉测量的装置中实现最佳集成。这种改进包括精确地固定从光纤分路器出射的两根光纤之间的长度差，以便于利用用于产生参考波的光与用于照射样品以产生目标波的光之间的预定义光程差将光传递到设置。确定光纤长度差以满足以下要求中的至少一个：

(i)当参考波和目标波重新组合以干涉产生全息图或干涉图时，最小化参考波和目标波之间的光学路径长度(OPL)差异。这使得能够使用降低的相干光源。在下文中，该要求有时被称为OPL匹配条件。