[发明专利]基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置及方法

权利要求书

1.基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置，其特征在于：在马赫增德尔光路成像系统增加三个用于获取不同离焦程度的相位体衍射图的冗余成像光路；

在基本光路之外，通过分光镜将基本光路的部分光束分到增加的三个冗余光路中，第一冗余光路由分光镜、分光镜、第二成像光路和CCD2构成，第二冗余光路由分光镜、分光镜、第三成像光路和CCD3构成，第三冗余光路由分光镜、反射镜镜、第四成像光路和CCD4构成；

通过三个冗余成像光路和传统的Mach-Zehnder光路成像系统的基本成像光路获取不同离焦程度的相位体衍射图是通过调节不同成像光路中的物镜到CCD之间的光程差来实现，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₁，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₂，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₃，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₄，且150mmv₁v₂v₃v₄600mm。

2.根据权利要求1所述的基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置，其特征在于所使用的成像系统是Mach-Zehnder光路成像系统，其基本光路由光源、分光镜、物光臂光路和参考臂光路、合束镜、分光镜、第一成像光路、CCD1(电荷耦合器件)构成，光源选用具有相干性的激光器，物光臂光路由分光镜、反射镜、样品池、物镜、合束镜构成，用以产生携带样品光学相位信息的物光束，参考臂光路由分光镜、反射镜和合束镜构成，用以产生与物光束干涉而呈现特定衍射图的参考光束。

3.根据权利要求1所述的基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量装置，其特征在于，成像系统的物平面是由物镜焦距f、CCD与物镜间的光程差v来决定，成像系统的物平面到物镜之间的光程差u满足1/f＝1/u+1/v。

4.基于冗余光路的微尺度透明体离焦距离测量方法，其特征在于：按照下述步骤进行：通过三个冗余成像光路和传统的Mach-Zehnder光路成像系统的基本成像光路获取四幅不同离焦情况的相位体衍射图；通过一定的相位恢复方法对这些衍射图进行处理来获取相应的相位图；通过傅里叶变换计算四幅相位图的SPEC权重谱分析参数；将计算获取的SPEC参数和相位片的厚度信息代入到本专利的计算公式中即可计算出相位体相对于物镜的距离；

记各光路确定的物平面相对于第一成像光路确定的物平面的位置为z₁＝0，z₂＝1/(1/f-1/v₂)-1/(1/f-1/v₁)，z₃＝1/(1/f-1/v₃)-1/(1/f-1/v₁)，z₄＝1/(1/f-1/v₄)-1/(1/f-1/v₁)；

获取相位图可通过对获取的衍射图进行微分相位恢复方法来实现；

计算相位图的SPEC参数是根据以下公式实现，其中F()为傅里叶变换，采用快速傅里叶变换实现，快速傅里叶变换前首先对图像进行离散处理，离散单元尺寸为Δx×Δy，g(x,y)为相位图，μ，ν为频谱空间，频谱截止频率为μ_th＝1/Δx，ν_th＝1/Δy；

计算的SPEC参数是针对采用4个成像光路获取4幅相位图计算的，分别记为SPEC₁，SPEC₂，SPEC₃，SPEC₄；

计算出相位体相对于物镜的距离是首先计算第一成像光路的像平面相对位置，再将成像系统的像平面相对位置代入到相位体相对于物镜的距离计算公式计算得到；

第一成像光路的像平面相对位置按下述公式实现，当|(SPEC₂-SPEC₁)/(z₂-z₁)|，|(SPEC₃-SPEC₂)/(z₃-z₂)|和|(SPEC₄-SPEC₃)/(z₄-z₃)|这三个参数中|(SPEC₂-SPEC₁)/(z₂-z₁)|最大时，成像系统的像平面相对位置为当|(SPEC₄-SPEC₃)/(z₄-z₃)|最大时，成像系统的像平面相对位置为当|(SPEC₃-SPEC₂)/(z₃-z₂)|最大且SPEC₄SPEC₁，成像系统的像平面相对位置为其他情况，成像系统的像平面相对位置为

相位体相对于物镜的距离计算公式为1/(1/f-1/v₁)+z；

光轴方向的最大测试范围是1/(1/f-1/v₄)-1/(1/f-1/v₁)；

其中第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₁，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₂，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₃，第一成像光路的中物镜到CCD之间的光程差为v₄。