CN113219640B - 一种透射反射式数字全息显微*** - Google Patents

一种透射反射式数字全息显微*** Download PDF

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Abstract

本发明适用于显微镜技术领域，提供了一种透射反射式数字全息显微***，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，所述反射式数字全息显微镜光路为：第一光束经过第一偏振片改变偏振方向，分为两束偏振态垂直的光波，其中水平偏振光经过偏振分束立方体透射形成样品反射的物光光路，垂直偏振光经过所述偏振分束立方体反射形成样品反射的参考光光路；所述透射式数字全息显微镜光路为：第二光束经过第二偏振片改变偏振方向，分为两束偏振态垂直的光波，其中垂直偏振光经过所述偏振分束立方体反射形成样品透射的物光光路，水平偏振光经过所述偏振分束立方体透射形成样品透射的参考光光路。本发明能够同时测试样品的厚度和表面轮廓。

Description

一种透射反射式数字全息显微***
技术领域
本发明属于显微镜技术领域，具体涉及一种透射反射式数字全息显微***。
背景技术
根据激光透过样品还是经样品反射主要有两种典型的光路布局：透射式和反射式，数字全息显微镜分为透射式数字全息显微镜和反射式数字全息显微镜，其中，透射式数字全息显微镜主要用于测试样品的厚度信息，反射式数字全息显微镜主要用于测量样品的表面轮廓信息。
现有的数字全息显微镜一般为单独的透射式结构或者单独的反射式结构。当测试一些特殊样品时，如带有弧度的微光学器件，会出现由于无法同时获取透射式数字全息显微镜和反射式数字全息显微镜的样品测试信息而导致测试结果不准确的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种透射反射式数字全息显微***，以解决现有的数字全息显微镜无法同时获取透射信息和反射信息而导致测试结果不准确的问题。
本发明实施例的以上目的是这样实现的，提供了一种透射反射式数字全息显微***，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，所述反射式数字全息显微镜光路为：第一光束经过第一偏振片改变偏振方向，经过偏振分束立方体后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过偏振分束立方体透射的光为第一物光束，形成第一物光光路，经过所述偏振分束立方体反射的光为第一参考光束，形成第一参考光光路；
所述透射式数字全息显微镜光路为：第二光束经过第二偏振片改变偏振方向，经过所述偏振分束立方体后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过所述偏振分束立方体反射的光为第二物光束，形成第二物光光路，经过所述偏振分束立方体透射的光为第二参考光束，形成第二参考光光路；
第一参考光束经二向色镜(10)反射，第二参考光束经所述二向色镜(10)透射。
进一步地，所述第一物光光路为：第一物光束经过第一反射镜反射、第一透镜透射、第一非偏振分束立方体透射和第一物镜后照射到样品表面，样品的反射光经过所述第一物镜后经所述第一非偏振分束立方体反射，然后经第三透镜准直后经第一滤波片滤波，入射到第一相机，被所述第一相机接收；
所述第一参考光光路为：第一参考光束经过二分之一波片调整偏振方向至水平偏振态后经二向色镜反射，然后经第二透镜聚焦、所述第一非偏振分束立方体透射和所述第三透镜准直后经所述第一滤波片滤波，入射到所述第一相机，与第一物光束产生干涉，干涉信息被所述第一相机接收后经计算机处理运算后形成样品的表面反射三维信息；
所述第二物光光路为：第二物光束依次经过所述第一反射镜反射、所述第一透镜透射、所述第一非偏振分束立方体透射和所述第一物镜后照射到样品表面，并穿过样品由第二物镜接收，然后经第二非偏振分束立方体反射和第五透镜准直后经第二滤波片滤波，入射到第二相机，被所述第二相机接收；
所述第二参考光光路为：第二参考光束经过二分之一波片调整偏振方向至垂直偏振态后经所述二向色镜透射，然后经第二反射镜反射、第四透镜聚焦、第二非偏振分束立方体透射和第五透镜准直后经所述第二滤波片滤波，入射到所述第二相机，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述第二相机接收后经所述计算机处理运算后形成样品的厚度三维信息。
进一步地，所述第一光束和所述第二光束使用激光与扩束镜产生，所述扩束镜包含第六透镜、第七透镜和针孔。
进一步地，所述第一光束和所述第二光束使用光纤耦合激光器与准直透镜产生。
进一步地，所述样品包括半导体、微光学器件、生物样品或mini/micro LED。
与现有技术相比，本发明提供的一种透射反射式数字全息显微***的有益效果为：本发明使用迈克尔逊干涉仪结构构成了双波长的透射和反射结合的数字全息显微镜结构，使用二向色镜将双波长分成透射与反射两路，能够同时测试样品的厚度信息和表面轮廓信息，可测试的样品范围更广，利用同时获得样品的透射信息和反射信息进行建模，获得样品的三维结构信息更完整、更准确。此外，还可以用于样品的三维形貌与厚度信息的实时测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种透射反射式数字全息显微***的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的光源的一种结构的示意图。
图3是本发明实施例提供的光源的另一种结构的示意图。
图中，1a-第一光束，1b-第二光束，2-第一偏振片，3-偏振分束立方体，4-第一反射镜，5-第一透镜，6-第一非偏振分束立方体，7-第一物镜，8-样品，9-二分之一波片，10-二向色镜，11-第二透镜，12-第三透镜，13-第一相机，14-第二偏振片，15-第二反射镜，16-第四透镜，17-第二物镜，18-第二非偏振分束立方体，19-第五透镜，20-第二相机，21-计算机，22-第一滤波片，23-第二滤波片，111-激光，112-第六透镜，113-第七透镜，114-针孔，221-光纤耦合激光器，222-准直透镜。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明使用迈克尔逊干涉仪结构构成了基于双波长的透射和反射结合的数字全息显微镜结构，通过二向色镜实现了将两束不同波长的光的光路分成透射式光路与反射式光路两路的目的。二向色镜又称为双色镜，用于反射一定波长的光，同时透过其他不同波长的光。例如常见的二向色镜的光学指标为透红反绿蓝、透蓝反红绿、透红绿反蓝、透蓝绿反红或反红透蓝绿。
参考图1，本发明实施例提供了一种透射反射式数字全息显微***，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路。
所述反射式数字全息显微镜光路用于获得样品的表面反射信息。如图1所示，反射式数字全息显微镜光路为：第一光束1a经过第一偏振片2改变偏振方向，经过偏振分束立方体3后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过偏振分束立方体3透射的光(第一物光束)为水平偏振态，形成样品反射的物光光路(第一物光光路)，经过所述偏振分束立方体3反射的光(第一参考光束)为垂直偏振态，形成样品反射的参考光光路(第一参考光光路)。其中样品反射的物光光路为：第一物光束依次经过第一反射镜4反射、第一透镜5透射、第一非偏振分束立方体6透射和第一物镜7后照射到样品8表面，样品8的反射光经过所述第一物镜7后经所述第一非偏振分束立方体6反射，然后经第三透镜12准直后经第一滤波片22滤波，入射到第一相机13，被所述第一相机13接收。第一参考光光路为：第一参考光束经二分之一波片9调整偏振方向至水平偏振态后经二向色镜10反射，然后经第二透镜11聚焦、所述第一非偏振分束立方体6透射和所述第三透镜12准直后经第一滤波片22滤波，入射到所述第一相机13，与第一物光束产生干涉，干涉信息被所述第一相机13接收后经计算机21处理运算后形成样品的表面反射三维信息。所述第一相机13接收的光经所述第一滤波片22滤波后只含有第一光束1a的信息。
所述透射式数字全息显微镜光路用于获得样品的透射信息。如图1所示，透射式数字全息显微镜光路为：第二光束1b经第二偏振片14改变偏振方向，经过偏振分束立方体3后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过所述偏振分束立方体3反射的光(第二物光束)为垂直偏振态，形成样品透射的物光光路(第二物光光路)，经过所述偏振分束立方体3透射的光(第二参考光束)为水平偏振态，形成样品透射的参考光光路(第二参考光光路)。其中第二物光光路为：第二物光束依次经过所述第一反射镜4反射、所述第一透镜5透射、所述第一非偏振分束立方体6透射和所述第一物镜7后照射到样品8表面，并穿过样品8由第二物镜17接收，然后经第二非偏振分束立方体18反射和第五透镜19准直后经第二滤波片23滤波，入射到第二相机20，被所述第二相机20接收。第二参考光光路为：第二参考光束经二分之一波片9调整偏振方向至垂直偏振态后经所述二向色镜10透射，然后经第二反射镜15反射、第四透镜16聚焦、第二非偏振分束立方体18透射和第五透镜19准直后经第二滤波片23滤波，入射到所述第二相机20，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述第二相机20接收后经所述计算机21处理运算后形成样品的厚度三维信息。所述第二相机20接收的光经所述第二滤波片23滤波后只含有第二光束1b的信息。
作为光源，所述第一光束1a、第二光束1b为两束准直扩束后的不同波长的激光，两束激光在光路中由二向色镜10和第一滤波片22、第二滤波片23过滤达到单一激光光路的目的。例如当第一光束1a为绿色激光且第二光束1b为红色激光时，设置二向色镜10为透射红光反射绿光的镜片，第一滤波片22为只能透射绿光的滤波片，第二滤波片23为只能透射红光的滤波片，从而使得第一相机13接收的光只含有绿色激光光路的信息即样品的反射信息，第二相机20接收的光只含有红色激光光路的信息即样品的透射信息。
图2和图3为本发明实施例提供的光源的两种不同的结构示意图。下面以所述第一光束1a为例进行说明，所述第二光束1b的结构与所述第一光束1a的结构相同。
参考图2，所述第一光束1a可以使用激光111与扩束镜方式产生，其中扩束镜包含第六透镜112、第七透镜113和一个针孔114。所述激光111射入所述针孔114内，穿过所述透镜112和113后射出。
参考图3，所述第一光束1a也可以直接使用光纤耦合激光器221与准直透镜222产生，入射光经过所述光纤耦合激光器221后穿过所述准直透镜222射出。
对于这两种光源结构，为达到不同扩束光斑尺寸，可选用不同规格的扩束镜或准直透镜。
相比于现有的单波长数字全息显微镜，本发明实施例提供的透射反射式数字全息显微***能够同时测试样品的厚度信息和表面轮廓信息，可测试的样品范围更广，利用同时获得样品的透射信息和反射信息进行建模，获得样品的三维结构信息更完整、更准确。此外，还可以用于样品的三维形貌与厚度信息的实时测量。
本发明实施例提供的一种透射反射式数字全息显微***，其应用领域包括半导体检测、微光学器件检测、生物样品检测和mini/micro LED检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透射反射式数字全息显微***，包括反射式数字全息显微镜光路和透射式数字全息显微镜光路，
所述反射式数字全息显微镜光路为：第一光束(1a)经过第一偏振片(2)改变偏振方向，经过偏振分束立方体(3)后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过偏振分束立方体(3)透射的光为第一物光束，形成样品(8)反射的第一物光光路，经过所述偏振分束立方体(3)反射的光为第一参考光束，形成样品(8)反射的第一参考光光路；
所述透射式数字全息显微镜光路为：第二光束(1b)经过第二偏振片(14)改变偏振方向，经过所述偏振分束立方体(3)后分为两束偏振态垂直的光波，其中经过所述偏振分束立方体(3)反射的光为第二物光束，形成样品(8)透射的第二物光光路，经过所述偏振分束立方体(3)透射的光为第二参考光束，形成样品(8)透射的第二参考光光路；
第一参考光束经二向色镜(10)反射，第二参考光束经所述二向色镜(10)透射。
2.如权利要求1所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第一物光光路为：第一物光束依次经过第一反射镜(4)反射、第一透镜(5)透射、第一非偏振分束立方体(6)透射和第一物镜(7)后照射到样品(8)表面，样品(8)的反射光经过所述第一物镜(7)后经所述第一非偏振分束立方体(6)反射，然后经第三透镜(12)准直后，入射到第一相机(13)，被所述第一相机(13)接收。
3.如权利要求2所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，第一物光束在入射到所述第一相机(13)之前还经过第一滤波片(22)滤波，所述第一滤波片(22)用于过滤不同波长的光束且只透射所述第一光束(1a)。
4.如权利要求3所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第一参考光光路为：第一参考光束经过二分之一波片(9)调整偏振方向至水平偏振态后经二向色镜(10)反射，然后经第二透镜(11)聚焦、所述第一非偏振分束立方体(6)透射和所述第三透镜(12)准直后经所述第一滤波片(22)滤波，入射到所述第一相机(13)，与第一物光束产生干涉，干涉信息被所述第一相机(13)接收后经计算机(21)处理运算后形成样品(8)的表面反射三维信息。
5.如权利要求4所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第二物光光路为：第二物光束依次经过所述第一反射镜(4)反射、所述第一透镜(5)透射、所述第一非偏振分束立方体(6)透射和所述第一物镜(7)后照射到样品(8)表面，并穿过样品(8)由第二物镜(17)接收，然后经第二非偏振分束立方体(18)反射和第五透镜(19)准直后，入射到第二相机(20)，被所述第二相机(20)接收。
6.如权利要求5所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，第二物光束在入射到所述第二相机(20)之前还经过第二滤波片(23)滤波，所述第二滤波片(23)用于过滤不同波长的光束且只透射所述第二光束(1b)。
7.如权利要求6所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第二参考光光路为：第二参考光束经过二分之一波片(9)调整偏振方向至垂直偏振态后经所述二向色镜(10)透射，然后经第二反射镜(15)反射、第四透镜(16)聚焦、第二非偏振分束立方体(18)透射和第五透镜(19)准直后经所述第二滤波片(23)滤波，入射到所述第二相机(20)，与第二物光束产生干涉，干涉信息被所述第二相机(20)接收后经所述计算机(21)处理运算后形成样品(8)的厚度三维信息。
8.如权利要求1所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第一光束(1a)和所述第二光束(1b)使用激光(111)与扩束镜产生，所述扩束镜包含第六透镜(112)、第七透镜(113)和针孔(114)。
9.如权利要求1所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述第一光束(1a)和所述第二光束(1b)使用光纤耦合激光器(221)与准直透镜(222)产生。
10.如权利要求1所述的透射反射式数字全息显微***，其特征在于，所述样品(8)包括半导体、微光学器件、生物样品或mini/micro LED。
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