專利名稱：基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置及共焦軸向掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種共焦顯微鏡及其掃描方法。
背景技術(shù)：
自二十世紀八十年代以來，微電子技術(shù)、生物工程、微光學(xué)和微光機電系統(tǒng)技術(shù)已進入了一個飛速發(fā)展的階段，在微尺度領(lǐng)域中人們更加重視對三維狀態(tài)的定量分析，三維快速超精密測量已經(jīng)成為現(xiàn)代測試技術(shù)和儀器研究中的重要課題。而共焦測量方法因其高精度、高分辨力、非接觸和易于實現(xiàn)三維成像數(shù)字化的獨特優(yōu)勢而成為三維微結(jié)構(gòu)測量的一個重要研究方向。采用共焦測量方法實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)測量的一種方法是使被測物體相對于焦點位置軸向移動，在探測器表面形成離焦信號，根據(jù)探測器所探測到的光強來實現(xiàn)對被測物體三維微結(jié)構(gòu)的測量。典型的測量裝置如下哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動化測試與控制系的王富生博士在其博士論文《基于差動共焦顯微探測技術(shù)的三維測量系統(tǒng)研究》中提出了一種可以實現(xiàn)軸向掃描的共焦裝置，該裝置的構(gòu)成是包括激光器、會聚透鏡、針孔3、擴束器、偏振分光鏡、λ /4波片、物鏡、被測物體， 還包括聚光鏡、分光鏡、針孔1、光電探測器1、針孔2、光電探測器2。激光器發(fā)射的平行光束經(jīng)匯聚透鏡成像到針孔3位置處形成點光源，點光源發(fā)射的光束經(jīng)擴束器平行入射到偏振分光鏡上，透射過偏振分光鏡的光束經(jīng)過λ /4波片后由物鏡成像到被測物體表面并沿原路反射，再次經(jīng)過λ /4波片后被偏振分光鏡反射到聚光鏡形成匯聚光束，匯聚光束被分光鏡分成兩路差動信號，分別穿過焦前和焦后的兩個針孔后被光電探測器探測形成差動共焦系統(tǒng)。該裝置通過Z向驅(qū)動單元承載物鏡沿光軸方向前后移動實現(xiàn)軸向掃描。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動化測試與控制系的黃向東博士在其博士論文《陣列式空間超分辨共焦顯微掃描探測技術(shù)與理論研究》中介紹了反射式激光掃描共焦顯微鏡的工作原理，該裝置的構(gòu)成是包括激光器、針孔1、分光鏡、物鏡、被測物體，還包括針孔2、探測器。 激光器發(fā)射的光束經(jīng)過針孔1形成點光源，點光源發(fā)射的光束經(jīng)物鏡成像到被測物體表面并沿原路反射，反射光線再次經(jīng)過物鏡后又被分光鏡反射到針孔3位置處。該裝置通過調(diào)整被測物體的軸向位置來實現(xiàn)系統(tǒng)對被測物體的軸向掃描。這兩篇博士論文均提出了一種可以實現(xiàn)軸向掃描的共焦顯微技術(shù)和掃描方法，他們共有的特點是被測物體離焦是通過物鏡或被測物體沿軸向方向移動實現(xiàn)的，這種方法就要求測量裝置包含軸向掃描機構(gòu)。具有軸向掃描機構(gòu)裝置的第一個缺點是裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 實現(xiàn)精密測量需要配合運動機構(gòu)、控制機構(gòu)、以及反饋環(huán)節(jié)；第二個缺點是如果軸向移動的是被測樣品，且該樣品在移動過程中會不斷發(fā)生形變，如細胞，不僅降低這種樣品的測量精度，而且測量重復(fù)性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有軸向掃描裝置及方法因被測物體離焦是通過物鏡或被測物體沿軸向方向移動而實現(xiàn)的，從而導(dǎo)致裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樣品的測量重復(fù)性差的問題，提供一種基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置及共焦軸向掃描方法?；诜瓷涫揭壕Э臻g光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置，它包括激光器、會聚透鏡、第一針孔、照明物鏡、光闌、偏振分光鏡、λ/4波片、反射式液晶空間光調(diào)制器、被測物、測量物鏡、分光鏡、收集物鏡、第二針孔和光強探測器，激光器發(fā)射的平行光束通過會聚透鏡成像到第一針孔處，通過第一針孔的光束通過照明物鏡準直后平行入射到偏振分光鏡，偏振分光鏡把入射光分為反射光和透射光，所述反射光是S光，所述透射光是P光，透射光通過 λ /4波片后到達反射式液晶空間光調(diào)制器，反射式液晶空間光調(diào)制器把到達光全反射，獲得的全反射光按原光路返回入射至偏振分光鏡，經(jīng)該偏振分光鏡反射的反射光入射至分光鏡，經(jīng)該分光鏡反射的反射光入射至測量物鏡，通過該測量物鏡成像到被測物上，經(jīng)被測物反射的反射光沿原光路返回入射至分光鏡，經(jīng)該分光鏡透射的透射光由收集物鏡成像到第二針孔位置處，并通過第二針孔入射到光強探測器的光敏面。基于上述基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置實現(xiàn)共焦軸向掃描方法，它的具體步驟如下步驟一、設(shè)定理論調(diào)焦距離xF = 0，將被測物配置為待掃描物體，把待掃描物體放置到距離測量物鏡為2 位置處；步驟二、保持步驟一所述待掃描物體和測量物鏡的相對位置不動，通過計算機控制反射式液晶空間光調(diào)制器的相位灰度圖變化，使得所述相位灰度圖對應(yīng)的理論調(diào)焦距離 h沿軸向方向從ο μ m到105 μ m以5 μ m的步進，所述相位灰度圖與理論調(diào)焦距離和之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置，其特征是它包括激光器(1)、 會聚透鏡(2)、第一針孔(3)、照明物鏡(4)、光闌(5)、偏振分光鏡(6)、λ/4波片(7)、反射式液晶空間光調(diào)制器(8)、被測物(10)、測量物鏡(11)、分光鏡(1 、收集物鏡(1 、第二針孔(14)和光強探測器(16)，激光器(1)發(fā)射的平行光束通過會聚透鏡( 成像到第一針孔C3)處，通過第一針孔(3)的光束通過照明物鏡(4)準直后平行入射到偏振分光鏡(6)， 偏振分光鏡(6)把入射光分為反射光和透射光，所述反射光是S光，所述透射光是P光，透射光通過λ/4波片(7)后到達反射式液晶空間光調(diào)制器(8)，反射式液晶空間光調(diào)制器 (8)把到達光全反射，獲得的全反射光按原光路返回入射至偏振分光鏡(6)，經(jīng)該偏振分光鏡(6)反射的反射光入射至分光鏡(12)，經(jīng)該分光鏡(12)反射的反射光入射至測量物鏡 (11)，通過該測量物鏡(11)成像到被測物(10)上，經(jīng)被測物(10)反射的反射光沿原光路返回入射至分光鏡(12)，經(jīng)該分光鏡(1 透射的透射光由收集物鏡(1 成像到第二針孔 (14)位置處，并通過第二針孔(14)入射到光強探測器(16)的光敏面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置，其特征在于它還包括位移臺(9)，被測物(10)置于位移臺(9)上，位移臺(9)能夠沿測量物鏡(11) 的光軸方向作一維移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置，其特征在于它還包括三維精密位移臺(15)，光強探測器(16)置于三維精密位移臺(15)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置，其特征在于所述反射式液晶空間光調(diào)制器(8)的有效像素面積為7. 68mmX 7. 68mm，每個像素大小為 15 μ mX 15 μ m。
5.采用權(quán)利要求1所述的基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置實現(xiàn)共焦軸向掃描方法，其特征在于它包括具體步驟如下步驟一、設(shè)定理論調(diào)焦距離XF = 0，將被測物配置為待掃描物體，把待掃描物體放置到距離測量物鏡(11)為位置處；步驟二、保持步驟一所述待掃描物體和測量物鏡(11)的相對位置不動，通過計算機控制反射式液晶空間光調(diào)制器(8)的相位灰度圖變化，使得所述相位灰度圖對應(yīng)的理論調(diào)焦距離&沿軸向方向從0 μ m到105 μ m范圍內(nèi)以5 μ m的步長步進，所述相位灰度圖與理論調(diào)焦距離&之間的關(guān)系為
全文摘要
基于反射式液晶空間光調(diào)制器的共焦軸向掃描裝置及共焦軸向掃描方法，涉及一種共焦顯微鏡及其掃描方法，本發(fā)明解決了現(xiàn)有軸向掃描裝置及方法因被測物體離焦是通過物鏡或被測物體沿軸向方向移動而實現(xiàn)所導(dǎo)致的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樣品的測量重復(fù)性差的問題。本發(fā)明的共焦軸向掃描裝置在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上的偏振分光鏡和物鏡之間增加了反射式液晶空間光調(diào)制器，同時去掉傳統(tǒng)共焦軸向掃描裝置中軸向掃描機構(gòu)，用反射式液晶空間光調(diào)制器取代軸向掃描機構(gòu)。本發(fā)明的共焦軸向掃描方法采用計算機直接調(diào)制相位灰度圖的方式來調(diào)整物鏡之前光波的波前，從而實現(xiàn)變焦，使得測量物鏡和被測物均不需要軸向移動即可實現(xiàn)對被測物的軸向掃描。用于共焦顯微鏡及其掃描。
文檔編號G02F1/13GK102540439SQ20111045335
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者侯斯靚, 譚久彬, 鄒麗敏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)