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制造方法及图纸

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。

An optical fiber splitter device for digital holographic imaging and interference measurement and an optical system including the optical fiber splitter device

An optical fiber splitter device comprising at least two fibers of different lengths is disclosed for partially or completely compensating the optical path difference between the waveforms that interfere to produce holograms or interferograms. Various embodiments of the optical fiber splitter device are described in a holographic and interferometric imaging device for microscopic and larger samples.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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专利技术的领域本专利技术涉及全息和干涉成像领域。
技术介绍
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“Modulardigitalholographicmicroscopysystemformarkerfreequantitativephasecontrastimagingoflivingcells”(ProceedingsofSPIEVol.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。QuWeijuan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，“Microlenscharacterizationbydigitalholographicmicroscopywithphysicalsphericalphasecompensation”(AppliedOptics,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。本专利技术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，本专利技术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，使用根据本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术解决了上述不便之处。本专利技术涉及根据权利要求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。本专利技术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。(ii)当参考波和目标波重新组合以干涉创建全息图或干涉图时，优化参考波和目标波之间的波前匹配。这使得能够记录具有干涉条纹的全息图或干涉图，其在评估平坦表面时尽可能接近直条纹图案的理想情况。在下文中，该要求有时被称为波前匹配条件。(iii)应用程序施加的设计约束，例如大样品量或多个光源使用，以及人体工程学或集成要求，例如紧凑性或外部访问，或适应现有仪器。总之，光纤长度差是固定的，以便为创建全息图或干涉图定义最佳干涉条件，并且确保结合本专利技术装置的仪器的最佳使用。根据本专利技术的光纤分路器装置可以在透射和反射配置中结合到用于全息或干涉成像的各种设置中，以分别研究透明或反射样品。本专利技术更关注于设计专用于大表面检查的全息或干涉仪器，或者更一般地，当传感器和样品之间需要长距离时，因为与通常的自由空间实现相比，使用光纤传送的参考波可以以更紧凑和最简单的方式满足OPL匹配的条件。但是，几乎所有形式的干涉或全息设置都可以受益于使用根据本专利技术的设备。作为适于有利地使用根据本专利技术的光纤分路器装置的装置的示例，我们可以引用：无透镜全息设置、数字全息显微镜、干涉显微镜、白光干涉仪、垂直扫描干涉仪、干涉光学表面轮廓仪、干涉仪、相移干涉仪。同样，使用根据本专利技术的光纤分路器装置可以产生利用干涉过程进行三维层析成像的光学仪器。使用根据本专利技术的装置的全息或干涉装置的实现包括光被光纤引导的部分和光在自由空间中在目标和参考臂中传播的其它部分。在本专利技术的优选实施例中，确定光纤长度差，以便通过光纤引导的光程差来补偿自由空间光程差。换句话说，自由空间光程差和光纤引导光程差具有相同的绝对值，但符号相反。不同的光纤长度补偿在例如光学装置中的自由空间中传播期间在目标电磁波和参考电磁波之间形成的光程差。使用根据本专利技术的光纤分路器装置的仪器的设计将优选地最大化光纤引导部分，因为光纤引导的光对环境扰动不太敏感，在对准稳定性方面对振动更加稳健(robust)，并且与其等效的自由空间实现相比，在生产方面进行了简化，其必须将棱镜和/或立方体和/或镜子和/或透镜组合在可调节的支架中，以在相同的位置提供光。结果，改进的鲁棒性(robustness)和简化是本专利技术的第一明显优点，由于光纤传输提供的灵活性以及有源或无源光纤耦合或光纤集成元件更容易集成，这在仪器设计中带来了更多自由度。此外，使用光纤传输光在全息和干涉测量中是有吸引力的，因为从光导出射的波前具有高质量和低像差水平，特别是对于单模和保偏光纤。本专利技术的上述和其他目的、特征和优点以及它们的实现方式将变得更加明显，并且参考示出本专利技术的一些优选实施例的附图，从以下描述的研究中将最好地理解本专利技术本身。附图说明图1描绘了使用根据本专利技术的光纤分路器装置的无透镜数字全息成像的示例性光学设计或系统。图2描绘了根据本专利技术的用于具有大视场的大样品的全息或干涉成像的光纤分路器装置的示例性实施方式。图3描绘了根据本专利技术的用于具有高分辨率的样品的全息或干涉透射显微镜的光纤分路器装置的示例性实施方式。图4描绘了根据本专利技术的两个光纤分路器装置的示例性实施例，用于透射和反射中的全息或干涉显微镜。图5描绘了根据本专利技术的用于具有两个光源的全息或干涉反射显微镜的光纤分路器装置的示例性实施方式。图6描绘了根据本专利技术的用于具有至少两个光源的全息或干涉反射显微镜的两个光纤分路器装置的示例性实施方式。图7描绘了图3的实施方式的示例性修改，以使得利用根据本专利技术的光纤分路器装置的装置适于通过收集跨样品体积的若干角度投影进行层析成像。这里，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光学系统包括：‑至少一个光纤分路器装置(FSD)，包括用于将电磁波传播到第一输出光纤端(E3)的第一光纤(3)和用于将电磁波传播到第二输出光纤端(E4)的第二光纤(4)；‑光学装置(OS)，被配置为在(i)由第一光纤输出端(E3)发射的电磁波与样品(5)的相互作用产生的至少一个目标电磁波(6)，和(ii)由第二光纤输出端(E4)提供的至少一个参考电磁波(7)之间产生光学干涉；其中第一光纤(3)和第二光纤(4)具有不同的光纤长度；或者是相同光纤长度，而其中第一光纤(3)包括具有与第二光纤(4)的光传播材料不同折射率的光传播材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.光学系统包括：-至少一个光纤分路器装置(FSD)，包括用于将电磁波传播到第一输出光纤端(E3)的第一光纤(3)和用于将电磁波传播到第二输出光纤端(E4)的第二光纤(4)；-光学装置(OS)，被配置为在(i)由第一光纤输出端(E3)发射的电磁波与样品(5)的相互作用产生的至少一个目标电磁波(6)，和(ii)由第二光纤输出端(E4)提供的至少一个参考电磁波(7)之间产生光学干涉；其中第一光纤(3)和第二光纤(4)具有不同的光纤长度；或者是相同光纤长度，而其中第一光纤(3)包括具有与第二光纤(4)的光传播材料不同折射率的光传播材料。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光纤分路器装置(FSD)的第一光纤(3)和第二光纤(4)具有光纤长度差，所述光纤长度差定义为从所述光纤分路器装置(FSD)的光纤分路器(FS)出去的第一(3)和第二(4)光纤之间的长度差，并且其中定义所述光纤长度差以便实现最佳干涉条件。3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述最佳干涉条件是指所述光纤长度差是固定的，以便为参考波(7)和目标波(6)的干涉定义相同的光路长度。4.根据权利要求2或3所述的光学系统，其特征在于，所述最佳干涉条件是指所述光纤长度差是为了满足参考波(7)和目标波(6)之间发生干涉的波前匹配条件而定义的。5.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中系统是全息或干涉成像系统。6.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中：-所述至少一个光纤分路器装置(FSD)被配置为将来自光源的光分配到第一目标光纤(3)和第二参考光纤(4)；该系统包括：-图像传感器(9)，用于记录由至少一个目标波(6)和至少一个参考波(7)之间的干涉产生的全息图或干涉图案或干涉图，其中，光纤长度差表征至少一个参考光纤(4)和至少一个目标光纤(3)之间的长度差。7.根据任一前述权利要求所述的光学系统，还包括：-用于反射或透射由至少一个目标光纤(3)传递的光以产生至少一个目标波(6)的样品，和-由至少一个参考光纤(4)传递的光产生的至少一个参考波。8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述至少一个目标波(6)由位于所述图像传感器(9)和所述至少一个目标光纤(3)的端部(E3)之间的第一光学系统产生，其中所述第一光学系统配置成产生所述样品(5)的图像，所述图像是所述样品(5)的放大图像，或所述样品(5)的缩小尺寸图像，所述图像被聚焦或不聚焦在所述图像传感器(9)上。9.根据权利要求6至8中任一项所述的光学系统，所述至少一个参考波由位于所述图像传感器(9)和所述至少一个参考光纤(4)的端部(E4)之间的第二光学系统产生，并且其中所述第二光学系统定义离轴或线内干涉条件，意味着所述至少一个参考波(7)相对于所述至少一个目标波(6)以一角度或平行传播。10.根据权利要求6至9中任一项所述的光学系统，包括至少两个光源，所述至少两个光源耦合到至少两个不同的光纤分路器装置，或者耦合到包括多个进入光纤(0)的相同光纤分路器装置。11.根据权利要求6至10中任一项所述的光学系统，包括至少两个彼此级联的光纤分路器装置，这意味着至少一个光纤分路器装置将从另一个光纤分路器装置出来的至少一个光纤分开。12.根据权利要求6至11中任一项所述的光学系统，包括至少一个光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·库什，伊夫·埃默里，
申请(专利权)人：林瑟科技公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH