可切换成像测量系统及光学设备的制作方法

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1.本实用新型涉及成像和光学测量技术领域，特别涉及一种包括光学透镜的可切换成像测量系统及包含该系统的光学设备。

背景技术：

2.随着科学研究的发展和光子产业的升级，对于能够在介观尺度精细表征材料光学特性，并且能够实时瞬态获取全部模式信息的强烈需求将促进相关检测技术的进步，在各种检测技术中，对材料的光学响应的检测能够很好的表征材料特性。但现有的动量空间和实空间成像的检测技术还不够成熟。现有技术的实空间和动量空间的成像测量技术中，使用物镜作为傅里叶变换元件在物镜后焦平面形成动量空间成像，对实空间或动量空间一次或多次成像后进行信号收集，但没有进行调制，或者调制与信号收集位于同一位置。另外，如何提供成像测量系统以兼容多种空间调制/信号收集工作模式是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种可切换成像测量系统，包括：一载物台、一物镜、一切换装置、一第一凸透镜、一调制模块、一第一透镜组和一收集装置，载物台、物镜、切换装置、第一凸透镜、调制模块、第一透镜组和收集装置位于同一光路中并沿着光的传播方向上依次设置；
4.载物台用于承载一待测样品，样品具有一样品面；
5.物镜用于接收来自待测样品的信号光，物镜具有一物镜后焦平面；
6.切换装置上设置有一第四凸透镜，其能够将第四凸透镜移入或移出光路；当第四凸透镜被移出光路时，第一凸透镜在第一凸透镜的后焦平面处将样品面成像于一第一实空间成像面，第一透镜组将第一实空间成像面成像于一第二实空间成像面；当第四凸透镜被移入光路时，物镜后焦平面位于第四凸透镜的前焦平面，第四凸透镜和第一凸透镜形成一第二透镜组在第一凸透镜的后焦平面处将物镜后焦平面成像于一第一动量空间成像面，第一透镜组将第一动量空间成像面成像于一第二动量空间成像面；第二实空间成像面和第二动量空间成像面均位于第一位置处；
7.调制模块设置于第一凸透镜的后焦平面处，并对待测量的区域进行调制；
8.收集装置设置于第一位置处。
9.可选的，第一透镜组包括一第二凸透镜和一第三凸透镜，第三凸透镜位于第二凸透镜和收集装置之间，第一凸透镜的后焦平面位于第二凸透镜的前焦平面，第三凸透镜的后焦平面位于第一位置处。
10.可选的，第一凸透镜的焦距为f1，第二凸透镜的焦距为f2，第三凸透镜的焦距为f3，f3=f2=f1。
11.可选的，调制模块为光阑或slm。
12.可选的，调制模块包括一个或二个以上调制单元。
13.可选的，调制单元为小孔或slm。
14.可选的，调制模块包括二个以上调制单元；可切换成像测量系统还包括一可移动平台，调制模块设置于可移动平台，用于切换不同的调制单元。
15.可选的，可切换成像测量系统还包括一控制模块，切换装置包括一驱动模块和一安装台，第四凸透镜固定于安装台，控制模块向驱动模块发出控制信号以驱动安装台移动，将第四凸透镜移入或移出光路。
16.可选的，可切换成像测量系统中的所有透镜均为消差透镜。
17.本实用新型还提供了一种光学设备，包括上述的可切换成像测量系统。
18.本实用新型提供的可切换成像测量系统能够在第一工作模式（实空间调制、实空间收集）和第二工作模式（动量空间调制，动量空间收集）之间进行切换；并且对于具有波长单一且固定的光的光路，在切换的过程中，调制模块和收集装置的位置保持不变。
附图说明
19.图1为本实用新型提供的一种可切换成像测量系统的结构示意图；
20.图2为本实用新型提供的可切换成像测量系统处于第一工作模式的光路示意图；
21.图3为本实用新型提供的可切换成像测量系统处于第二工作模式的光路示意图；
22.图4为本实用新型提供的切换装置和控制模块的一种连接结构示意图。
23.附图标记说明：
24.1：载物台，2：物镜，3：切换装置，31：第四凸透镜，4：第一凸透镜，41：第一凸透镜的后焦平面，5：调制模块，6：第一透镜组，61：第二凸透镜，62：第三凸透镜，7：收集装置，33：安装台，32：驱动模块，8：控制模块，s1：样品面，s2：物镜后焦平面，s3：第一实空间成像面，s4：第一动量空间成像面，s5：第二实空间成像面，s6：第二动量空间成像面，lp：光路，p：第一位置，r：光的传播方向，v：垂直于光路的方向。
具体实施方式
25.图1为本实用新型提供的可切换成像测量系统的结构示意图。图2为本实用新型提供的可切换成像测量系统处于第一工作模式的一种光路示意图。图3为本实用新型提供的可切换成像测量系统处于第二工作模式的光路示意图。结合图1、2和3，本实用新型提供的可切换成像测量系统，包括：一载物台1、一物镜2、一切换装置3、一第一凸透镜4、一调制模块5、一第一透镜组6和一收集装置7，载物台1、物镜2、切换装置3、第一凸透镜4、调制模块5、第一透镜组6和收集装置7位于同一光路lp中并沿着光的传播方向r上依次设置；
26.载物台2用于承载一待测样品（图中未画出），样品具有一样品面s1；
27.物镜2用于接收来自待测样品的信号光，物镜2具有一物镜后焦平面s2；
28.切换装置3上设置有一第四凸透镜31，其能够将第四凸透镜31移入或移出光路lp；当第四凸透镜31被移出光路lp时，第一凸透镜4在第一凸透镜4的后焦平面51处将样品面s1成像于一第一实空间成像面s3，第一透镜组6将第一实空间成像面s3成像于一第二实空间成像面s5；当第四凸透镜31被移入光路lp时，物镜后焦平面s2位于第四凸透镜31的前焦平面，第四凸透镜31和第一凸透镜4形成一第二透镜组（图中未标识）在第一凸透镜4的后焦平面41处将物镜后焦平面s2成像于一第一动量空间成像面s4，第一透镜组6将第一动量空间
成像面s4成像于一第二动量空间成像面s6；第二实空间成像面s5和第二动量空间成像面s6均位于第一位置p处；
29.调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面41处，并对待测量的区域进行调制；
30.收集装置7设置于第一位置p处。
31.具体的，载物台1上样品的样品面s1设置于物镜2的前焦平面，样品发出的光被物镜2收集后，依次经过第四凸透镜31（第四凸透镜31被移入光路lp时）、第一凸透镜4、调制模块5、第一透镜组6后被收集装置7收集。物镜2能够将样品发出的光的实空间信息进行傅里叶变换，在物镜后焦平面s2处获得样品发出的光的动量空间信息。物镜2还能够对样品面s1的图像进行放大。通常，物镜2的放大倍数可以为10倍或20倍或40倍等。
32.第四凸透镜31被移出光路lp时，第一凸透镜组4与物镜2一起将样品面s1成像于第一实空间成像面s3，即第一次实空间成像。根据成像原理，第一实空间成像面s3位于第一凸透镜4的后焦平面41处。
33.第四凸透镜31被移入光路lp时，第四凸透镜31和第一凸透镜4构成的第二透镜组将物镜后焦平面s2成像于第一动量空间成像面s4，即第一次动量空间成像。物镜后焦平面s2位于第四凸透镜31的前焦平面处，光经过第四凸透镜31为平行光，该平行光被第一凸透镜4汇聚并在第一凸透镜4的后焦平面41处成像，即第一动量空间成像面s4。这样，第一次实空间成像和第一次动量空间成像均在第一凸透镜组4后完成并位于同一位置（即第一凸透镜4的后焦平面41处）。第一透镜组6将第一实空间成像面s3成像于一第二实空间成像面s5，并且将第一动量空间成像面s4成像于一第二动量空间成像面s6。由于第一实空间成像面s3与第一动量空间成像面s4位于同一处（即第一凸透镜4的后焦平面41处），因此在切换装置3将第四凸透镜31移入或移出光路lp的过程中，第二实空间成像面s5和第二动量空间成像面s6也均位于同一处（即第一位置处）。
34.在一个示意性的实施方式中，第一透镜组6由一个或两个以上透镜构成，例如1个、2个、3个或4个等。其中的透镜可以是凸透镜，也可以是凹透镜。可选的，第一透镜组6中所有透镜具有同一光轴。在一个示意性的实施方式中，第一透镜组6包括一第二凸透镜61和一第三凸透镜62，第三凸透镜62位于第二凸透镜61和收集装置7之间，第一凸透镜4的后焦平面41位于第二凸透镜61的前焦平面，第三凸透镜62的后焦平面位于第一位置p处。如前文描述，第一实空间成像面s3与第一动量空间成像面s4均位于第一凸透镜4的后焦平面41处，而第一凸透镜4的后焦平面41位于第二凸透镜61的前焦平面，这样第一实空间成像面s3与第一动量空间成像面s4均位于第二凸透镜61的前焦平面。来自第二凸透镜61的前焦平面的光经过第二凸透镜61后形成平行光，该平行光被第三透镜62汇聚成像（即第二实空间成像面s5和第二动量空间成像面s6），该成像位于第三凸透镜62的后焦平面。也就是说，第一位置p位于第三凸透镜62的后焦平面处。这样，第二透镜61和第三凸透镜62之间的距离为任意长度，可以适应不同光路长度要求的场景。
35.在图1-3所示的实施方式中，调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面41处，并对待测量的区域进行调制。当第四凸透镜31被移出光路lp时，如图2所示，第一实空间成像面s3位于第一凸透镜4的后焦平面41处。此时调制模块5位于第一实空间成像面s3处并对样品面s1中待测量的区域进行调制。调制模块5实现对第一次实空间成像进行调制，选择所要观察或测量或分析的区域。当第四凸透镜31被移入光路lp时，如图3所示，第一动量空间成像
面s4位于第一凸透镜4的后焦平面41处，此时调制模块5设置于第一动量空间成像面s4处，并对物镜后焦平面s2中待测量的区域进行调制。调制模块5实现对第一次动量空间成像进行调制，选择所要观察或测量或分析的区域。
36.在一个示意性的实施方式中，对于具有单一固定波长的光的光路，第一凸透镜4的焦距固定，第一凸透镜4的位置以及第一凸透镜4的后焦平面41的位置固定，第一实空间成像面s3和第一动量空间成像面s4位置固定，调制模块5在光路中的位置固定。此时，调制模块5只能实现对第一次实空间成像和第一次动量空间成像其中之一进行调制，选择所要观察或测量或分析的区域。在另一个示意性的实施方式中，对于波长变化或具有一定波段范围的光的光路，调制模块5能够沿着光路lp的方向移动，以适应第一凸透镜4的焦距对应不同波长的光而发生的改变。
37.收集装置7设置于第一位置p处，对于具有单一固定波长的光的光路，第一透镜组6对第一实空间成像面s3和第二实空间成像面s4分别进行成像得到的第二实空间成像面s5和第二动量空间成像面s6所处的第一位置p固定不变。这样收集装置7的位置也保持固定不变。
38.在图1-3所示的实施方式中，切换装置3能够沿着垂直于光路的方向v运动，以将第四凸透镜31移入或移出光路lp。在另一个示意性的实施方式中，切换装置3能够沿着其他方向运动。但不管沿着什么方向运动，对于具有单一固定波长的光的光路，第四凸透镜31被移入光路lp中后位置均固定不变。收集装置7的有效的信号收集面设置于第一位置p处并接收来自第三透镜组6的光。这样，通过切换装置3的切换操作，能够实现对第一工作模式（实空间调制、实空间信号收集）与第二工作模式（动量空间调制、动量空间信号收集）的两种不同工作模式的切换。在切换的过程中，第二实空间成像面s5与第二动量空间成像面s6均位于同一位置处，收集装置7的位置固定不变。也即是说，对于光路中单一固定波长的光，光的传播路径上的载物台 1、物镜2、切换装置3、第一凸透镜4、调制模块5、切换装置5、第一透镜组6和收集装置7彼此距离固定，简化了系统的结构，提高了稳定性。
39.图1-3所示的光路为直线状；在其他实施方式中，光路可以为折线状。
40.具体结合图2，本实用新型提供可切换成像测量系统在第一工作模式时包括：载物台1、物镜2、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜62和收集装置7。对于具有波长单一且固定的光的光路，载物台1、物镜2、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜62和收集装置7位于同一光路lp中并沿着光的传播方向r上依次设置且彼此相对距离固定，这里的相对距离是指沿着光的传播方向r的传播距离。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块和收集装置位置固定不动，能够简化系统结构，保持光路稳定。载物台1用于承载一待测样品，样品具有样品面s1，该样品面s1设置于物镜2前焦平面；物镜2用于接收来自待测样品的信号光，物镜2具有物镜后焦平面s2；第一凸透镜4用于接收来自物镜的光，将样品面s1成像于第一实空间成像面s3，第一实空间成像面s3位于第一凸透镜4的后焦平面41处。
41.调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面，即第一实空间成像面s3处，对于具有波长单一固定的光的光路，设置于该位置可以保持调制模块5的位置不变，并对样品面s1中要测量的区域进行调制。
42.第一实空间成像面s3位于第二凸透镜61的前焦平面处；第二凸透镜61和第三凸透
镜62构成的第一透镜组6将第一实空间成像面s3成像于第二实空间成像面s5，第二实空间成像面s5位于第三凸透镜62的后焦平面处。具体地，载物台1上的样品受到激发，样品面s1发出的信号光经过物镜2变为平行光，该平行光经过第一凸透镜4，汇聚得到第一实空间成像面s3，经过第二凸透镜61变为平行光，再经过第三凸透镜62得到第二实空间成像面s5。将调制模块5放置于第一实空间成像面s3处，能够对实空间信息进行调制，选择样品面s1中待测量或待分析的区域；将收集装置7放置于第二实空间成像面s5处，对第二实空间成像面s5的实空间信息进行收集分析，从而达到实空间调制、实空间收集的效果。
43.具体结合图3，本实用新型提供可切换成像测量系统在第二工作模式时包括：载物台1、物镜2、第四凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜62和收集装置7。对于具有波长单一且固定的光的光路，载物台1、物镜2、第四凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜62和收集装置7位于同一光路lp中并沿着光的传播方向r上依次设置且彼此相对距离固定，这里的相对距离是指沿着光的传播方向r的传播距离。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块和收集装置位置固定不动，能够简化系统结构，保持光路稳定。
44.载物台1用于承载一待测样品，样品具有样品面s1；物镜2可以视为傅里叶变换元件，样品发出的光的实空间信息通过物镜2将进行傅里叶变换，得到动量空间信息，承载动量空间信息的平面为物镜后焦平面s2。第二透镜组由第一凸透镜4和第四凸透镜31构成，第四凸透镜31位于物镜2和第一凸透镜4之间，物镜后焦平面s2位于第四凸透镜31的前焦平面处，第一动量空间成像面s4位于第一凸透镜4的后焦平面41处，第一透镜组6由第二凸透镜61和第三凸透镜62构成，第一动量空间成像面s4位于第二凸透镜4-2的前焦平面处；第二动量空间成像s6面位于第三凸透镜62的后焦平面处。第二凸透镜61位于第一凸透镜4和第三凸透镜62之间。物镜后焦平面s2位于第四凸透镜31的前焦平面处，使得来自物镜后焦平面s2的光线经过第四凸透镜31后为平行光，该平行光经过第一凸透镜4后在第一凸透镜4的后焦平面41处汇聚成像，即第一动量空间成像面s4。第一凸透镜4和第四凸透镜31具有同一光轴。这样，第一凸透镜4和第四凸透镜31之间的距离为任意长度，可以适应不同光路长度要求的场景，同时第一动量空间成像面s4固定位于第一凸透镜4的后焦平面41。
45.调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面，即第一动量空间成像面s4处，对于具有波长单一固定的光的光路，设置于该位置可以保持调制模块5的位置不变，并对物镜后焦平面s2中要测量的区域进行调制。
46.第一动量空间成像面s4位于第二凸透镜61的前焦平面处，使得光线经过第二凸透镜61后为平行光，该平行光经过第三凸透镜62后在第三凸透镜62的后焦平面处汇聚成像，即第二动量空间成像面s6。第二凸透镜61和第三凸透镜62具有同一光轴。这样，第二凸透镜61与第三凸透镜62之间的距离为任意长度，可以适应不同光路长度要求的场景。具体地，载物台1上的样品（图中未画出）受到激发，样品面s1发出的信号光经过物镜2将样品面s1的动量空间信息成像在物镜2的后焦平面s2上，经过第四凸透镜31得到平行光，然后经过第一凸透镜4得到第一动量空间成像面s4。第一动量空间成像面s4位于第二凸透镜61的前焦平面上使得经过第二凸透镜61后的光为平行光，该平行光经过第三凸透镜62后得到第二动量空间成像面s6。将调制模块5放置于第一动量空间成像面s4处，可以对动量空间信息进行调制，选择物镜后焦平面s2中待测量或待分析的区域；将收集装置7放置于第二动量空间成像
面s6处，对第二动量空间成像面s6的动量空间信息进行收集分析，从而达到动量空间调制、动量空间收集的效果。
47.图4为切换装置和控制模块的一种连接结构示意图。结合图1-4可以看出，可切换成像测量系统还包括一控制模块8，切换装置3包括一驱动模块32和一安装台33，第四凸透镜31固定于安装台33，控制模块8向驱动模块32发出控制信号以驱动安装台33移动，将第四凸透镜31移入或移出光路。在一个示意性的实施方式中，平移台33沿着垂直于光路lp的方向v移动。在另一个示意性的实施方式中，平移台33沿着倾斜于光路lp的方向移动。平移台33可以沿着水平方向移动，亦可以沿着竖直方向或其他方向移动。
48.在一个示意性的实施方式中，第一凸透镜4的焦距为f1，第二凸透镜61的焦距为f2，第三凸透镜62的焦距为f3，f3=f2=f1。
49.在一个示意性的实施方式中，上述的调制模块5为光阑或slm（spatial light modulator，空间光调制器）。
50.在一个示意性的实施方式中，调制模块5包括一个或二个以上调制单元（未画图），可选的，该调制单元为小孔或slm。当调制模块5包括二个以上调制单元时，可切换成像测量系统还包括一可移动平台（未画图），调制模块5设置于可移动平台，用于切换不同的调制单元。
51.在一个示意性的实施方式中，上述各实施例中的透镜为消差透镜。这样即使光路中的光的波长有一定范围的变化或包含一个波段的光，消差透镜的焦距不变。
52.本实用新型还提供了一种光学设备，包括上述的可切换成像测量系统。
53.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：

1.可切换成像测量系统，其特征在于，包括：一载物台、一物镜、一切换装置、一第一凸透镜、一调制模块、一第一透镜组和一收集装置，所述载物台、所述物镜、所述切换装置、所述第一凸透镜、所述调制模块、所述第一透镜组和所述收集装置位于同一光路中并沿着光的传播方向上依次设置；所述载物台用于承载一待测样品，所述样品具有一样品面；所述物镜用于接收来自所述待测样品的信号光，所述物镜具有一物镜后焦平面；所述切换装置上设置有一第四凸透镜，其能够将所述第四凸透镜移入或移出所述光路；当所述第四凸透镜被移出所述光路时，所述第一凸透镜在所述第一凸透镜的后焦平面处将所述样品面成像于一第一实空间成像面，所述第一透镜组将所述第一实空间成像面成像于一第二实空间成像面；当所述第四凸透镜被移入所述光路时，所述物镜后焦平面位于所述第四凸透镜的前焦平面，所述第四凸透镜和所述第一凸透镜形成一第二透镜组在所述第一凸透镜的后焦平面处将所述物镜后焦平面成像于一第一动量空间成像面，所述第一透镜组将所述第一动量空间成像面成像于一第二动量空间成像面；所述第二实空间成像面和所述第二动量空间成像面均位于第一位置处；所述调制模块设置于所述第一凸透镜的后焦平面处，并对待测量的区域进行调制；所述收集装置设置于所述第一位置处。2.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述第一透镜组包括一第二凸透镜和一第三凸透镜，所述第三凸透镜位于所述第二凸透镜和所述收集装置之间，所述第一凸透镜的后焦平面位于所述第二凸透镜的前焦平面，所述第三凸透镜的后焦平面位于所述第一位置处。3.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，第一凸透镜的焦距为f1，第二凸透镜的焦距为f2，第三凸透镜的焦距为f3，f3＝f2＝f1。4.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述调制模块为光阑或slm。5.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述调制模块包括一个或二个以上调制单元。6.根据权利要求5所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述调制单元为小孔或slm。7.根据权利要求5所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述调制模块包括二个以上调制单元；所述可切换成像测量系统还包括一可移动平台，所述调制模块设置于所述可移动平台，用于切换不同的所述调制单元。8.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述可切换成像测量系统还包括一控制模块，所述切换装置包括一驱动模块和一安装台，所述第四凸透镜固定于所述安装台，所述控制模块向所述驱动模块发出控制信号以驱动所述安装台移动，将所述第四凸透镜移入或移出所述光路。9.根据权利要求1所述的可切换成像测量系统，其特征在于，所述可切换成像测量系统中的所有透镜均为消差透镜。10.光学设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的可切换成像测量系统。

技术总结

本实用新型提供了一种可切换成像测量系统和光学设备，该可切换成像测量系统包括：一载物台、一物镜、一切换装置、一第一凸透镜、一调制模块、一第一透镜组和一收集装置，载物台、物镜、切换装置、第一凸透镜、调制模块、第一透镜组和收集装置位于同一光路中并沿着光的传播方向上依次设置；该系统能够在第一工作模式(实空间调制、实空间收集)和第二工作模式(动量空间调制，动量空间收集)之间进行切换；并且对于具有波长单一且固定的光的光路，在切换的过程中，调制模块和收集装置的位置保持不变。调制模块和收集装置的位置保持不变。调制模块和收集装置的位置保持不变。