可切换成像测量系统和光学成像测量装置

技术领域

本发明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和光学成像测量装置。

背景技术

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。

发明内容

本发明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、一第一切换装置、一第一凸透镜、一调制模块、一第二切换装置、一第三凸透镜和一收集装置，载物台、物镜、第一切换装置、第一凸透镜、调制模块、第二切换装置、第三凸透镜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；

载物台用于承载一待测样品，样品具有一样品面；

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；

第一切换装置上设置有一第五凸透镜，第一切换装置能够将第五凸透镜移入或移出光路；物镜后焦平面与第一凸透镜的距离大于第一凸透镜的焦距；当第五凸透镜被移出光路时，第一凸透镜将样品面在第一凸透镜的后焦平面处成像于一第一实空间成像面，并且将物镜后焦平面在一第一位置处成像于一第一动量空间成像面；当第五凸透镜被移入光路时，物镜后焦平面位于第五凸透镜的前焦平面，第五凸透镜和第一凸透镜组成一第一透镜组将样品面在一第二位置处成像于一第二实空间成像面，并且将物镜后焦平面在第一凸透镜的后焦平面处成像于一第二动量空间成像面；

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；

第二切换装置上设置有N个透镜，N为2或3，N个透镜选自一第二凸透镜、一第四透镜和一第六凸透镜构成的组，第二切换装置能够将N个透镜中的任一个切换进光路；当第二凸透镜被移入光路时，第一凸透镜的后焦平面位于第二凸透镜的前焦平面；当第四透镜被移入光路时，第一动量空间成像面位于第四透镜的前焦平面；当第六凸透镜被移入光路时，第二实空间成像面位于第六凸透镜的前焦平面处；

收集装置设置于第三凸透镜的后焦平面处。

可选的， 还包括一控制模块，与第一切换装置和第二切换装置电性连接；控制模块控制第一切换装置和第二切换装置以实现多个工作模式中的一个，多个工作模式选自：

第一工作模式：第五凸透镜被移出光路，第二凸透镜被移入光路；

第二工作模式：第五凸透镜被移出光路，第四透镜被移入光路；

第三工作模式：第五凸透镜被移入光路，第二六凸透镜被移入光路；

第四工作模式：第五凸透镜被移入光路，第二六凸透镜被移入光路。

可选的， N=3，N个透镜包括第二凸透镜、第四透镜和第六凸透镜，控制模块控制第一切换装置和第二切换装置以实现第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式中的一个；或者

N=2，N个透镜包括第二凸透镜和第四透镜，控制模块控制第一切换装置和第二切换装置以实现第一工作模式、第二工作模式和第四工作模式中的一个；或者

N=2，N个透镜包括第二凸透镜和第六凸透镜，控制模块控制第一切换装置和第二切换装置以实现第一工作模式、第三工作模式和第四工作模式中的一个；或者

N=2，N个透镜包括第四透镜和第六凸透镜，控制模块控制第一切换装置和第二切换装置以实现第二工作模式和第三工作模式中的一个。

可选的， 第一凸透镜与物镜后焦平面的距离为L1，第一凸透镜的焦距为f1，L1=2f1。

可选的，第四透镜为第四凹透镜，在第二工作模式中第四凹透镜被移入光路时位于第一凸透镜的后焦平面和第一动量空间成像面之间。

可选的， 第四透镜为第四凸透镜，在第二工作模式中第四凸透镜被移入光路时位于第一动量空间成像面和第三凸透镜之间。

可选的，调制模块包括一个或二个以上调制单元，调制单元为小孔或SLM；当调制模块包括二个以上调制单元时，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。

可选的， 控制模块包括一第一子控制模块和一第二子控制模块；第一切换装置包括一第一驱动模块和一第一安装台，第五凸透镜固定于第一安装台，第一子控制模块向第一驱动模块发出一第一控制信号以驱动第一安装台移动，将第五凸透镜移入或移出光路；第二切换装置包括一第二驱动模块和一第二安装台，N个透镜固定于第二安装台，第二子控制模块向第二驱动模块发出一第二控制信号以驱动第二安装台移动，将N个透镜中的一个切换进光路。

可选的，成像测量系统还包括：一第一子控制模块和一第二子控制模块，第一切换装置包括一第一驱动模块和一第一安装台，第五凸透镜固定于第一安装台，第一子控制模块向第一驱动模块发出一第一控制信号以驱动第一安装台移动，将第五凸透镜移入或移出光路；第二切换装置包括N个第二驱动模块和与N个第二驱动模块一一对应通信连接的N个第二安装台，N个透镜分别固定于N个第二安装台，第二子控制模块向N个第二驱动模块分别发出一第二控制信号以驱动N个第二安装台移动，将N个透镜中的一个切换进光路。

本发明还提供了一种光学成像测量装置，包括上述的可切换成像测量系统。

本发明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）、第二工作模式（实空间调制、动量空间收集）、第三工作模式（动量空间调制、实空间收集）和第四工作模式（动量空间调制、动量空间收集）中的至少两个模式之间进行切换；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

图1为本发明提供的一种可切换成像测量系统的结构示意图；

图2为图1所示可切换成像测量系统处于第一工作模式的光路示意图；

图3为图1所示可切换成像测量系统处于第二工作模式的一种光路示意图；

图4为图1所示可切换成像测量系统处于第二工作模式的另一种光路示意图；

图5为图1所示可切换成像测量系统处于第三工作模式的光路示意图；

图6为图1所示可切换成像测量系统处于第四工作模式的光路示意图；

图7为本发明提供的调制模块的结构示意图；

图8为切换装置和控制模块的一种连接结构示意图；

图9为切换装置和控制模块的另一种连接结构示意图；

图10为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图；

图11为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图；

图12为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图。

附图标记说明：

1：载物台，2：物镜，3：第一切换装置，31：第五凸透镜，4：第一凸透镜，41：第一凸透镜的后焦平面，5：调制模块，6：第二切换装置，61：第二凸透镜，62：第四透镜，621：第四凹透镜，622：第四凸透镜，63：第六凸透镜，7：第三凸透镜，8：收集装置，9：控制模块，91：第一子控制模块，92：第二子控制模块，10：调制单元，301：第一驱动模块，302：第一安装台，601：第二驱动模块，602：第二安装台，SY：样品面，SW：物镜后焦平面，SR1：第一实空间成像面，SR2：第二实空间成像面，SR3：第三实空间成像面，SR4：第四实空间成像面，SK1：第一动量空间成像面，SK2：第二动量空间成像面，SK3：第三动量空间成像面，SK4：第四动量空间成像面，LP：光路，P1：第一位置，P2：第二位置，R：光的传播方向，V：垂直于光路的方向。

具体实施方式

图1为本发明提供的一种可切换成像测量系统的结构示意图。从图1中可以看出，该可切换成像测量系统包括：一载物台1、一物镜2、一第一切换装置3、一第一凸透镜4、一调制模块5、一第二切换装置6、一第三凸透镜7和一收集装置8，载物台1、物镜2、第一切换装置3、第一凸透镜4、调制模块5、第二切换装置6、第三凸透镜7和收集装置8位于同一光路LP中并沿着光的传播方向R上依次设置；

载物台1用于承载一待测样品（图中未画出），样品具有一样品面SY；

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SW；

第一切换装置3上设置有一第五凸透镜31，第一切换装置3能够将第五凸透镜31移入或移出光路LP；物镜后焦平面SW与第一凸透镜4的距离L1大于第一凸透镜4的焦距f1；当第五凸透镜31被移出光路LP时，第一凸透镜4将样品面SY在第一凸透镜4的后焦平面41处成像于一第一实空间成像面SR1，并且将物镜后焦平面SW在一第一位置P1处成像于一第一动量空间成像面SK1；当第五凸透镜31被移入光路LP时，物镜后焦平面SW位于第五凸透镜31的前焦平面，第五凸透镜31和第一凸透镜4组成一第一透镜组将样品面SY在一第二位置P2处成像于一第二实空间成像面SR2，并且将物镜后焦平面SW在第一凸透镜4的后焦平面41处成像于一第二动量空间成像面SK2；

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；

第二切换装置6上设置有N个透镜，N为2或3，N个透镜选自一第二凸透镜61、一第四透镜62和一第六凸透镜63构成的组，第二切换装置6能够将N个透镜中的任一个切换进光路；当第二凸透镜61被移入光路LP时，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；当第四透镜62被移入光路LP时，第一动量空间成像面SK1位于第四透镜62的前焦平面（二者均位于第一位置P1）；当第六凸透镜63被移入光路LP时，第二实空间成像面SR2位于第六凸透镜的前焦平面处（二者均位于第二位置P2）；

收集装置8设置于第三凸透镜7的后焦平面处。

图1中，第一凸透镜4与物镜2一起将样品面SY在第一凸透镜4的后焦平面41处成像于一第一实空间成像面SR1。第五凸透镜31和第一凸透镜4组成一第一透镜组与物镜2一起将样品面SY在一第二位置P2处成像于一第二实空间成像面SR2。

无论第一切换装置3和第二切换装置6如何切换，调制模块始终位于第一凸透镜4的后焦平面41处，对实空间成像面（即第一实空间成像面SR1）或动量空间成像面（即第二动量空间成像面SK2）中要测量或分析的区域进行调制。收集装置8始终位于第三凸透镜7的后焦平面处。第一切换装置3将第五凸透镜31移入光路LP后，第五凸透镜31在光路中的位置固定。第二切换装置6将第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63中的一个移入光路LP后，第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63在光路中的位置固定。因此，可切换成像测量系统中，载物台1、物镜2、第一切换装置3、第一凸透镜4、调制模块5、第二切换装置6、第三凸透镜7和收集装置8在光路LP中的位置固定、彼此相对距离不变。

在一个示意性的实施方式中，该可切换成像测量系统还包括一控制模块9，与第一切换装置3和第二切换装置6电性连接；控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现多个工作模式中的一个，多个工作模式选自：

第一工作模式：第五凸透镜31被移出光路LP，第二凸透镜61被移入光路LP；

第二工作模式：第五凸透镜31被移出光路LP，第四透镜62被移入光路LP；

第三工作模式：第五凸透镜31被移入光路LP，第六凸透镜63被移入光路LP；

第四工作模式：第五凸透镜31被移入光路LP，第二凸透镜61被移入光路LP。

本发明提供的可切换成像测量系统中第二切换装置6上设置的透镜数量N可以根据应用场景的需求适应配置。

可选的，N=3，N个透镜包括第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63，控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式中的一个。此时，该可切换成像测量系统可以在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式中任意两个或三个或四个模式之间切换，例如可以在第一工作模式、第二工作模式之间进行切换，可以在第一工作模式、第三工作模式之间进行切换、可以在第一工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第二工作模式、第三工作模式之间进行切换、可以在第二工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第三工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式之间进行切换、可以在第一工作模式、第二工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第一工作模式、第三工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式之间进行切换、可以在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式之间进行切换。

可选的，N=2，N个透镜包括第二凸透镜61和第四透镜62，控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第一工作模式、第二工作模式和第四工作模式中的一个。此时，该可切换成像测量系统可以在第一工作模式、第二工作模式和第四工作模式中任意两个或三个模式之间切换。

可选的，N=2，N个透镜包括第二凸透镜61和第六凸透镜63，控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第一工作模式、第三工作模式和第四工作模式中的一个。此时，该可切换成像测量系统可以在第一工作模式、第三工作模式和第四工作模式中任意两个或三个模式之间切换。

可选的，N=2，N个透镜包括第四透镜62和第六凸透镜63，控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第二工作模式和第三工作模式中的一个。此时，该可切换成像测量系统可以在第二工作模式和第三工作模式之间切换。

图1所示实施方式中，N=3，即第二切换装置6上设置有3个透镜，分别为第二凸透镜61、第四透镜62和第三凸透镜73。

图2为图1所示可切换成像测量系统处于第一工作模式的光路示意图。结合图1和图2可以看出，在第一工作模式下，第五凸透镜31被移出光路LP，第二凸透镜61被移入光路LP。

在第一工作模式下，可切换成像测量系统包括：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7和收集装置8。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7和收集装置8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5和收集装置8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SY，该样品面SY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SW；第一凸透镜4用于接收来自物镜2的光，将样品面SY成像于第一实空间成像面SR1，并且将物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4和第一动量空间成像面SK1之间，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4的后焦平面41处。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离为L1，第一凸透镜4的焦距为f1,第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1大于第一凸透镜4的焦距f1，使第一凸透镜4能够对物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1（在第一位置P1处）。第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离为L2，根据成像原理L2大于f1。本公开中，与某透镜的距离指的是在该透镜的光轴方向上与该透镜中心的距离。在一个示意性的实施方式中，L1=2f1。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1=2f1时，按成像原理，第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离L2=2f1。

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SR1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SY中要测量的区域进行调制。

第二凸透镜61被移入光路LP、第四透镜62和第六凸透镜63被移出光路LP时，如图2所示，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，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4的后焦平面41处，因此第一实空间成像面SR1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7构成第二透镜组将第一实空间成像面SR1成像于第三实空间成像面SR3，第三实空间成像面SR3位于第三凸透镜7的后焦平面处。具体地，如图2实线部分所示的光，载物台1上的样品受到激发，样品面SY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，在第一凸透镜4的后焦平面41处汇聚得到第一实空间成像面SR1。如图2虚线部分所示的光，样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上，然后经过第一凸透镜4成像于第一动量空间成像面SK1。第一动量空间成像面SK1位于第一位置P1处。来自第一实空间成像面SR1的光经过第二凸透镜61变为平行光，再经过第三凸透镜7得到第三实空间成像面SR3。第三实空间成像面SR3位于第三凸透镜7的后焦平面处。将调制模块5放置于第一实空间成像面SR1处，能够对实空间信息进行调制，选择样品面SY中待测量或待分析的区域；将收集装置8放置于第三实空间成像面SR3处，对第三实空间成像面SR3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。

图3为图1所示可切换成像测量系统处于第二工作模式的一种光路示意图。图3中第四透镜62为凹透镜，即第四凹透镜621。结合图1和图3可以看出，在第二工作模式下，第五凸透镜31被移出光路LP，第四凹透镜621被移入光路LP。

在第二工作模式下，可切换成像测量系统包括：载物台1、物镜2、第一凸透镜4、调制模块5、第四凹透镜621、第三凸透镜7和收集装置8。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、第四凹透镜621、第三凸透镜7和收集装置8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。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块5和收集装置8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SY，该样品面SY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SW；第一凸透镜4用于接收来自物镜2的光，将样品面SY成像于第一实空间成像面SR1，并且将物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4和第一动量空间成像面SK1之间，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4的后焦平面41处。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离为L1，第一凸透镜4的焦距为f1,第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1大于第一凸透镜4的焦距f1，使第一凸透镜4能够对物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1（在第一位置P1处）。第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离为L2，根据成像原理L2大于f1。本公开中，与某透镜的距离指的是在该透镜的光轴方向上与该透镜中心的距离。在一个示意性的实施方式中，L1=2f1。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1=2f1时，按成像原理，第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离L2=2f1。

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SR1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SY中要测量的区域进行调制。

第四凹透镜621被移入光路LP、第二凸透镜61和第六凸透镜63被移出光路LP时，如图3所示，第一动量空间成像面SK1位于第四凹透镜621的前焦平面处（即在光的传播方向R上第四凹透镜621位于第一动量空间成像面SK1的上游）。第四凹透镜621和第三凸透镜7构成第三透镜组将第一动量空间成像面SK1成像于第三动量空间成像面SK3，第三动量空间成像面SK3位于第三凸透镜7的后焦平面处。具体地，如图3虚线部分所示的光，载物台1上的样品受到激发，样品面SY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，在第一凸透镜4的后焦平面41处汇聚得到第一实空间成像面SR1。如图3实线部分所示的光，样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上，然后经过第一凸透镜4成像于第一动量空间成像面SK1。第一动量空间成像面SK1位于第一位置P1处。第一动量空间成像面SK1位于第四凹透镜621的前焦平面上使得经过第四凹透镜621后的光为平行光，该平行光经过第三凸透镜7后得到第三动量空间成像面SK3。第三动量空间成像面SK3位于第三凸透镜7的后焦平面处。将调制模块5放置于第一实空间成像面SR1处，可以对实空间信息进行调制，选择样品面SY中待测量或待分析的区域；将收集装置8放置于第三动量空间成像面SK3处，对第三动量空间成像面SK3的动量空间信息进行收集分析，从而达到实空间调制、动量空间收集的效果。

图3所示实施方式中，第四透镜62为第四凹透镜621，在第二工作模式中第四凹透镜621被移入光路LP时位于第一凸透镜4的后焦平面41和第一动量空间成像面SK1之间。在一个示意性的实施方式中，L1=2f1，第四凹透镜621的焦距为f4，f4小于f1。这样第四凹透镜621和第六凸透镜63均可以设置于第二凸透镜61的上游（第一凸透镜的焦距f1、第二凸透镜的焦距f2、第六凸透镜的焦距f6均相等时），减小第二凸透镜61、第四凹透镜621和第六凸透镜63在光的传播方向R上的距离。

图4为图1所示可切换成像测量系统处于第二工作模式的另一种光路示意图。图4中第四透镜62为凸透镜，即第四凸透镜622。结合图1和图4可以看出，在第二工作模式下，第五凸透镜31被移出光路LP，第四凸透镜622被移入光路LP。

在第二工作模式下，可切换成像测量系统包括：载物台1、物镜2、第一凸透镜4、调制模块5、第四凸透镜622、第三凸透镜7和收集装置8。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、第四凸透镜622、第三凸透镜7和收集装置8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。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块5和收集装置8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SY，该样品面SY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SW；第一凸透镜4用于接收来自物镜2的光，将样品面SY成像于第一实空间成像面SR1，并且将物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4和第一动量空间成像面SK1之间，第一实空间成像面SR1位于第一凸透镜4的后焦平面处。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离为L1，第一凸透镜4的焦距为f1,第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1大于第一凸透镜4的焦距f1，使第一凸透镜4能够对物镜后焦平面SW成像于第一动量空间成像面SK1（在第一位置P1处）。第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离为L2，根据成像原理L2大于f1。本公开中，与某透镜的距离指的是在该透镜的光轴方向上与该透镜中心的距离。在一个示意性的实施方式中，L1=2f1。第一凸透镜4与物镜后焦平面SW的距离L1=2f1时，按成像原理，第一动量空间成像面SK1与第一凸透镜4的距离L2=2f1。

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SR1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SY中要测量的区域进行调制。

第四凸透镜622被移入光路LP、第二凸透镜61和第六凸透镜63被移出光路LP时，如图4所示，第一动量空间成像面SK1位于第四凸透镜622的前焦平面处（即在光的传播方向R上第四凸透镜622位于第一动量空间成像面SK1的下游）。第四凸透镜622和第三凸透镜7构成第三透镜组将第一动量空间成像面SK1成像于第三动量空间成像面SK3，第三动量空间成像面SK3位于第三凸透镜7的后焦平面处。具体地，如图4虚线部分所示的光，载物台1上的样品受到激发，样品面SY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，在第一凸透镜4的后焦平面41处汇聚得到第一实空间成像面SR1。如图4实线部分所示的光，样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上，然后经过第一凸透镜4成像于第一动量空间成像面SK1。第一动量空间成像面SK1位于第一位置P1处。第一动量空间成像面SK1位于第四凸透镜622的前焦平面上使得经过第四凸透镜622后的光为平行光，该平行光经过第三凸透镜7后得到第三动量空间成像面SK3。第三动量空间成像面SK3位于第三凸透镜7的后焦平面处。将调制模块5放置于第一实空间成像面SR1处，可以对实空间信息进行调制，选择样品面SY中待测量或待分析的区域；将收集装置8放置于第三动量空间成像面SK3处，对第三动量空间成像面SK3的动量空间信息进行收集分析，从而达到实空间调制、动量空间收集的效果。

图4所示实施方式中，第四透镜62为第四凸透镜622，在第二工作模式中第四凸透镜622被移入光路LP时位于第一动量空间成像面SK1和第三凸透镜7之间。

图5为图1所示可切换成像测量系统处于第三工作模式的光路示意图。结合图1和图5可以看出，在第三工作模式下，第五凸透镜31被移入光路LP，第六凸透镜63被移入光路LP。

在第三工作模式下，可切换成像测量系统包括：载物台1、物镜2、第五凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第六凸透镜63、第三凸透镜7和收集装置8。对于具有波长单一且固定的光的光路，载物台1、物镜2、第五凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第六凸透镜63、第三凸透镜7和收集装置8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。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块5和收集装置8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SY，该样品面SY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SW；第五凸透镜31和第一凸透镜4构成的第一透镜组接收来自物镜2的光，将样品面SY成像于第二实空间成像面SR2，并且将物镜后焦平面SW成像于第二动量空间成像面SK2，第二实空间成像面SR2位于第一凸透镜4和第二动量空间成像面SK2之间，第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。载物台1上的样品受到激发，样品面SY发出的信号光经过物镜2变为平行光，该平行光经过第五凸透镜31和第一凸透镜4的两次汇聚后得到第二实空间成像面SR2。第二实空间成像面SR2位于第二位置P2处。第一凸透镜4和第五凸透镜31之间的距离小于第五凸透镜31的焦距，第一凸透镜4位于第五凸透镜31的后焦平面和第五凸透镜31之间，第二实空间成像面SR2位于第一凸透镜4与第一凸透镜4的后焦平面之间。样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上。来自物镜后焦平面SW的光经过第五凸透镜31后成为平行光，再由第一凸透镜4汇聚成像于第二动量空间成像面SK2。第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。

调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面，即第二动量空间成像面SK2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SW中要测量的区域进行调制。

第六凸透镜63被移入光路LP、第四透镜62和第二凸透镜61被移出光路LP时，如图5所示，第二实空间成像面SR2位于第六凸透镜63的前焦平面处。第六凸透镜63和第三凸透镜7构成第四透镜组将第二实空间成像面SR2成像于第四实空间成像面SR4，第四实空间成像面SR4位于第三凸透镜7的后焦平面处。具体地，如图5实线部分所示的光，载物台1上的样品受到激发，样品面SY发出的信号光经过物镜2变为平行光，该平行光经过第五凸透镜31和第一凸透镜4后在第二位置P2处汇聚得到第二实空间成像面SR2。如图4虚线部分所示的光，样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上，然后经过第五凸透镜31和第一凸透镜4成像于第二动量空间成像面SK2。第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。第二实空间成像面SR2位于第六凸透镜63的前焦平面上使得经过第六凸透镜63后的光为平行光，该平行光经过第三凸透镜7后得到第四实空间成像面SR4。第四实空间成像面SR4位于第三凸透镜7的后焦平面处。将调制模块5放置于第二动量空间成像面SK2处，可以对动量空间信息进行调制，选择物镜后焦平面SW中待测量或待分析的区域；将收集装置8放置于第四实空间成像面SR4处，对第四实空间成像面SR4的实空间信息进行收集分析，从而达到动量空间调制、实空间收集的效果。

图6为图1所示可切换成像测量系统处于第四工作模式的光路示意图。结合图1和图6可以看出，在第四工作模式下，第五凸透镜31被移入光路LP，第二凸透镜61被移入光路LP。

在第四工作模式下，可切换成像测量系统包括：载物台1、物镜2、第五凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜7和收集装置8。对于具有波长单一且固定的光的光路，载物台1、物镜2、第五凸透镜31、第一凸透镜4、调制模块5、第二凸透镜61、第三凸透镜7和收集装置8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。这样，对于具有波长单一固定的光的光路，调制模块5和收集装置8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SY，该样品面SY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SW；第五凸透镜31和第一凸透镜4构成的第一透镜组接收来自物镜2的光，将样品面SY成像于第二实空间成像面SR2，并且将物镜后焦平面SW成像于第二动量空间成像面SK2，第二实空间成像面SR2位于第一凸透镜4和第二动量空间成像面SK2之间，第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。载物台1上的样品受到激发，样品面SY发出的信号光经过物镜2变为平行光，该平行光经过第五凸透镜31和第一凸透镜4的两次汇聚后得到第二实空间成像面SR2。第二实空间成像面SR2位于第二位置P2处。第一凸透镜4和第五凸透镜31之间的距离小于第五凸透镜31的焦距，第一凸透镜4位于第五凸透镜31的后焦平面和第五凸透镜31之间，第二实空间成像面SR2位于第一凸透镜4与第一凸透镜4的后焦平面之间。样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上。来自物镜后焦平面SW的光经过第五凸透镜31后成为平行光，再由第一凸透镜4汇聚成像于第二动量空间成像面SK2。第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。

调制模块5设置于第一凸透镜4的后焦平面，即第二动量空间成像面SK2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SW中要测量的区域进行调制。

第二凸透镜61被移入光路LP、第四透镜62和第六凸透镜63被移出光路LP时，如图6所示，第二动量空间成像面SK2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7构成第二透镜组将第二动量空间成像面SK2成像于第四动量空间成像面SK4，第四动量空间成像面SK4位于第三凸透镜7的后焦平面处。具体地，如图6虚线部分所示的光，载物台1上的样品受到激发，样品面SY发出的信号光经过物镜2变为平行光，该平行光经过第五凸透镜31和第一凸透镜4后在第二位置P2处汇聚得到第二实空间成像面SR2。如图6实线部分所示的光，样品面SY发出的信号光经过物镜2将样品面SY的动量空间信息成像在物镜后焦平面SW上，然后经过第五凸透镜31和第一凸透镜4成像于第二动量空间成像面SK2。第二动量空间成像面SK2位于第一凸透镜4的后焦平面41处。第二动量空间成像面SK2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7后得到第四动量空间成像面SK4。第四动量空间成像面SK4位于第三凸透镜7的后焦平面处。将调制模块5放置于第二动量空间成像面SK2处，可以对动量空间信息进行调制，选择物镜后焦平面SW中待测量或待分析的区域；将收集装置8放置于第四动量空间成像面SK4处，对第四动量空间成像面SK4的实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。

在一个示意性的实施方式中，调制模块4包括一个或二个以上调制单元（未画图），调制单元为小孔（pin hole）或SLM（Spatial Light Modulator，空间光调制器）。如图7所示，当调制模块5包括二个以上调制单元10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10。在一个示意性的实施方式中，小孔为圆形，直径为0.1毫米至2毫米，例如0.1毫米、0.2毫米、0.3毫米、0.5毫米、1毫米、2毫米等。

在一个示意性的实施方式中，物镜2还能够对样品面SY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倍或100倍等。

在图1所示的实施方式中，第二切换装置6能够沿着垂直于光路LP的方向V运动，以将第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63中的一个切换进光路LP。在另一个示意性的实施方式中，第二切换装置6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，第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63被移入光路LP中后位置均固定不变。同一时刻，第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63只有一个位于光路LP中。第二凸透镜61被移入光路LP中时，第二凸透镜61和第三凸透镜7具有同一光轴。第四透镜62被移入光路LP中时，第四透镜62和第三凸透镜7具有同一光轴。第六凸透镜63被移入光路LP中时，第六凸透镜63和第三凸透镜7具有同一光轴。依据成像原理，根据光路LP中光的波长，配置第二凸透镜61、第四透镜62、第六凸透镜63和第三凸透镜7的焦距及其在光路LP中的位置使得第三实空间成像面SR3、第三动量空间成像面SK3、第四实空间成像面SR4、第四动量空间成像面SK4均位于第三凸透镜7的后焦平面处。光路LP中光的波长单一且固定时，第三凸透镜7的后焦平面的位置固定不变。收集装置8的有效的信号收集面设置于第三凸透镜7的后焦平面处并接收来自第三凸透镜7的光。这样，通过第一切换装置3和第二切换装置6的切换操作，能够实现对第一工作模式（实空间调制、实空间收集）、第二工作模式（实空间调制、动量空间收集）、第三工作模式（动量空间调制、实空间收集）和第四工作模式（动量空间调制、动量空间收集）四种不同工作模式的切换。在切换的过程中，第三实空间成像面SR3、第三动量空间成像面SK3、第四实空间成像面SR4、第四动量空间成像面SK4均位于同一位置处，收集装置8的位置也固定不变。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、第一切换装置3、第一凸透镜4、调制模块5、第二切换装置6、第三凸透镜7和收集装置8彼此距离固定，简化了系统的结构，提高了稳定性。

图1-6所示的光路LP为直线状；在其他实施方式中，光路可以为折线状。

图8为切换装置和控制模块的一种连接结构示意图。结合图1和图8可以看出，控制模块9包括一第一子控制模块91和一第二子控制模块92；第一切换装置3包括一第一驱动模块301和一第一安装台302，第五凸透镜31固定于第一安装台302，第一子控制模块91向第一驱动模块301发出一第一控制信号以驱动第一安装台302移动，将第五凸透镜31移入或移出光路；第二切换装置6包括一第二驱动模块601和一第二安装台602，N个透镜固定于第二安装台602，第二子控制模块92向第二驱动模块601发出一第二控制信号以驱动第二安装台602移动，将N个透镜中的一个切换进光路（图1和8中以N=3为例）。第一子控制模块91和第二子控制模块92可以是彼此独立的，也可以是集成在一起。控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6，使得二者协同工作实现第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式的切换。操作人员通过第二子控制模块92向第二驱动模块601发出第二控制信号以驱动第二安装台602移动，将N个透镜中的一个移入或移出光路。这样N个透镜固定于同一个安装台且随之一起移动，彼此相对位置不变，用同一个驱动模块驱动，结构简单，控制方便。在一个示意性的实施方式中，第一安装台302和第二安装台602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，第一安装台302和第二安装台602沿着倾斜于光路LP的方向移动。第一安装台302和第二安装台602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。

图9为切换装置和控制模块的另一种连接结构示意图。结合图1和图9可以看出，成像测量系统还包括：一第一子控制模块91和一第二子控制模块92，第一切换装置3包括一第一驱动模块301和一第一安装台302，第五凸透镜31固定于第一安装台302，第一子控制模块91向第一驱动模块301发出一第一控制信号以驱动第一安装台302移动，将第五凸透镜31移入或移出光路；第二切换装置6包括N个第二驱动模块601和与N个第二驱动模块601一一对应通信连接的N个第二安装台602，N个透镜分别固定于N个第二安装台602，第二子控制模块92向N个第二驱动模块601分别发出一第二控制信号以驱动N个第二安装台602移动，将N个透镜中的一个切换进光路。图1和图9中以N=3为例，N个透镜分别为第二凸透镜61、第四透镜62和第六凸透镜63。这样N个透镜分别固定于不同的安装台，且分别用同不同的驱动模块驱动，彼此独立。

在一个示意性的实施方式中，图1-9中透镜为消色差透镜。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，消色差透镜的焦距不变。

图10为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图。图10所示可切换成像测量系统与图1所示结构相同的部分参照图1的相关描述，区别在于：第二切换装置6上设置的N个透镜分别为第二凸透镜61和第四透镜62。控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第一工作模式、第二工作模式和第四工作模式中的一个。第一工作模式对应的光路图为图2所示，具体工作过程参考图2相关描述。第二工作模式对应的光路图为图3和图4所示，具体工作过程参考图3和图4相关描述。第四工作模式对应的光路图为图6所示，具体工作过程参考图6相关描述。在此不再赘述。

图11为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图。图11所示可切换成像测量系统与图1所示结构相同的部分参照图1的相关描述，区别在于：第二切换装置6上设置的N个透镜分别为第二凸透镜61和第六凸透镜63。控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第一工作模式、第三工作模式和第四工作模式中的一个。第一工作模式对应的光路图为图2所示，具体工作过程参考图2相关描述。第三工作模式对应的光路图为图5所示，具体工作过程参考图5相关描述。第四工作模式对应的光路图为图6所示，具体工作过程参考图6相关描述。在此不再赘述。

图12为本发明提供的另一种可切换成像测量系统的结构示意图。图12所示可切换成像测量系统与图1所示结构相同的部分参照图1的相关描述，区别在于：第二切换装置6上设置的N个透镜分别为第四透镜62和第六凸透镜63。控制模块9控制第一切换装置3和第二切换装置6以实现第二工作模式和第三工作模式中的一个。第二工作模式对应的光路图为图3和图4所示，具体工作过程参考图3和图4相关描述。第三工作模式对应的光路图为图5所示，具体工作过程参考图5相关描述。在此不再赘述。

本发明还提供了一种光学成像测量装置，包括上述的可切换成像测量系统。

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。

尽管本发明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发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。