CN104534980A

CN104534980A - 一种反射型无透镜数字全息测量装置

Info

Publication number: CN104534980A
Application number: CN201510056835.3A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 文永富
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明涉及一种反射型无透镜数字全息测量装置，技术特征在于：激光器1产生的激光束先后经过光纤2、扩束准直单元3、光束聚焦单元4和分光镜6后产生两束光波；其中一束光波经平面镜7反射后作为参考光进入成像设备9；另一束光波经被测物体8表面反射后作为物光进入成像设备9；调节平面镜7来控制参考光与物光的夹角，使物光与参考光干涉产生离轴数字全息图并由成像设备9记录；最终通过数字全息原理计算得到被测物体的信息。该装置采用计算机10控制一维数控位移台5来调整光束聚焦单元4在水平轴方向的位置，以实现系统分辨率和放大倍率的连续可调，且结构紧凑、稳定，可用于晶片、微机电系统等组件的三维形貌测量。

Description

一种反射型无透镜数字全息测量装置

技术领域

本发明涉及一种反射型无透镜数字全息测量装置，属于激光数字全息与光学检测技术领域。

技术背景

数字全息术是利用光电转换器件CCD或CMOS代替传统光学全息中的全息干板来记录全息图，并把记录的全息图以数字图像形式存入计算机，然后根据数字全息原理数值再现得到物光波的复振幅分布。与传统的光学全息相比，数字全息的显著特点是不需要显影、定影与漂白等化学处理过程，并可以同时获得物体定量的强度及相位信息，还可以方便地运用数字图像处理技术对全息图和再现像进行滤波等处理，以提高成像质量。因此，数字全息更有助于进行精确的定量分析与检测。

无透镜数字全息系统是指被测物体到成像设备之间没有成像透镜的数字全息系统。该系统具有结构简单、分辨率高、非接触等特点，被广泛应用在微小物体三维形貌测量中，例如MEMS、微晶表面结构，微透镜阵列等。Vijay Raj Singh等人在其论文中《Compacthandheld digital holographic microscopy systemdevelopment》(Proc.of SPIE,7522,75224L)中基于无透镜离轴数字全息系统分别对圆形的MEMS薄膜以及氮化铝薄膜进行了振动测量与模式分析。A.Asundi和Vijay Raj Singh在专利US8194124B2中公开了一种同轴无透镜数字全息显微装置。目前该装置存在的问题有：1)系统分辨率：该系统采用光纤输出端作为点光源，产生发散的球面波进行直接照明，一旦测量系统构建完成后，要提高系统的分辨率,一方面可采用较低波长的激光，另一方面可通过采用高数值孔径NA的光纤来实现；然而这两种方法实用性不强。此外，该装置点光源的安装位置决定了该系统分辨率很难得到进一步提升。2)灵活性：一旦测量系统搭建完成，系统的放大倍率和分辨能力就已确定且唯一，操作者无法根据被测物体需要进行相应的调整，因此，应用范围十分有限。3)工作距离：为了达到较高的系统分辨能力，系统的工作距离必须非常小，甚至需要完全接触被测物体，显然这给实际操作带来不便。因此，如何综合解决或优化这些方面的问题，对推动无透镜数字全息技术的的工业化应用以及集成化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无透镜数字全息检测装置中系统分辨率单一，操作性差和工作距离小等问题，提出一种反射型无透镜数字全息测量装置。该系统具有结构简单和稳定、检测成本低、精度高、同时系统分辨率和放大倍率可以根据被测物体需要进行灵活调整等特点。

为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

本发明的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于，包括激光器1、光纤2、扩束准直单元3、光束聚焦单元4、一维数控位移台5、分光镜6、平面镜7、成像设备9以及计算机10；

所述扩束准直单元3、光束聚焦单元4、分光镜6、平面镜7的中心与光纤2输出端的中心在同一水平线上；被测物体8中心、分光镜6的中心和成像设备9的中心在同一垂直线上；所述光束聚焦单元4固定在一维数控位移台5上；

所述一维数控位移台5采用普通商用的一维精密数控位移台，可以控制光束聚焦单元4做一维直线运动；

所述光束聚焦单元4具备将平行光转换成会聚球面光波的能力；其可以是消色差的显微物镜，或是双胶合透镜，或是单透镜；

本发明的一种反射型无透镜数字全息测量装置，包括如下步骤：

利用激光器1产生激光，激光通过光纤2输入至扩束准直单元3；经扩束准直单元3后形成平行光传输至光束聚焦单元4；此时平行光经过光束聚焦单元4和分光镜6后产生两束光波；其中一束光波经平面镜7反射后作为参考光进入成像设备9；另一束光波经被测物体8表面反射后作为物光进入成像设备9；调节平面镜7来控制参考光与物光的夹角，使物光与参考光干涉产生一幅离轴数字全息图并由成像设备9记录；最终通过数字全息原理计算得到被测物体8的表面信息。根据具体测量需要，依据数字全息测量分辨率公式和放大倍率公式(1)，可通过计算机10驱动一维数控位移台5去控制光束聚焦单元4做一维直线运动，进而改变光束聚焦单元4到被测物体8的距离，来实现不同的系统横向分辨率Δδ和放大倍率M。

Δδ = \frac{λ}{2} \sqrt{{[\frac{2 (D + d_{0})}{N_{x} Δx}]}^{2} + 1}, M = \frac{D + d_{0}}{D} - - - (1)

其中，N_x表示成像设备9像素数，Δx为像素大小，D表示光束聚焦单元4的焦点到被测物体8距离，d₀为被测物体8到成像设备10的距离。

有益效果：

本发明的无透镜数字全息装置不仅具有结构紧凑，稳定性好，便于操作，而且能够获得更高的系统分辨能力；其次，根据被测量物体的形貌，可灵活选择合适的系统分辨率和放大倍率进行观测。此外，本发明只需采集单幅全息图即可获得微小物体的表面信息，能够实现动态测量。

附图说明

图1为本发明中的实施例装置结构示意图；

图2为本发明的实施例装置在具备较高系统分辨率和放大倍率时的情形之一；

图3为离轴全息重构算法重构得到的强度分布图，对应图2中的情形；

图4为本发明的实施例装置在具备较低系统分辨率和放大倍率时的情形之一；

图5为离轴全息重构算法重构得到的强度分布图，对应图4中的情形；

图6为本发明实际测量一片微晶表面结构得到的离轴数值全息图(a)、强度分布图(b)和相位分布图(c)。

图中，1-激光器、2-光纤、3-扩束准直单元、4-光束聚焦单元、5-一维数控位移台、6-分光镜、7-平面镜、8-被测物体、9-成像设备(CCD或者CMOS)、10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示是实施例装置结构示意图，本装置包括激光器1、光纤2、扩束准直单元3、光束聚焦单元4、一维数控位移台5、分光镜6、平面镜7、成像设备9以及计算机10组成。具体实施过程中，调整光纤2输出端、扩束准直单元3、光束聚焦单元4、分光镜6、平面镜7的中心轴在同一水平线上；被测物体8、分光镜6和成像设备9的中心在同一竖直线上；调节平面镜7的前后位置，使其到分光镜6的距离和被测物体8到分光镜6的距离相等；调节成像设备9的位置，使其充分靠近分光镜6；通过调节平面镜7的倾斜程度，使得经被测物体8反射回来的物光和经平面镜7反射回来的参考光之间的夹角θ≤4度；光束聚焦单元4固定在一维数控位移台5上；激光器1作为光源产生激光束，并耦合进光纤2的输入端；激光束经光纤2的输出端进入扩束准直单元3后形成平行光，并传播至光束聚焦单元4后产生一束会聚球面光波；根据具体测量需要，可通过计算机10驱动一维数控位移台5去控制光束聚焦单元4做一维直线运动，进而改变光束聚焦单元4到分光镜6的距离，来获得不同的系统分辨率和放大倍率。

图2所示是本发明的实施例装置在具备较高系统分辨率和放大倍率时的情形之一：通过控制一维数控位移台5，使得光束聚焦单元4移动到靠近分光镜6的某一位置；此时光束聚焦单元4产生的会聚球面光波经过分光镜6后分成两束会聚球面波，其中一束会聚球面光波在聚焦后变成一束发散球面波，并经平面镜7反射后作为参考光；参考光经过分光镜6后照射到成像设备9上；另一束会聚球面光波在聚焦后变成一束发散球面波，并垂直照射到被测物体8(此实施例中，被测物体8是USAF-1951 Resolution Test Chart分辨率板)表面，发生反射后作为物光；物光经过分光镜6后照射到成像设备9，并在成像设备9的成像面上发生干涉，由此获得一幅离轴数字全息图；通过离轴数字全息重构算法得到的物体的强度分布如图3所示。

图4所示是本发明的实施例装置在具备较低系统分辨率和放大倍率时的情形之一：通过控制一维数控位移台5，使得光束聚焦单元4移动到远离分光镜的某一位置；此时光束聚焦单元4产生的会聚球面光波在聚焦后产生一束发散球面波；发散球面波经过分光镜6后分成两束发散球面波；其中一束发散球面波经平面镜7反射后作为参考光；参考光经过分光镜6后照射到成像设备9上；另一束发散球面波垂直照射到被测物体8(此实施例中，被测物体8是USAF-1951 Resolution Test Chart分辨率板)表面，发生反射后作为物光；物光经过分光镜6后照射成像设备9，并在成像设备9成像面上与参考光发生干涉，由此获得一幅离轴数字全息图；通过离轴数字全息重构算法得到的物体的强度分布如图5所示。

如图6所示为采用本发明装置实际测量一片微晶表面结构得到的离轴数字全息图(a)、强度分布图(b)和相位分布图(c)。

Claims

1.一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于，包括激光器1、光纤2、扩束准直单元3、光束聚焦单元4、一维数控位移台5、分光镜6、平面镜7、成像设备9以及计算机10；所述扩束准直单元3、光束聚焦单元4、分光镜6、平面镜7的中心轴与光纤2输出端的中心轴在同一水平线上；被测物体8中心、分光镜6中心和成像设备9中心在同一竖直线上；

工作原理如下：激光器1产生激光，激光通过光纤2输入至扩束准直单元3；经扩束准直单元3后形成平行光传输至光束聚焦单元4；此时平行光经光束聚焦单元4和分光镜6后产生两束光波；其中一束光波经平面镜7反射后作为参考光进入成像设备9；另一束光波经被测物体8表面反射后作为物光进入成像设备9；调节平面镜7来控制参考光与物光的夹角，使物光与参考光干涉产生一幅离轴数字全息图并由成像设备9记录；最终通过数字全息原理计算得到被测物体的信息。

2.根据权利要求1所述的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于：所述光束聚焦单元4固定在一维数控位移台5上，可沿水平轴方向进行一维直线运动。

3.根据权利要求1所述的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于：所述一维数控位移台5采用普通商用的一维精密数控位移台。

4.根据权利要求1所述的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于：所述光束聚焦单元4具备将平行光转换成会聚光波的能力；其可以是消色差的显微物镜，或是双胶合透镜，或是单透镜。

5.根据权利要求1所述的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于：所述参考光与物光的夹角小于4度。

6.根据权利要求1所述的一种反射型无透镜数字全息测量装置，其特征在于：根据数字全息分辨率公式和放大倍率公式(1)可知，在被测物体8到成像设备9的距离确定的情况下，根据具体测量需要，可通过计算机10驱动一维数控位移台5去控制光束聚焦单元4做一维直线运动，进而改变光束聚焦单元4到被测物体8的距离，来获得不同的系统分辨率和放大倍率。