CN104634793A - 共轴数字全息显微成像装置及检测玻璃亚表面缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴数字全息显微成像装置及检测玻璃亚表面缺陷的方法，该装置基于双光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光轴设置的He-Ne激光器、准直透镜、样品、显微物镜和电荷耦合器，其中电荷耦合器的信号输出端接入计算机；He-Ne激光器发出激光后，经过准直透镜得到准直光束照射在样品上，经样品后产生的散射光为样品光、未发生散射的光为参考光，该两束光在显微物镜的工作面上相遇叠加后形成全息图，显微物镜将该全息图成像到电荷耦合器上进行放大并输入计算机，计算机根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。本发明结构简单稳定且无需机械扫描，只需单次采集全息图就能重建出样品的三维图像。

Description

共轴数字全息显微成像装置及检测玻璃亚表面缺陷的方法

技术领域

本发明涉及数字全息(Digital Holography,DH)成像技术领域，特别是一种共轴数字全息显微成像装置及检测玻璃亚表面缺陷的方法。

背景技术

数字全息(Digital Holography,DH)成像是一种基于传统全息术的非接触，非损伤成像技术。1976年，Goodman和Lawrence明确提出数字全息，到1994年，Schnars和Jueptner第一次用电荷耦合器(charge coupled devices,CCD)接收全息图像，通过计算机对采集到的信号数字重建。数字全息术的优势在于，用CCD记录全息图像，简化了操作步骤，大大降低了全息成像的操作时间；用计算机完成数字重建，同时得到样品的幅值和相位信息；无需机械扫描，只需单次曝光，就可重建出样品的三维信息。

数字全息系统按结构可分为共轴数字全息和离轴数字全息。共轴数字全息结构简单，性能稳定，但只适用于对粒子场或是结构较简单的样品成像，多利用压电陶瓷进行移相，采用多次曝光的移相法重建获取图像，因此，增加了系统的成本，阻碍了实时成像。为了降低对样品的要求，获得高质量的重建图像，研究者们改进共轴数字全息结构，得到离轴数字全息系统。所谓离轴数字全息成像，就是采用两臂干涉的方法，参考臂和样品臂，用电荷耦合器件接收干涉图像，再用电脑对信号进行数字处理的过程。目前大多采用这样的离轴系统定性的测量表面形貌，但该系统结构较为复杂，且不稳定，由于各级像的分离限制了空间带宽，从而影响分辨率。

为了进一步提高成像分辨率,Edwin Malkiel等人提出了数字全息显微成像(DigitalHolography Microscopy,DHM),在DH系统的样品前加上显微物镜得到该系统。不仅包含上述DH系统的优势，DHM系统还有高分辨率和大成像深度的特点，其对微结构，微小形变等检测有着广泛的应用前景。

亚表面缺陷是在光学元件加工过程中引入的残留断裂层，该缺陷隐藏在光学元件表面下1-100μm，缺陷尺寸可达亚微米量级。其对光学零件的性质，成像系统的稳定性等有着严重的影响，因此，在加工过程对亚表面缺陷的评估是一项重要技术。而传统的方法是根据表面粗糙度，磨料大小等的参数，与亚表面缺陷深度的关系，计算出其深度，再用磁流变抛光技术等将缺陷层移除，但缺陷的实际深度往往大于该计算值，导致该方法的不精确估计；近年来，国内外研究者们提出全内反射镜显微成像，低相干断层成像，共聚焦显微成像等技术，得到亚表面缺陷截面或深度图像，但由于各自的局限性，在分辨率或深度上均很难达到检查亚表面缺陷的要求，且都需要通过机械扫描得到样品三维图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、高效的共轴数字全息显微成像装置及检测玻璃亚表面缺陷的方法，该装置结构简单稳定，且只需CCD的单次采集全息图像，通过计算机处理就可重建出样品的三维信息，分辨率可达亚微米量级，成像深度可达mm量级。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种共轴数字全息显微成像装置，该装置基于双光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光轴设置的He-Ne激光器、准直透镜、样品、显微物镜和电荷耦合器，其中电荷耦合器的信号输出端接入计算机，其中He-Ne激光器发出激光后，经过准直透镜得到准直光束，该准直光束直接照射在样品上，经样品后产生的散射光为样品光、未发生散射的光为参考光，样品光和参考光在显微物镜的工作面上相遇叠加后形成全息图，显微物镜将该全息图成像到电荷耦合器上，电荷耦合器对接收到的全息图进行放大后输入计算机，计算机根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。

一种基于所述共轴数字全息显微成像装置的检测玻璃亚表面缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1，He-Ne激光器发出的单色光照射在准直物镜上，调节使得准直物镜的出射光均匀的照射在样品上；

步骤2，透射出样品的光束，一部分是经样品散射的作为样品光，另一部分未发生散射作为参考光，样品光和参考光在显微物镜的工作面上相遇叠加后形成全息图；

步骤3，显微物镜将该全息图成像到电荷耦合器上，电荷耦合器对接收到的全息图进行放大后输入计算机，计算机根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)成像分辨率高，可达亚微米量级，可探测深度较大，可达毫米量级，从而实现对亚表面缺陷的定量测量；(2)实现高速成像，无需机械扫描，只需采集一幅全息图，便可数字重建出样品的三维结构；(3)数字重建对算法的适应性高，可根据对重建图像的要求，改进算法来得到相应的重建结果；(4)共轴系统结构简单，性能稳定。

附图说明

图1为本发明共轴数字全息显微成像装置的结构示意图。

图2为本发明检测玻璃亚表面缺陷的方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

结合图1，本发明共轴数字全息显微成像装置，该装置基于双光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光轴设置的He-Ne激光器1、准直透镜2、样品3、显微物镜5和电荷耦合器6，其中电荷耦合器6的信号输出端接入计算机7，其中He-Ne激光器1发出激光后，经过准直透镜2得到准直光束，该准直光束直接照射在样品3上，经样品3后产生的散射光为样品光、未发生散射的光为参考光，样品光和参考光在显微物镜5的工作面4上相遇叠加后形成全息图，显微物镜5将该全息图成像到电荷耦合器6上，电荷耦合器6对接收到的全息图进行放大后输入计算机7，计算机7根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。

结合图2，本发明基于上述共轴数字全息显微成像装置的检测玻璃亚表面缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1，He-Ne激光器1发出的单色光照射在准直物镜2上，调节使得准直物镜2的出射光均匀的照射在样品3上；

步骤2，透射出样品3的光束，一部分是经样品散射的作为样品光，另一部分未发生散射作为参考光，样品光和参考光在显微物镜5的工作面4上相遇叠加后形成全息图。该全息图包含样品的三维信息，所述全息图的光强i(x,y)表示如下：

i(x,y)＝|o(x,y)+r(x,y)|²＝o(x,y)o(x,y)^*+r(x,y)r(x,y)^*+o(x,y)^*r(x,y)+o(x,y)r(x,y)^*

其中，o(x,y)和r(x,y)分别为样品光和参考光，*为共轭符号。

步骤3，显微物镜5将该全息图成像到电荷耦合器6上，电荷耦合器6对接收到的全息图进行放大后输入计算机7，计算机7根据接收到的放大全息图进行去背景和去共轭像，然后用傅里叶变换方法重建样品不同深度的图像。

实施例1

本实施例中所述的He-Ne激光器1出射波长为632.8nm的单色光；样品3为有亚表面损伤的玻璃，且损伤大小为微米或亚微米量级；显微物镜5的数值孔径为0.55；电荷耦合器6为面阵耦合器。

本发明基于所述共轴数字全息显微成像装置及玻璃亚表面缺陷探测的方法，包括以下步骤：

步骤1，He-Ne激光器1发出波长632.8nm的单色光，照射在准直物镜2上，调节准直物镜2，使得出射光均匀的打在样品3即有亚表面缺陷的玻璃上；

步骤2，透射出样品3的光束，一部分光经样品散射作为样品光，另一部分未发生散射作为参考光，两光束在显微物镜5前相遇叠加，形成全息图(包含样品的三维信息)，全息图的光强信息可以表示为：

i(x,y)＝|o(x,y)+r(x,y)|²＝o(x,y)o(x,y)^*+r(x,y)r(x,y)^*+o(x,y)^*r(x,y)+o(x,y)r(x,y)^*

其中，o(x,y)和r(x,y)分别为样品光和参考光，*为共轭符号；

步骤3，显微物镜5将该全息图成像到电荷耦合器6上，电荷耦合器6对接收到的全息图进行放大后输入计算机7，计算机7对全息图像进行预处理，即去除背景项和共轭项，结果如下：

i＝o(x,y)r(x,y)*

步骤4，采用傅里叶变换法重建截面图像，通过对不同截面图像的重建得到其三维重建图像。同时，通过三维重建图像，可以得到不同位置的深度图像，最后提取缺陷边界，获得裂纹轨迹图像；

步骤5，在实验参数保持不变的情况下，将样品3由待测玻璃换为标准样品，重复步骤1～4，实现对标准样品的重建，然后根据重建像与标准样品的尺寸标定，得到亚表面缺陷的尺寸与深度。

综上所述，本发明无需机械扫描，只需采集一幅全息图像，便可重建出样品的三维图像，且其分辨率可达亚微米量级，深度可达毫米量级。通过标定，可定量的检测玻璃亚表面缺陷的深度位置和尺寸。

Claims (8)

1.一种共轴数字全息显微成像装置，其特征在于：该装置基于双光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光轴设置的He-Ne激光器(1)、准直透镜(2)、样品(3)、显微物镜(5)和电荷耦合器(6)，其中电荷耦合器(6)的信号输出端接入计算机(7)，其中He-Ne激光器(1)发出激光后，经过准直透镜(2)得到准直光束，该准直光束直接照射在样品(3)上，经样品(3)后产生的散射光为样品光、未发生散射的光为参考光，样品光和参考光在显微物镜(5)的工作面(4)上相遇叠加后形成全息图，显微物镜(5)将该全息图成像到电荷耦合器(6)上，电荷耦合器(6)对接收到的全息图进行放大后输入计算机(7)，计算机(7)根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。

2.根据权利要求1所述的共轴数字全息显微成像装置，其特征在于，所述的He-Ne激光器(1)出射波长为632.8nm的单色光。

3.根据权利要求1所述的共轴数字全息显微成像装置，其特征在于，所述的样品(3)为有亚表面损伤的玻璃，且损伤大小为微米或亚微米量级。

4.根据权利要求1所述的共轴数字全息显微成像装置，其特征在于，所述的显微物镜(5)的数值孔径为0.55。

5.根据权利要求1所述的共轴数字全息显微成像装置，其特征在于，所述的电荷耦合器(6)为面阵耦合器。

6.一种基于权利要求1所述共轴数字全息显微成像装置的检测玻璃亚表面缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，He-Ne激光器(1)发出的单色光照射在准直物镜(2)上，调节使得准直物镜(2)的出射光均匀的照射在样品(3)上；

步骤2，透射出样品(3)的光束，一部分是经样品散射的作为样品光，另一部分未发生散射作为参考光，样品光和参考光在显微物镜(5)的工作面(4)上相遇叠加后形成全息图；

步骤3，显微物镜(5)将该全息图成像到电荷耦合器(6)上，电荷耦合器(6)对接收到的全息图进行放大后输入计算机(7)，计算机(7)根据接收到的放大全息图重建样品不同深度的图像。

7.根据权利要求6所述的检测玻璃亚表面缺陷的方法，其特征在于，步骤1所述He-Ne激光器(1)发出的单色光波长为632.8nm。

8.根据权利要求6所述的检测玻璃亚表面缺陷的方法，其特征在于，步骤2所述全息图的光强i(x,y)表示如下：

i(x,y)＝|o(x,y)+r(x,y)|²＝o(x,y)o(x,y)^*+r(x,y)r(x,y)^*+o(x,y)^*r(x,y)+o(x,y)r(x,y)^*

其中，o(x,y)和r(x,y)分别为样品光和参考光，*为共轭符号。