CN107356196A - 三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法。利用第一合色棱镜将三波长入射激光汇合成一束，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过第二合色棱镜后分成三波长物光，分别照射在三角反射镜上并被反射，再次经过第二合色棱镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜汇合成一束后通过第二透镜后，在图像传感器光接收面产生干涉，形成三载频复用的全息图，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中计算待测相位。它采用三光束共光路结构，结构简单，稳定性好；且只需黑白图像传感器记录全息图和简单算法完成三波长全息图分离。

Description

三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法

技术领域

本发明属于数字全息检测领域，特别涉及一种三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法。

背景技术

数字全息检测技术由于具有非接触、全场定量、三维成像等独特优点，已作为极其重要的测试分析手段被广泛应用于生物医学、微纳器件、光学微加工等测量领域。但由于全息图条纹的正余弦函数分布性质，传统单波长数字全息获得相位多为包裹相位，需要复杂、耗时的算法实现相位解包裹。三波长数字全息等利用三束照明光合成一个大于被测样品厚度的等效波长，可获得较大的测量范围，且无须复杂的相位解包裹运算，因而近年受到广泛关注。

专利CN106569402A“一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法”先利用Bayer型彩色相机分别采集物体在三色激光照射下的单波长数字全息图，通过数值处理获取三色间的串扰系数矩阵；再采集三色激光同时照射的多波长数字全息图，并利用串扰系数矩阵消除由于Bayer滤色片对不同波长光的非完全选择性而造成的三通道间的串扰，实现了单张数字全息图一次性记录多个波长的信息，但是该方法不仅成本高，分辨力低，而且操作复杂，无法实现在线实时检测。

专利CN101452253B“一种彩色数字全息像的获取方法”利用黑白型面阵CCD和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，实现三波长数字全息成像，但是该方法仍需分别记录各波长全息图，且需要复杂算法进行再现成像，实时性差，且因为采用分离光路，抗干扰能力差。

专利CN105717774A“一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法”在物光束照明角度一致的条件下，分别调节参考光束的照射角度，通过一次曝光获取含有各波长不同载频的全息图，实现动态彩色物体的实时全息记录，但是该装置各波长光束经过空间不同位置，不仅造成结构庞大复杂，调整困难，而且抗干扰能力差。

法国SONG Qinghe等(Song Q,Wu Y,Tankam P,et al.Research on therecording hologram with Foveon in digital color holography[C],PhotonicsAsia.International Society for Optics and Photonics,2010)利用彩色相机记录全息图，可使各波长光束共用一个光路，极大地简化了系统结构，并降低了系统操作复杂度，但是因为采用彩色相机，不仅成本高，而且需要复杂的算法抑制各波长之间的串扰；同时，因为采用分离光路，抗干扰能力差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足之处，在共光路结构基础上，将波分复用技术和频谱角分复用技术相结合，提供一种结构简单，系统稳定的三波长载频复用共路数字全息检测装置，同时还提供一种三波长载频复用共路数字全息检测方法。

本发明目的实现方式如下：

一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，包括第一光源至第三光源、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器和计算机，该装置还设有第一合色棱镜，第二合色棱镜和第一角反射镜至第三角反射镜，其中第一光源至第三光源发出的激光波长分别为λ_a、λ_b和λ_c，且λ_a<λ_b<λ_c，第一光源至第三光源分别发射的光束经过第一合色棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过第二合色棱镜后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜上并被反射，再次经过第二合色棱镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜汇合成一束后通过第二透镜被图像传感器光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机；所述的小孔反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上；图像传感器位于第二透镜的后焦面上。

第一角反射镜至第三角反射镜分别位于第二合色棱镜的出光轴上，且位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上。

第一角反射镜至第三角反射镜中第一角反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一角反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_c角。

待测物体和第一透镜之间还可依次放置显微物镜和校正物镜。

基于三波长载频复用共路数字全息检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)调整整个光学系统，打开第一光源至第三光源，射出波长分别为λ_a、λ_b和λ_c的激光且λ_a<λ_b<λ_c，经过第一合色棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过第二合色棱镜后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜上并被反射，再次经过第二合色棱镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜汇合成一束后通过第二透镜后，在图像传感器光接收面产生干涉，调整第一角反射镜至第三角反射镜形成三载频复用的全息图I(x,y)，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；

(2)计算待测物体的复振幅c_i(x,y)：

c_i(x,y)＝IFT{C[FT(I(x,y))×F_i]}

其中，F_i表示滤波器，分别选择λ_a、λ_b和λ_c入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

(3)计算单波长的待测物体包裹相位：

其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；

(4)计算待测物体的相位为:

其中h为光程差，h∈[0,λ_abc]，λ_ab为λa、λb的合成波长，λ_bc为λb、λc的合成波长，λ_abc为λa、λb、λc的合成波长， 和为对应合成波长的相位。

三波长载频复用共路数字全息检测方法有以下特点和有益效果：

1.在反射式载波点衍射共路结构基础上，引入波分复用技术和频谱角分复用技术，通过一次曝光采集一幅三波长载频角分复用的全息图，并通过频域分离完成待测相位恢复，在无包裹实时检测同时，方法简单易行，且因为采用共路结构，系统抗干扰能力强，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.通过合色棱镜分离三波长，只需利用三角反射镜偏转不同方向即可在全息图中引入三波长角分载频，不仅三波长光束共用一个光路，全息图对比度相同，而且只需黑白图像传感器记录全息图，并通过简单算法完成三波长全息图分离，这是区别于现有技术的创新点之二。

本发明的装置有如下显著特点：

1.本发明装置采用反射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好；

2.本发明装置三波长光束共用一个光路，结构简单，体积小，调整方便；

3.本发明装置采用黑白图像传感器，且无需特殊光学元件，成本低。

附图说明

图1为三波长载频复用共路数字全息检测装置示意图；

图2为三波长载频复用共路数字全息显微检测装置示意图；

图3(a)为该结构仿真全息图；

图3(b)-图3(d)为对应三波长的相位恢复图；

图3(e)为恢复出相位图；

1、2和3为第一光源至第三光源，4为第一合色棱镜，5为准直扩束系统，6为待测物体，7为第一透镜，8为非偏振分光棱镜，9为小孔反射镜，10为第二合色棱镜，11、12和13为第一角反射镜至第三角反射镜，14为第二透镜，15为图像传感器，16为计算机，17为显微物镜，18为校正物镜。

具体实施方式

图1所示的为三波长载频复用共路数字全息检测装置，包括第一光源至第三光源1、2和3，第一合色棱镜4，准直扩束系统5、待测物体6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8、小孔反射镜9、第二合色棱镜10、第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13、第二透镜14、图像传感器15和计算机16，其中三光源发出的激光波长分别为λ_a、λ_b和λ_c，其中λ_a<λ_b<λ_c，按照光的路径描述，第一光源至第三光源1、2和3分别发射的光束经过第一合色棱镜4汇合成一束光，经准直扩束系统5准直扩束后，依次经过待测物体6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜9上并被反射；物光经过第二合色棱镜10后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13上并被反射，再次经过第二合色棱镜10后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜10汇合成一束后通过第二透镜14被图像传感器15光接收面接收，图像传感器15的图像信号输出端连接计算机16；所述的小孔反射镜9位于第一透镜7和第二透镜14的共轭焦平面上；图像传感器15位于第二透镜14的后焦面上。

第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13分别位于第二合色棱镜10的出光轴上，且位于第一透镜7和第二透镜14的共轭焦平面上。

第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13中第一角反射镜11调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜12调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜13调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一角反射镜11调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜12调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜13调整物光在水平方向与光轴成θ_c角。

待测物体6和第一透镜7之间还可依次放置显微物镜17和校正物镜18。

一种三波长载频复用共路数字全息检测方法，包括如下步骤：

(1)调整整个光学系统，打开第一光源至第三光源1、2和3，射出波长分别为λ_a、λ_b和λ_c的激光，其中λ_a<λ_b<λ_c，经过第一合色棱镜4汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统5、待测物体6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜9上并被反射；物光经过第二合色棱镜10后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13上并被反射，再次经过第二合色棱镜10后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜10汇合成一束后通过第二透镜14后，在图像传感器15光接收面产生干涉，调整三角反射镜形成三载频复用的全息图，并用图像传感器15采集全息图上传到计算机中；

(2)计算待测物体的复振幅c_i(x,y)：

c_i(x,y)＝IFT{C[FT(I(x,y))×F_i]}

其中，F_i表示滤波器，分别选择λ_a、λ_b和λ_c入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

(3)计算单波长的待测物体包裹相位：

其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；

(4)计算待测物体的相位为:

其中h为光程差，h∈[0,λ_abc]，λ_ab为λa、λb的合成波长，λ_bc为λb、λc的合成波长，λ_abc为λa、λb、λc的合成波长， 和为对应合成波长的相位。

下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：第一光源至第三光源1、2和3，第一合色棱镜4，准直扩束系统5，待测物体6，第一透镜7，非偏振分光棱镜8，小孔反射镜9，第二合色棱镜10，第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13，第二透镜14，图像传感15，计算机16，其中第一光源至第三光源1、2和3的波长分别为457nm、533nm和632.8nm，待测物体6位于第一透镜7的前焦面上；第一透镜7和第二透镜14的焦距均为f＝200mm；小孔反射镜9位于第一透镜7和第二透镜14的共轭焦平面上，且反射面大小为30μm；第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13分别位于第二合色棱镜10的出光轴上，且位于第一透镜7和第二透镜14的共轭焦平面上；第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13中第一角反射镜11调整物光在水平方向与光轴成0°角，第二角反射镜12调整物光在垂直方向与光轴成60°角，第三角反射镜13调整物光在垂直方向与光轴成-60°角；图像传感器15位于第二透镜14的后焦面上。该装置光的运行路径为：第一光源至第三光源1、2和3分别发射的光束经过第一合色棱镜4汇合成一束光，经准直扩束系统5准直扩束后，依次经过待测物体6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜9上并被反射；物光经过第二合色棱镜10后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜11、12和13上并被反射，再次经过第二合色棱镜10后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜10汇合成一束后通过第二透镜14在图像传感器15光接收面产生干涉，形成三载频复用的全息图，并用图像传感器15采集全息图I(x,y)上传到计算机16中。

计算待测物体的复振幅c_i(x,y)：

c_i(x,y)＝IFT{C[FT(I(x,y))×F_i]}

其中，F_i表示滤波器，分别选择λ_a、λ_b和λ_c入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

计算单波长的待测物体包裹相位：

其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；

计算待测物体的相位为:

其中h为光程差，h∈[0,λ_abc]，λ_ab为λa、λb的合成波长，λ_bc为λb、λc的合成波长，λ_abc为λa、λb、λc的合成波长， 和为对应合成波长的相位。

本发明装置采用反射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好；三波长光束共用一个光路，结构简单，体积小，调整方便；同时因为采用黑白图像传感器，且无需特殊光学元件，成本低。

Claims (6)

1.一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，包括第一光源至第三光源(1、2、3)、准直扩束系统(5)、待测物体(6)、第一透镜(7)、非偏振分光棱镜(8)、小孔反射镜(9)、第二透镜(14)、图像传感器(15)和计算机(16)，其特征是：该装置还设有第一合色棱镜(4)，第二合色棱镜(10)和第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)，其中第一光源至第三光源(1、2、3)发出的激光波长分别为λ_a、λ_b和λ_c，且λ_a<λ_b<λ_c，第一光源至第三光源(1、2、3)分别发射的光束经过第一合色棱镜(4)汇合成一束光，经准直扩束系统(5)准直扩束后，依次经过待测物体(6)、第一透镜(7)、非偏振分光棱镜(8)后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜(9)上并被反射；物光经过第二合色棱镜(10)后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)上并被反射，再次经过第二合色棱镜(10)后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜(10)汇合成一束后通过第二透镜(14)被图像传感器(15)光接收面接收，图像传感器(15)的图像信号输出端连接计算机(16)；所述的小孔反射镜(9)位于第一透镜(7)和第二透镜(14)的共轭焦平面上；图像传感器(15)位于第二透镜(14)的后焦面上。

2.根据权利要求1所述的一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，其特征在于：所述的第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)分别位于第二合色棱镜(10)的出光轴上，且位于第一透镜(7)和第二透镜(14)的共轭焦平面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，其特征在于：所述的第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)中第一角反射镜(11)调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜(12)调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜(13)调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一角反射镜(11)调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二角反射镜(12)调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三角反射镜(13)调整物光在水平方向与光轴成θ_c角。

4.根据权利要求1或2所述的一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，其特征在于：所述的待测物体(6)和第一透镜(7)之间还可依次放置显微物镜(17)和校正物镜(18)。

5.根据权利要求3所述的一种三波长载频复用共路数字全息检测装置，其特征在于：所述的待测物体(6)和第一透镜(7)之间还可依次放置显微物镜(17)和校正物镜(18)。

6.一种基于权利要求3所述的三波长载频复用共路数字全息检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)调整整个光学系统，打开第一光源至第三光源(1、2、3)，射出波长分别为λ_a、λ_b和λ_c的激光，且λ_a<λ_b<λ_c，经过第一合色棱镜(4)汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统(5)、待测物体(6)、第一透镜(7)、非偏振分光棱镜(8)后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜(9)上并被反射；物光经过第二合色棱镜(10)后分成三波长物光，分别照射在第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)上并被反射，再次经过第二合色棱镜(10)后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经第二合色棱镜(10)汇合成一束后通过第二透镜(14)后，在图像传感器(15)光接收面产生干涉，调整第一角反射镜至第三角反射镜(11、12、13)形成三载频复用的全息图I(x,y)，并用图像传感器(15)采集全息图上传到计算机(16)中；

(2)计算待测物体的复振幅c_i(x,y)：

c_i(x,y)＝IFT{C[FT(I(x,y))×F_i]}

其中，F_i表示滤波器，分别选择λ_a、λ_b和λ_c入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

(3)计算单波长的待测物体包裹相位：

其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；

(4)计算待测物体的相位为:

其中h为光程差，h∈[0,λ_abc]，λ_ab为λa、λb的合成波长，λ_bc为λb、λc的合成波长，λ_abc为λa、λb、λc的合成波长， 和为对应合成波长的相位。