CN107388959A - 基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置与方法。汇合成一束的三波长入射光形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在孔阵列上并被针孔A过滤后，依次经过第二透镜和第二合色棱镜后分成三波长参考光，分别照射在三平面反射镜上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜、第二透镜、孔阵列的三大孔B和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；物光经过第三透镜后照射在平面反射镜上并被反射，再次依次经过第三透镜和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；汇合在第四透镜的参考光和物光产生干涉形成三载频复用的全息图，用图像传感器采集全息图上传到计算机中计算待测相位。该装置结构简单，稳定性好，只需黑白图像传感器记录全息图。

Description

基于透射式点衍射的三波长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，特别涉及一种基于透射式点衍射的三波长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，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，系统稳定的基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，同时还提供一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测方法。

为解决上述技术问题，基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，包括第一光源至第三光源，准直扩束系统，待测物体，还设有第一合色棱镜、第一透镜、非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二合色棱镜、第一平面反射镜至第三平面反射镜、第三透镜、平面反射镜，第四透镜、图像传感器和计算机，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、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在孔阵列上并被针孔过滤后，依次经过第二透镜和第二合色棱镜后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜、第二透镜、孔阵列的三大孔和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；物光经过第三透镜后照射在平面反射镜上并被反射，再次依次经过第三透镜和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；汇合在第四透镜的参考光和物光由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机；所述的第一透镜、第二透镜和第四透镜构成共轭4f系统，第一透镜、第三透镜和第四透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于第一透镜和第四透镜的共轭焦平面上，且针孔大小与参考光在第一透镜傅里叶平面产生的艾里斑直径大小一致，经第一平面反射镜至第三平面反射镜反射回的参考光束全部通过三大孔；平面反射镜位于第三透镜的后焦平面上；图像传感器位于第四透镜的后焦平面上。

第一平面反射镜至第三平面反射镜分别位于第二合色棱镜的出光轴上，且位于第二透镜的共轭后焦平面上。

第一平面反射镜至第三平面反射镜中第一平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三平面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。

基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置的检测方法，实现过程如下：

(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；参考光照射在孔阵列上并被针孔过滤后，依次经过第二透镜和第二合色棱镜后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜、第二透镜、孔阵列的三大孔和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；物光经过第三透镜后照射在平面反射镜上并被反射，再依次经过第三透镜和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；汇合在第四透镜的参考光和物光，在图像传感器光接收面产生干涉，调整第一平面反射镜至第三平面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。

基于透射式点衍射的三波长数字全息检测方法有以下特点和有益效果：

1.在透射式点衍射结构基础上，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，且因为采用近共路结构，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，只需利用三平面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.本发明装置采用基于透射式点衍射的近共光路结构，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为基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置示意图；

图2为孔阵列的示意图；

图3为基于透射式点衍射的三波长数字全息显微检测装置示意图；

图4(a)为该检测装置仿真全息图；

图4(b)-图4(d)为对应三波长的恢复相位图；

图4(e)为三波长法恢复相位图。

图中件号说明：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，9为孔阵列，10为第二透镜，11为第二合色棱镜，12、13和14为第一平面反射镜至第三平面反射镜，15为第三透镜，16为平面反射镜，17为第四透镜，18为图像传感器，19为计算机，20为显微物镜，21为校正物镜。

具体实施方式

图1所示的为一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置结构示意图，包括第一光源至第三光源，第一合色棱镜，准直扩束系统，待测物体，第一透镜，非偏振分光棱镜，孔阵列，第二透镜，第二合色棱镜，第一平面反射镜至第三平面反射镜，第三透镜，平面反射镜，第四透镜，图像传感器和计算机，其中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。按照光的路径描述，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、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在孔阵列上并被针孔A过滤后，依次经过第二透镜和第二合色棱镜后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜、第二透镜、孔阵列的三大孔B和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；物光经过第三透镜后照射在平面反射镜上并被反射，再次依次经过第三透镜和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；汇合在第四透镜的参考光和物光由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机；所述的第一透镜、第二透镜和第四透镜构成共轭4f系统，第一透镜、第三透镜和第四透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于第一透镜和第四透镜的共轭焦平面上，且针孔A大小与参考光在第一透镜傅里叶平面产生的艾里斑直径大小一致，三大孔B可让经三平面反射镜反射回的参考光束全部通过；平面反射镜位于第三透镜的后焦平面上；图像传感器位于第四透镜的后焦平面上。

三平面反射镜分别位于第二合色棱镜的出光轴上，且位于第二透镜的共轭后焦平面上；

三平面反射镜中第一平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三平面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。

基于透射式点衍射的三波长数字全息检测方法，它的实现过程如下：

(1)调整整个光学系统，打开三光源，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；参考光照射在孔阵列上并被针孔A过滤后，依次经过第二透镜和第二合色棱镜后分成三波长参考光，分别照射在三平面反射镜上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜、第二透镜、孔阵列的三大孔B和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；物光经过第三透镜后照射在平面反射镜上并被反射，再依次经过第三透镜和非偏振分光棱镜照射在第四透镜上；汇合在第四透镜的参考光和物光，在图像传感器光接收面产生干涉，调整三平面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_RGB]，

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8，孔阵列9，第二透镜10，第二合色棱镜11，三平面反射镜12、13和14，第三透镜15，平面反射镜16，第四透镜17，图像传感器18，计算机19，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、第二透镜10和第四透镜17构成共轭4f系统，第一透镜7、第三透镜15和第四透镜17构成共轭4f系统；第一透镜7、第二透镜10、第三透镜15和第四透镜17的焦距均为f＝200mm；孔阵列9位于第一透镜7和第四透镜17的共轭焦平面上，且针孔A大小与参考光在第一透镜7傅里叶平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d＝30μm，三大孔B可让经第一平面反射镜至第三平面反射镜12、13和14反射回的参考光束全部通过；第一平面反射镜至第三平面反射镜12、13和14分别位于第二合色棱镜11的出光轴上，且位于第二透镜10的共轭后焦平面上；三平面反射镜中第一平面反射镜12调整物光在水平方向与光轴成0°角，第二平面反射镜13调整物光在垂直方向与光轴成60°角，第三平面反射镜14调整物光在垂直方向与光轴成-60°角；平面反射镜16位于第三透镜15的后焦平面上；图像传感器18位于第四透镜17的后焦平面上。该装置光的运行路径为：第一光源至第三光源1、2与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和非偏振分光棱镜8后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在孔阵列9上并被针孔A过滤后，依次经过第二透镜10和第二合色棱镜11后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜12、13和14上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜11、第二透镜10、孔阵列9的三大孔B和非偏振分光棱镜8照射在第四透镜17上；物光经过第三透镜15后照射在平面反射镜16上并被反射，再次依次经过第三透镜15和非偏振分光棱镜8照射在第四透镜17上；汇合在第四透镜17的参考光和物光由图像传感器18的光接收面产生干涉，形成三载频复用的全息图I(x,y)，并用图像传感器18采集全息图I(x,y)上传到计算机19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_RGB]，

本发明装置采用基于透射式点衍射的近共光路结构，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)

1.一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，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)，其特征是：该装置还设有第一合色棱镜(4)、第一透镜(7)、非偏振分光棱镜(8)、孔阵列(9)、第二透镜(10)、第二合色棱镜(11)、第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)、第三透镜(15)、平面反射镜(16)，第四透镜(17)、图像传感器(18)和计算机(19)，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)和非偏振分光棱镜(8)后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在孔阵列(9)上并被针孔(A)过滤后，依次经过第二透镜(10)和第二合色棱镜(11)后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜(11)、第二透镜(10)、孔阵列(9)的三大孔(B)和非偏振分光棱镜(8)照射在第四透镜(17)上；物光经过第三透镜(15)后照射在平面反射镜(16)上并被反射，再次依次经过第三透镜(15)和非偏振分光棱镜(8)照射在第四透镜(17)上；汇合在第四透镜(17)的参考光和物光由图像传感器(18)的光接收面接收，图像传感器(18)的图像信号输出端连接计算机(19)；所述的第一透镜(7)、第二透镜(10)和第四透镜(17)构成共轭4f系统，第一透镜(7)、第三透镜(15)和第四透镜(17)构成共轭4f系统；孔阵列(9)位于第一透镜(7)和第四透镜(17)的共轭焦平面上，且针孔(A)大小与参考光在第一透镜(7)傅里叶平面产生的艾里斑直径大小一致，经第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)反射回的参考光束全部通过三大孔(B)；平面反射镜(16)位于第三透镜(15)的后焦平面上；图像传感器(18)位于第四透镜(17)的后焦平面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，其特征在于：所述的第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)分别位于第二合色棱镜(11)的出光轴上，且位于第二透镜(10)的共轭后焦平面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，其特征在于：所述的第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)中第一平面反射镜(12)调整物光在水平方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜(13)调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角，第三平面反射镜(14)调整物光在垂直方向与光轴成θ_c角，或第一平面反射镜(12)调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角，第二平面反射镜(13)调整物光在水平方向与光轴成θ_b角，第三平面反射镜(14)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所述的一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，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(20)和校正物镜(21)。

5.根据权利要求3所述的一种基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置，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(20)和校正物镜(21)。

6.一种基于权利要求3所述的基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置的检测方法，其特征在于：实现过程如下：

(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；参考光照射在孔阵列(9)上并被针孔(A)过滤后，依次经过第二透镜(10)和第二合色棱镜(11)后分成三波长参考光，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)上并被反射，再次依次经过第二合色棱镜(11)、第二透镜(10)、孔阵列(9)的三大孔(B)和非偏振分光棱镜(8)照射在第四透镜(17)上；物光经过第三透镜(15)后照射在平面反射镜(16)上并被反射，再依次经过第三透镜(15)和非偏振分光棱镜(8)照射在第四透镜上(17)；汇合在第四透镜(17)的参考光和物光，在图像传感器(18)光接收面产生干涉，调整第一平面反射镜至第三平面反射镜(12、13、14)形成三载频复用的全息图I(x,y)，并用图像传感器(18)采集全息图上传到计算机(19)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。