CN108592784A - 双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置与方法。偏振正交的双波长入射光经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列、第一非偏振分光棱镜、第三透镜和第二偏振分光棱镜形成分别含有两波长信息的载波全息图，被图像传感器采集到计算机并计算待测物体相位。它结构简单，稳定性好，光能利用率高；且调整方便，也不需任何光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件，成本低。
Description
技术领域
本发明属于数字全息测量领域，特别涉及一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置与方法。
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。双波长数字全息利用两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。
北京工业大学的江竹青等(王羽佳,江竹青,高志瑞,蔡文苑,伍江涛.双波长数字全息相位解包裹方法研究.光学学报.2012,38(10):78-83)使用两个不同的波长分别记录数字全息图，分别数值再现获得每个波长对应的包裹相位图，再求得两者的相位差得到等效波长的相位图，进而获得连续的相位分布以消除相位包裹。但因为需要分别记录两个波长的全息图，实时性差。随后，江竹青等公开发明专利“双波长偏振复用数字全息成像系统及方法”，公开号为CN 104834201A，将两个不同波长光束调节为具有相互正交偏振态并将两个光束合束后，入射到所配置的离轴双波长数字全息偏振复用记录光路中共路传输，并利用偏振片筛选分离出两对不同波长的物光和参考光，同时记录两幅数字全息图，进而通过双波长形成“合成波长”，实现了对被测样品的无包裹实时观测，但该系统结构复杂，需要级联两个马赫泽德干涉仪，且抗干扰能力差。
西安光机所的姚保利等(J.Min,B.Yao,P.Gao,R.Guo,B.Ma,J.Zheng,M.Lei,S.Yan,D.Dan,T.Duan,Y.Yang,and T.Ye.Dual-wavelength slightly off-axis digitalholographic microscopy.Applied Optics.2012,51(2):191-196)提出一种双波长轻离轴数字全息技术，分别微调两束正交偏振的参考光以改变其在全息图上干涉条纹的空间载波的频率和方向，并利用Bayer彩色CCD滤光片的波长选择特性，从一次记录的正交载频彩色全息图中分离出两幅单一波长的全息图，进而完成待测物体实时观测。但是该装置需采用多个偏振元件，同时因为采用分离光路结构，抗干扰能力有待于进一步提高。
韩国D.Y.Kim等(Mohammad Reza Jafarfard,Sucbei Moon,Behnam Tayebi,andDug Young Kim.Dual-wavelength diffraction phase microscopy for simultaneousmeasurement of refractive index and thickness.Optics Letters.2014,39(10):2908-2911)提出一种双波长共路离轴点衍射全息技术，在4f光学系统的入射面放置光栅，将双波长待测光波衍射分成多个衍射级次，并在频谱面放置空间针孔滤波器阵列，选取零级光作为参考光并分别选取+1级和+2级作为物光，进而通过一次曝光采集含有不同载波的彩色全息图，该技术因为采用共路结构抗干扰能力强，但该结构不仅需要光栅，而且光能损失大，需精确调整针孔滤波器阵列中心间距与光栅周期以及透镜焦距的匹配关系，以使物光和参考光能有效通过针孔滤波器阵列，从而造成装置调整困难；同时，因为采用不同衍射级次，获得的各波长全息图对比度差异较大，需要复杂的算法进行归一化处理。
本发明人也曾提出一种“双波长共路正交载频数字全息检测装置及检测方法(申请号：201510677008.6)”，在反射式载波点衍射共路结构基础上，引入双波长照明技术和二向分光技术，通过一次曝光采集一幅对比度相同的双波长载频正交全息图，并通过频域分离完成待测相位恢复，在保证抗干扰能力和无包裹实时检测同时，方法简单易行，不需要光栅等特殊光学元件，但该方法需要角反射镜和二向色镜，同时因为采用反射式针孔，不仅制作困难，而且光需要两次通过针孔，光能损失大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单易行、光能损失少的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置与方法。
本发明的目的是这样实现的：
方式一：一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源和波长为λb的光源，该装置还包括第一线偏振片、第二线偏振片、第一偏振分光棱镜、准直扩束系统、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三透镜、第二偏振分光棱镜、图像传感器和计算机，其中λa>λb，第一线偏振片和第二线偏振片为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源和波长为λb的光源分别发射的光束分别经过第一线偏振片和第二线偏振片分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后，经第一非偏振分光棱镜反射后，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜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；所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上；第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径；第一平面反射镜和第二平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上，第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上；第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
方式一还包括：
1.第一平面反射镜与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
2.孔阵列上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜或第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配，所述θ角不包括90°。
3.第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向成45°进行放置，并在第二偏振分光棱镜的透射方向和反射方向分别放置第一图像传感器和第二图像传感器。
基于方式一装置的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
基于方式一中具有双图像传感器装置的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜偏振分光，在两台图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
方式二：一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源和波长为λb的光源，该装置还包括第一线偏振片、第二线偏振片、第一偏振分光棱镜、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三透镜、第二偏振分光棱镜、图像传感器和计算机其中λa>λb，第一线偏振片和第二线偏振片为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源和波长为λb的光源分别发射的光束分别经过第一线偏振片和第二线偏振片分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后，经第一非偏振分光棱镜反射后，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜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；所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上；第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜的通光孔径；第一平面反射镜和第二平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上，第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上；第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器位于第三透镜的后焦平面上；显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
方式二还包括：
1.第一平面反射镜与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
2.孔阵列上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜或第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于方式二装置的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置与方法有以下特点和有益效果：
1.在4f透射式点衍射结构基础上，引入双波长照明技术和偏振分光调制技术，通过一次曝光采集分别含有各波长信息的两幅载波全息图完成三维无包裹相位成像测量，不仅结构紧凑，抗干扰能力强，而且不需要光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件，方法简单易行，光能利用率高，这是区别于现有技术的创新点之一；
2.利用普通平面反射镜引入载波，并实现参考光束和针孔的空间对准，进而利用偏振分光棱镜实现双波长分离，匹配关系简单，方法简单易行，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.本发明装置结构简单紧凑，系统定位复杂度要求低，且调整方便，也不需任何光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件，成本低；
2.本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好，光能利用率高。
附图说明
图1为双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置示意图；
图2为引入显微系统实现本发明测量装置示意图；
图3为双图像传感器实现本发明测量装置示意图；
图4a为波长1对应的全息图仿真图；
图4b为波长2对应的全息图仿真图；
图4c为波长1对应的恢复相位图仿真图；
图4d为波长2对应的恢复相位图仿真图；
图4e为恢复的合成波长对应的相位图仿真图。
具体实施方式
图中件号说明：1和2光源，3第一线偏振片，4第二线偏振片，5第一偏振分光棱镜，6准直扩束系统，7待测物体，8第一透镜，9第一非偏振分光棱镜，10孔阵列，11第二透镜，12第二非偏振分光棱镜，13第一平面反射镜，14第二平面反射镜，15第三透镜，16第二偏振分光棱镜，17、171和172图像传感器，18计算机，19显微物镜，20校正物镜。
实施方式一：如图1所示，一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源和波长为λb的光源，该装置还包括第一线偏振片、第二线偏振片、第一偏振分光棱镜、准直扩束系统、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三透镜、第二偏振分光棱镜、图像传感器和计算机，其中λa>λb，第一线偏振片和第二线偏振片为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源和波长为λb的光源分别发射的光束分别经过第一线偏振片和第二线偏振片分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后，经第一非偏振分光棱镜反射后，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜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；所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上；第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径；第一平面反射镜和第二平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上，第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上；第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
实施方式二：在实施方式一基础上，第一平面反射镜与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
实施方式三：在实施方式一或二基础上，孔阵列上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜或第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配，所述θ角不包括90°。
实施方式四：如图3所示，在实施方式一或二或三基础上，第二偏振分光棱镜(16)按分光面与光轴方向成45°进行放置，并在第二偏振分光棱镜(16)的透射方向和反射方向分别放置第一图像传感器(171)和第二图像传感器(172)。
基于实施方式一或二或三的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
基于实施方式四的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜偏振分光，在两台图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
实施方式五：如图2所示，一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源和波长为λb的光源，该装置还包括第一线偏振片、第二线偏振片、第一偏振分光棱镜、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三透镜、第二偏振分光棱镜、图像传感器和计算机其中λa>λb，第一线偏振片和第二线偏振片为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源和波长为λb的光源分别发射的光束分别经过第一线偏振片和第二线偏振片分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后，经第一非偏振分光棱镜反射后，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜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；所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上；第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜的通光孔径；第一平面反射镜和第二平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上，第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上；第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器位于第三透镜的后焦平面上；显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
实施方式六：在实施方式五基础上，第一平面反射镜与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
实施方式七，在实施方式五或六基础上，孔阵列上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜或第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于实施方式五或六或七的双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
如图1所示，双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源和波长为λb的光源，还包括第一线偏振片、第二线偏振片、第一偏振分光棱镜、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三透镜、第二偏振分光棱镜、图像传感器和计算机，其中λa>λb，第一线偏振片和第二线偏振片为偏振正交的线偏振片。波长为λa的光源和波长为λb的光源分别发射的光束经过第一线偏振片和第二线偏振片分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成两束光，分别照射第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜，经第二非偏振分光棱镜汇合后再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后，经第一非偏振分光棱镜反射后，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜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；所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上；第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统；孔阵列位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径；第一平面反射镜和第二平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上，且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上，或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上，第二平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上；第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
第一平面反射镜与光轴垂直放置，第二平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，或第一平面反射镜与光轴成θ角倾斜放置，第二平面反射镜与光轴垂直放置。
孔阵列上的针孔B与被倾斜的第一平面反射镜或第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
如图2所示，待测物体和第一透镜之间还可引入显微物镜和校正物镜，且显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
如图3所示，也可将第二偏振分光棱镜按分光面与光轴方向成45°进行放置，并在第二偏振分光棱镜的透射方向和反射方向分别放置第一图像传感器和第二图像传感器。
双波长透射点衍射式共路数字全息测量方法，它的实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。
本发明装置包括：光源1、光源2、第一线偏振片3、第二线偏振片4、第一偏振分光棱镜5、准直扩束系统6、待测物体7、第一透镜8、第一非偏振分光棱镜9、孔阵列10、第二透镜11、第二非偏振分光棱镜12、第一平面反射镜13、第二平面反射镜14、第三透镜15、第二偏振分光棱镜16、图像传感器17和计算机18，光源1为波长λa＝632.8nm激光器，光源2为波长λb＝514nm激光器；第一线偏振片3为0°线偏振片，第二线偏振片4为90°线偏振片；待测物体7位于第一透镜8的前焦面上；第一透镜8、第二透镜11和第三透镜15的焦距均为f＝200mm，构成共轭4f系统；孔阵列10位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列10上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小30μm，孔阵列10大孔A和针孔B的中心间距为1.9mm；第一平面反射镜13和第二平面反射镜14位于第二透镜11的共轭后焦平面上，且第一平面反射镜13在第二非偏振分光棱镜12的出射光路上与光轴垂直放置，第二平面反射镜14在第二非偏振分光棱镜12的反射光路上与光轴成θ角倾斜放置，调整θ角，使孔阵列10上的针孔B与被倾斜的第二平面反射镜14反射后并被第二透镜11聚焦的光斑匹配；图像传感器17位于第三透镜15的后焦平面上。
该装置光的运行路径为：
双光源1和2分别发射的光束经过第一线偏振片3和第二线偏振片4分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜5汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统6、待测物体7和第一透镜8后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜9、孔阵列10的大孔A、第二透镜11和第二非偏振分光棱镜12后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜13和第二平面反射镜14上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜12；物光再依次经过第二透镜11和孔阵列10的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜9；参考光再依次经过第二透镜11和孔阵列10的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜9；汇合至第一非偏振分光棱镜9并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜15，在图像传感器17平面上产生干涉，同步形成两幅分别含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器17采集两幅载波全息图上传到计算机18中；
分割两图像，获得待测物体7的复振幅：
ci(x,y)＝IFT{C{FT[Ii(x,y)]·Fi}}
其中，i＝a、b，Fi表示滤波器，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。
图4a为波长1对应的全息图仿真图；图4b为波长2对应的全息图仿真图；图4c为波长1对应的恢复相位图仿真图；图4d为波长2对应的恢复相位图仿真图；图4e为恢复的合成波长对应的相位图仿真图。
本发明装置结构简单，成本低，不需任何光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件；本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。
Claims (10)
1.一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，包括波长为λa的光源(1)和波长为λb的光源(2)，其特征在于：该装置还包括第一线偏振片(3)、第二线偏振片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、准直扩束系统(6)、第一透镜(8)、第一非偏振分光棱镜(9)、孔阵列(10)、第二透镜(11)、第二非偏振分光棱镜(12)、第一平面反射镜(13)、第二平面反射镜(14)、第三透镜(15)、第二偏振分光棱镜(16)、图像传感器(17)和计算机(18)，其中λa>λb，第一线偏振片(3)和第二线偏振片(4)为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源(1)和波长为λb的光源(2)分别发射的光束分别经过第一线偏振片(3)和第二线偏振片(4)分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜(5)汇合成一束光，经准直扩束系统(6)准直扩束后，依次经过待测物体(7)、第一透镜(8)、第一非偏振分光棱镜(9)、孔阵列(10)、第二透镜(11)、第二非偏振分光棱镜(12)后形成两束光，分别照射第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)上并被反射至第二非偏振分光棱镜(12)，经第二非偏振分光棱镜(12)汇合后再依次经过第二透镜(11)、孔阵列(10)和第一非偏振分光棱镜(9)后，经第一非偏振分光棱镜(9)反射后，再经过第三透镜(15)和第二偏振分光棱镜(16)由图像传感器(17)的光接收面接收，图像传感器(17)的图像信号输出端连接计算机(18)；所述的待测物体(7)位于第一透镜(8)的前焦面上；第一透镜(8)、第二透镜(11)和第三透镜(15)构成共轭4f系统；孔阵列(10)位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列(10)上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜(11)的通光孔径；第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)位于第二透镜(11)的共轭后焦平面上，第一平面反射镜(13)在第二非偏振分光棱镜(12)的出射光路上，第二平面反射镜(14)在第二非偏振分光棱镜(12)的反射光路上；第二偏振分光棱镜(16)按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器(17)位于第三透镜(15)的后焦平面上。
2.根据权利要求1所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：所述的第一平面反射镜(13)与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜(14)与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜(13)与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜(14)与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
3.根据权利要求1或2所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：所述的孔阵列(10)上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜(13)或第二平面反射镜(14)反射后并被第二透镜(11)聚焦的光斑匹配，所述θ角不包括90°。
4.根据权利要求1或2所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：将所述的第二偏振分光棱镜(16)按分光面与光轴方向成45°进行放置，并在第二偏振分光棱镜(16)的透射方向和反射方向分别放置第一图像传感器(171)和第二图像传感器(172)。
5.一种基于权利要求1或2所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置的全息测量方法，其特征在于：实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
6.一种基于权利要求4所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置的全息测量方法，其特征在于：实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过准直扩束系统、待测物体和第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜偏振分光，在两台图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
7.一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：包括波长为λa的光源(1)和波长为λb的光源(2)，其特征在于：该装置还包括第一线偏振片(3)、第二线偏振片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、显微物镜(19)、校正物镜(20)、第一透镜(8)、第一非偏振分光棱镜(9)、孔阵列(10)、第二透镜(11)、第二非偏振分光棱镜(12)、第一平面反射镜(13)、第二平面反射镜(14)、第三透镜(15)、第二偏振分光棱镜(16)、图像传感器(17)和计算机(18)，其中λa>λb，第一线偏振片(3)和第二线偏振片(4)为偏振正交的线偏振片，波长为λa的光源(1)和波长为λb的光源(2)分别发射的光束分别经过第一线偏振片(3)和第二线偏振片(4)分别调制，形成偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜(5)汇合成一束光，依次经过待测物体(7)、显微物镜(19)、校正物镜(20)、第一透镜(8)、第一非偏振分光棱镜(9)、孔阵列(10)、第二透镜(11)、第二非偏振分光棱镜(12)后形成两束光，分别照射第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)上并被反射至第二非偏振分光棱镜(12)，经第二非偏振分光棱镜(12)汇合后再依次经过第二透镜(11)、孔阵列(10)和第一非偏振分光棱镜(9)后，经第一非偏振分光棱镜(9)反射后，再经过第三透镜(15)和第二偏振分光棱镜(16)由图像传感器(17)的光接收面接收，图像传感器(17)的图像信号输出端连接计算机(18)；所述的待测物体(7)位于第一透镜(8)的前焦面上；第一透镜(8)、第二透镜(11)和第三透镜(15)构成共轭4f系统；孔阵列(10)位于共轭4f系统的频谱平面上，孔阵列(10)上含有分离的大孔A和针孔B，且大孔A中心位于光轴上，针孔B大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λbf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜(11)的通光孔径；第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)位于第二透镜(11)的共轭后焦平面上，第一平面反射镜(13)在第二非偏振分光棱镜(12)的出射光路上，第二平面反射镜(14)在第二非偏振分光棱镜(12)的反射光路上；第二偏振分光棱镜(16)按分光面与光轴方向平行放置；图像传感器(17)位于第三透镜(15)的后焦平面上；显微物镜(19)和校正物镜(20)组成的显微系统像平面与第一透镜(8)的前焦平面匹配。
8.根据权利要求7所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：所述的第一平面反射镜(13)与光轴垂直放置且所述的第二平面反射镜(14)与光轴成θ角倾斜放置，所述θ角不包括90°；或者所述的第一平面反射镜(13)与光轴成θ角倾斜放置且所述的第二平面反射镜(14)与光轴垂直放置，所述θ角不包括90°。
9.根据权利要求7或8所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置，其特征在于：所述的孔阵列(10)上的针孔B同经与光轴成θ角倾斜放置的第一平面反射镜(13)或第二平面反射镜(14)反射后并被第二透镜(11)聚焦的光斑匹配。
10.一种基于权利要求7或8所述的一种双波长透射点衍射式共路数字全息测量装置的全息测量方法，其特征在于：实现过程如下：
调整整个光学系统，打开光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过偏振正交的双线偏振片分别调制，形成0°和90°偏振正交的两束光束，再经第一偏振分光棱镜汇合成一束光，再依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束，再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束，分别照射在第一平面反射镜和第二平面反射镜上并被反射形成物光和参考光汇合至第二非偏振分光棱镜；物光再依次经过第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜；参考光再依次经过第二透镜和孔阵列的针孔B后照射第一非偏振分光棱镜；汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光，再经过第三透镜和第二偏振分光棱镜，在图像传感器平面上产生干涉分别形成含有波长λa信息的载波全息图Ia和含有波长λb信息的载波全息图Ib；利用图像传感器采集两幅载波全息图上传到计算机中；利用双波长载波相位恢复算法完成待测物体三维相位恢复。
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