CN110375641B - 基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及方法，检测装置包括光源、准直扩束系统、第一透镜、非偏振分光棱镜、平面反射镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器。方法是利用非偏振分光棱镜将入射光束分成参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光照射在离焦放置的平面反射镜上并被反射；经过反射的参考光和物光，再次经非偏振分光棱镜汇合，并通过第二透镜形成一幅圆载频全息图，被图像传感器采集到计算机中；代入公式计算获得待测物体的相位分布。本申请兼顾了CCD带宽利用率、CCD视场利用率、测量实时性、系统稳定性、系统复杂性和操作灵活性，不需偏振元件、反射光栅等特殊光学元件，结构简单，成本低。

Description

基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及方法

技术领域

本发明属于数字全息检测领域，特别涉及一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及检测方法。

背景技术

数字全息检测方法因其非接触、分辨力高、无须对样品做特殊处理等独特优点，已被广泛应用于微结构、生物医学、形变等领域的检测与评价。数字全息技术基于干涉原理，根据干涉光路的不同，常用的数字全息方法可分为共路数字全息和分离光路数字全息两种。其中，分离光路数字全息方法由于两支路独立，外界振动、温度起伏等干扰对参考光束和测量光束的影响不同。而在共路数字全息方法中，参考光束和测量光束经过相同的光学路径进行干涉，故对外界振动、温度起伏等干扰不敏感，具有抗干扰能力强等优点。在众多共路数字全息方法中，共路点衍射数字全息方法是较为典型，并且是应用广泛的一种方法。但早期的点衍射数字全息方法仍受限于小孔制配困难，相移操作复杂等不足。为了弥补以上不足而进行的有益尝试，近年来受到广泛关注。

西安光机所的郭荣礼等提出了一种基于改进迈克尔逊结构的反射式点衍射时间相移数字全息显微方法(R.Guo,B.Yao,P.Gao,J.Min,J.Zheng,T.Ye.“Reflective Point-diffraction microscopic interferometer with long term stability.”ChineseOptics Letters 2011,9(12):120002.)，通过改进迈克尔逊结构，在一个标准的反射式4f光学系统中利用非偏振分光棱镜产生两光束，其中一光束经过小孔反射镜的滤波形成参考光，另一光束则被平面反射镜反射而作为物光，两光束经非偏振分光棱镜再度汇合将生成全息图。结合偏振相移技术，该方法分别曝光采集四幅相移全息图，虽然视场利用率高，但系统实时性差，无法测量动态过程。

西安光机所的郭荣礼等提出了一种基于改进迈克尔逊结构的反射式点衍射同步相移数字全息显微方法(R.Guo,B.Yao,P.Gao,J.Min,J.Han,X.Yu,M.Lei,S.Yan,Y.Yang,D.Dan,T.Ye.“Parallel on-axis phase-shifting holographic phase microscopybased on reflective point-diffraction interferometer with long-termstability.”Applied Optics 2013,52(15):3484-3489.)，通过在改进迈克尔逊结构中引入光栅、透镜和偏振片组构成的分光调制单元，可以单次曝光采集两幅具有正交相移的全息图，有效提高了检测方法的实时性。但该方法仍需大量偏振器件，且系统复杂不易调整，相位恢复算法也对物光和参考光的光强有特殊要求。

为简化系统结构，减少系统条件限制，本发明的发明人曾提出系列基于改进迈克尔逊结构的反射式点衍射共路数字全息检测方法与装置，如专利授权公告号CN104165582B的专利文件中公开的“一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置及检测方法”和专利授权公告号CN 104457559B的专利文件中公开的“一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法”，在改进迈克尔逊结构中引入反射光栅，通过一次曝光获得三幅相移全息图完成实时检测。但是这些方法均需采用特殊的反射光栅。

发明内容

为了至少一定程度上克服相关技术存在的上述问题，本申请提供一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及检测方法。

本申请提供的一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置包括光源、准直扩束系统、第一透镜、非偏振分光棱镜、平面反射镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，所述光源发射的光束依次经所述准直扩束系统和待测物体后入射至所述第一透镜，经所述第一透镜聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜分成一束物光和一束参考光；物光照射在所述平面反射镜上，参考光照射在所述小孔反射镜上；经过反射的物光和参考光，再次经过所述非偏振分光棱镜后汇合成一束光束后，经所述第二透镜后生成全息图，同时被所述图像传感器采集到计算机中；

所述第一透镜和所述第二透镜焦距相等；

所述平面反射镜位于距离所述第一透镜和所述第二透镜的共焦平面Δf处，其中Δf为离焦距离，所述小孔反射镜位于所述第一透镜和第二透镜的共焦平面上；

所述平面反射镜可进行轴向的移动以产生不同离焦距离；

所述小孔反射镜在傅里叶平面产生的艾里斑直径为d_p≤1.22λf/D，其中，λ为所述光源的波长，f为所述第一透镜的焦距，D为所述图像传感器的视场宽度。

优选地，从待测物体到所述第一透镜之间的光路上依次配置有显微物镜和校正物镜。

本申请提供的一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测方法包括以下步骤：

(1)调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成物光和参考光，物光和参考光分别被平面反射镜和小孔反射镜反射后共同经过非偏振分光棱镜和第二透镜形成全息图，被图像传感器采集传输到计算机中；

(2)平面反射镜被驱动产生轴向离焦距离Δf，引入圆载频，图像传感器采集待测物体圆载频全息图I₁，在不放入待测物体时，图像传感器采集背景圆载频全息图I₂，I₁和I₂的强度分布为

其中，(x,y)为笛卡尔坐标系下的点坐标，λ为光源的波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距，a(x,y)和b(x,y)分别为笛卡尔坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，

为待测物体的相位分布；

(3)确定所述圆载频全息图的条纹中心，对所述圆载频全息图I₁和I₂分别进行二次极坐标变换，公式为

其中，(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的条纹中心点坐标，(ρ,θ)为(x,y)在极坐标系下的点坐标；

(4)得到对应的坐标转换后的线性载频全息图I₁′、I₂′，其强度分布为

I₂′(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)cos[2πf_cρ]

其中，a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为极坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，f_c为相应的线性载频，

为极坐标系下待测物体的相位分布；

(5)计算极坐标系下的复振幅r₁(ρ,θ)和r₂(ρ,θ)；

r₁(ρ,θ)＝IFT{FT[I₁′(ρ,θ)]×BPF}

r₂(ρ,θ)＝IFT{FT[I₂′(ρ,θ)]×BPF}

其中，BPF表示带通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

(6)计算极坐标系下的待测物体的相位

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部。

(7)对获得的极坐标系下的待测物体相位

进行二次极坐标逆变换，由极坐标系变换为笛卡尔坐标系，求得最终相位分布

与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：

1.本申请兼顾了CCD带宽利用率、CCD视场利用率、测量实时性、系统稳定性、系统复杂性和操作灵活性，使系统的整体性能有了提高；

2.本申请不需偏振元件、反射光栅等特殊光学元件，结构简单，成本低；

3.通过引入显微物镜后，可应用于显微测量中。

附图说明

图1为基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置的第一实施例的结构示意图；

图2为基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置的第二实施例的结构示意图；

图3为待测物体的相位；

图4为待测物体的圆载频全息图；

图5为无待测物体时的圆载频全息图；

图6为经二次极坐标变换后的待测物体线性载频全息图；

图7为经二次极坐标变换后的无待测物体线性载频全息图；

图8为极坐标系下恢复的待测物体相位；

图9为最终恢复的待测物体相位。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请做进一步说明。

第一实施例：

图1中示出了第一实施例的结构。请参照图1，本基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置包括：光源1、准直扩束系统2、第一透镜4、非偏振分光棱镜5、平面反射镜6、小孔反射镜7、第二透镜8、图像传感器9，所述光源1发射的光束依次经所述准直扩束系统2和待测物体3后入射至所述第一透镜4，经所述第一透镜4聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜5分成一束物光和一束参考光；物光照射在所述平面反射镜6上，参考光照射在所述小孔反射镜7上；经过反射的物光和参考光，再次经过所述非偏振分光棱镜5后汇合成一束光束后，经所述第二透镜8后生成全息图，同时被所述图像传感器9采集到计算机中；所述第一透镜4和所述第二透镜8焦距相等；所述平面反射镜6位于距离所述第一透镜4和所述第二透镜8的共焦平面Δf处，其中Δf为离焦距离，所述小孔反射镜7位于所述第一透镜4和第二透镜8的共焦平面上；所述平面反射镜6可进行轴向的移动以产生不同离焦距离；所述小孔反射镜7在傅里叶平面产生的艾里斑直径为d_p≤1.22λf/D，其中，λ为所述光源的波长，f为所述第一透镜的焦距，D为所述图像传感器的视场宽度。

第二实施例：第二实施例是在第一实施例的基础上，增加了显微物镜和校正物镜。

图2中示出了第二实施例的结构。请参照图2，第二实施例基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置包括：光源1、准直扩束系统2、第一透镜4、非偏振分光棱镜5、平面反射镜6、小孔反射镜7、第二透镜8、图像传感器9、显微物镜10和校正物镜11。其中，显微物镜10和校正物镜11依次配置在从待测物体3到第一透镜4之间的光路上。

第二实施例基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置可应用于显微测量中。

第三实施例：基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测方法。

本基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测方法包括以下步骤：

(1)调整光源1，使光源1发射的光束依次经过准直扩束系统2、待测物体3、第一透镜4和非偏振分光棱镜5后形成物光和参考光，物光和参考光分别被平面反射镜6和小孔反射镜7反射后共同经过非偏振分光棱镜5和第二透镜8形成全息图，被图像传感器9采集传输到计算机中；

(2)平面反射镜6被驱动产生轴向离焦距离Δf，引入圆载频，图像传感器9采集待测物体3圆载频全息图I₁，在不放入待测物体3时，图像传感器9采集背景圆载频全息图I₂，I₁和I₂的强度分布为

其中，(x,y)为笛卡尔坐标系下的点坐标，λ为光源的波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距，a(x,y)和b(x,y)分别为笛卡尔坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，

为待测物体的相位分布；

(3)确定所述圆载频全息图的条纹中心，对所述圆载频全息图I₁和I₂分别进行二次极坐标变换，公式为

其中，(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的条纹中心点坐标，(ρ,θ)为(x,y)在极坐标系下的点坐标；

(4)得到对应的坐标转换后的线性载频全息图I₁′、I₂′，其强度分布为

I₂′(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)cos[2πf_cρ]

其中，a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为极坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，f_c为相应的线性载频，

为极坐标系下待测物体的相位分布；

(5)计算极坐标系下的复振幅r₁(ρ,θ)和r₂(ρ,θ)；

r₁(ρ,θ)＝IFT{FT[I₁′(ρ,θ)]×BPF}

r₂(ρ,θ)＝IFT{FT[I₂′(ρ,θ)]×BPF}

其中，BPF表示带通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

(6)计算极坐标系下的待测物体的相位

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部。

(7)对获得的极坐标系下的待测物体相位

进行二次极坐标逆变换，由极坐标系变换为笛卡尔坐标系，求得最终相位分布

实验：

光源1采用波长632.8nm激光器，第一透镜4和第二透镜8焦距相等，均为f＝100mm，离焦距离Δf＝20mm。

待测物体的相位如图3所示，获得的待测物体的圆载频全息图如图4所示，获得的无待测物体时的圆载频全息图如图5所示，经二次极坐标变换后的待测物体线性载频全息图如图6所示，经二次极坐标变换后的无待测物体线性载频全息图如图7所示，极坐标系下恢复的待测物体相位如图8所示，最终恢复的待测物体相位如图9所示。

上述实施实例具有非常好的稳定性，仅需一幅离线采集的无待测样品圆载频全息图，便可有效消除系统背景噪声的影响，并可通过控制离焦距离优化分辨力，在兼顾测量实时性的同时，方法简单易行，不需要任何偏振元件、反射光栅等特殊光学元件，系统的复杂度进一步降低了。

上述通过具体实施例对本申请进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本申请的内容，并不能理解为对本申请保护范围的限制。本领域技术人员在本申请构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置，其特征在于：包括光源、准直扩束系统、第一透镜、非偏振分光棱镜、平面反射镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，所述光源发射的光束依次经所述准直扩束系统和待测物体后入射至所述第一透镜，经所述第一透镜聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜分成一束物光和一束参考光；物光照射在所述平面反射镜上，参考光照射在所述小孔反射镜上；经过反射的物光和参考光，再次经过所述非偏振分光棱镜后汇合成一束光束后，经所述第二透镜后生成全息图，同时被所述图像传感器采集到计算机中；

所述第一透镜和所述第二透镜焦距相等；

所述平面反射镜位于距离所述第一透镜和所述第二透镜的共焦平面Δf处，其中Δf为离焦距离，所述小孔反射镜位于所述第一透镜和第二透镜的共焦平面上；

所述平面反射镜可进行轴向的移动以产生不同离焦距离；

所述小孔反射镜在傅里叶平面产生的艾里斑直径为d_p≤1.22λf/D，其中，λ为所述光源的波长，f为所述第一透镜的焦距，D为所述图像传感器的视场宽度。

2.根据权利要求1所述的基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置，其特征在于：从待测物体到所述第一透镜之间的光路上依次配置有显微物镜和校正物镜。

3.一种基于权利要求1所述圆载频数字全息检测装置的数字全息检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成物光和参考光，物光和参考光分别被平面反射镜和小孔反射镜反射后共同经过非偏振分光棱镜和第二透镜形成全息图，被图像传感器采集传输到计算机中；

(2)平面反射镜被驱动产生轴向离焦距离Δf，引入圆载频，图像传感器采集待测物体圆载频全息图I₁，在不放入待测物体时，图像传感器采集背景圆载频全息图I₂，I₁和I₂的强度分布为

其中，(x,y)为笛卡尔坐标系下的点坐标，λ为光源的波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距，a(x,y)和b(x,y)分别为笛卡尔坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，

为待测物体的相位分布；

(3)确定所述圆载频全息图的条纹中心，对所述圆载频全息图I₁和I₂分别进行二次极坐标变换，公式为

其中，(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的条纹中心点坐标，(ρ,θ)为(x,y)在极坐标系下的点坐标；

(4)得到对应的坐标转换后的线性载频全息图I₁′、I₂′，其强度分布为

I₂′(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)cos[2πf_cρ]

其中，a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为极坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，f_c为相应的线性载频，

为极坐标系下待测物体的相位分布；

(5)计算极坐标系下的复振幅r₁(ρ,θ)和r₂(ρ,θ)；

r₁(ρ,θ)＝IFT{FT[I₁′(ρ,θ)]×BPF}

r₂(ρ,θ)＝IFT{FT[I₂′(ρ,θ)]×BPF}

其中，BPF表示带通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

(6)计算极坐标系下的待测物体的相位

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部；

(7)对获得的极坐标系下的待测物体相位

进行二次极坐标逆变换，由极坐标系变换为笛卡尔坐标系，求得最终相位分布

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