CN112379583B - 一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法 - Google Patents

一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法，包括：由红、绿、蓝激光光源出射的平行光分别经过发散透镜变为发散光，光束进入分色棱镜，将3种波长不同的激光合成至同一光路，出射光为白色发散球面波；出射的发散球面波经过分束棱镜，反射光进入左侧光路照明物体，物体衍射光进入CCD；透射光由分束棱镜边缘反射镜再次反射，进入右侧光路，作为参考光进入CCD；通过倾斜分束棱镜与反射镜，改变光束的入射角度，实现对物体的扫描，CCD平面所记录的数据即为全息图信息，将CCD记录的全息图数据传输至计算机进行重建处理。本发明的优点是：能够记录物体的全息信息并使用计算机进行重建，具有数据处理方便快速、结构简单、操作容易的优势。

Description

一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法
技术领域
本发明涉及光学全息成像技术领域，特别涉及一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法。
背景技术
光学扫描全息(OSH)是一种特殊的数字全息成像模式,传统扫面全息通过主动二维化扫描，将三维物体的波前信息以数字全息图的形式，通过探测器记录下来，经过光外差解调后利用算法在计算机中对物体进行重建，在医学成像、显微成像、光学图像加密等领域都有重要应用。
OSH与传统全息其中的一个不同点是，物体发出的光不需要是相干的。根据系统配置的不同，全息图可以对样本的振幅或强度响应进行编码。例如，这使得人们可以测量样品的折射率变化，而这种变化实际上是用传统透射成像无法检测到的(尽管这些变化可以用传统全息术成像)。相反，使用OSH可以以纯非相干模式成像，从而掩盖相位变化，只检测物体的强度响应。
文献“Full-color optical scanning holography with common red，green，andblue channels”提出了一种彩色扫描全息系统，此系统在记录过程中需要使用多个分色镜与多路光路，系统结构较为复杂，存在调试较为困难的问题。
文献“Homodyne scanning holography”提出了一种改进的扫描全息系统，其中存在的主要问题是在对每个全息图进行连续扫描时，每个FZP的相位值都有轻微的移动，这种相移给每幅全息图的相位测量值带来一定的误差。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种无透镜系统及其彩色扫描全息实现方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种无透镜系统，包括：反射镜1，分束棱镜2，发散透镜3，分色棱镜4，物体5，CCD(电荷耦合器件)6，红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9，计算机10；
其中红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9位置方向相互正交，三个发散透镜3分别置于三个激光器前方，分色棱镜4置于红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9所朝方向交点处，分束棱镜2置于绿色激光器8所朝方向，物体5和CCD6分别置于分束棱镜2两侧，CCD6与计算机10相连接。
进一步地，所述红色激光器7波长为615-630nm、绿色激光器8波长为515-535nm、蓝色激光器9长为440-490nm。
进一步地，所述发散透镜3为双凸面透镜。
进一步地，所述分色棱镜4几何结构为六面立方体结构，材质为抛光k9玻璃，其中两表面为雾面，其余四表面为抛光面，两雾面相互平行，当白光从一抛光面入射时，其余三抛光面分别出射红、绿、蓝光。
进一步地，所述分束棱镜2几何结构为六面立方体结构。
进一步地，所述反射镜1底部材质为铷铁磁力材质，可吸附于金属表面。
本发明还公开了一种基于无透镜系统的彩色扫描全息实现方法，包括如下步骤：
步骤一：由红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器出射的平行光分别经过发散透镜变为发散光，光束进入分色棱镜，将三种波长不同的激光合成至同一光路，出射光为白色发散球面波；具体实现过程为：
根据透镜焦距公式、波长与折射率的关系，
Figure GDA0003126651700000031
Figure GDA0003126651700000032
f为透镜焦距，n＝R,G,B，r为透镜的曲率半径，d为透镜的中心厚度，nl为折射率，n1、n2为入射介质与出射介质的折射率，λ1、λ2为入射光与出射光的相对波长；调整发散透镜与分色棱镜的距离，发散透镜3与分色棱镜4的距离分别为fR、fG、fB，使得红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器出射的发散球面波到达分色棱镜的光程相同；
步骤二：出射的发散球面波经过分束棱镜，反射光进入左侧光路照明物体，物体衍射光进入CCD；透射光由分束棱镜边缘反射镜再次反射，进入右侧光路，作为参考光进入CCD；具体实现过程为：
调整分色棱镜与分束棱镜的距离d1，分束棱镜与CCD的距离d2，分束棱镜与物体的距离d3，使得d1＝d2＝d3；由分色棱镜出射的发散球面波经过分束棱镜，分为透射光与反射光，反射光照明物体，光波在物体前表面表达式为
Figure GDA0003126651700000033
A为光波振幅，j为虚数单位，D为从分色棱镜到物体的光程，k为波数，n＝R，G，B，x与y为物体所在的平面坐标；光波经过物体后，衍射光进入CCD，忽略常相位项后，衍射光波到达CCD平面的表达式为
Figure GDA0003126651700000034
x2与y2为CCD所在平面的坐标，O为物体透过率函数，F{·}为对括号内的表达式做傅里叶变换，由于d1＝d2＝d3，故物体衍射光到达CCD的距离也为D；分束棱镜的透射光经过反射镜反射后，作为参考光进入CCD，λn为光波的波长；
步骤三，通过倾斜分束棱镜与反射镜，改变光束的入射角度，实现对物体的扫描，CCD平面所记录的数据即为全息图信息，参考光的表达式为
Figure GDA0003126651700000041
R0为参考光振幅，k为波数，n＝R，G，B，b为旋转分束棱镜与反射镜时，参考光光路沿坐标轴移动的距离；CCD所记录的全息图光强表达式为
I＝|U+R|2
步骤四，将CCD记录的全息图数据传输至计算机进行重建处理，计算机所得到的傅里叶全息图为U·R*，*表示函数的复共轭，将傅里叶全息图做傅里叶逆变换即可得到重建图像，重建图像为
F-1{U·R*}
F-1{·}为对括号内表达式做傅里叶逆变换。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
使用无透镜扫描系统对物体进行扫描，能够记录物体的全息信息并使用计算机进行重建，具有数据处理方便快速、结构简单、操作容易的优势。
附图说明
图1是本发明实施例整体结构示意图；
图2是本发明实施例分束棱镜光路图；
图3是本发明实施例分色棱镜光路图。
图中：反射镜1，分束棱镜2，发散透镜3，分色棱镜4，物体5，CCD(电荷耦合器件)6，红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9，计算机10。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2所示，附图中的标号分别表示：反射镜1，分束棱镜2，发散透镜3，分色棱镜4，物体5，CCD(电荷耦合器件)6，红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9，计算机10；其中红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9位置方向相互正交，三个发散透镜3分别置于三个激光器前方，分色棱镜4置于红色激光器7、绿色激光器8、蓝色激光器9所朝方向交点处，根据(1)、(2)式，发散透镜3与分色棱镜4的距离分别为fR、fG、fB，分束棱镜2置于绿色激光器8所朝方向，距离分色棱镜4距离为d1，物体5，CCD(电荷耦合器件)6分别置于分束棱镜2两侧，CCD(电荷耦合器件)6与分束棱镜2距离为d2，物体5与分束棱镜2距离为d3，其中d1＝d2＝d3，CCD(电荷耦合器件)6与计算机10相连接。
本发明中的一种基于无透镜系统的彩色扫描全息实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由红、绿、蓝激光光源出射的平行光分别经过发散透镜变为发散光，光束进入分色棱镜，将3种波长不同的激光合成至同一光路，出射光为白色发散球面波；
步骤二：出射的发散球面波经过分束棱镜，反射光进入左侧光路照明物体，物体衍射光进入CCD；透射光由分束棱镜边缘反射镜再次反射，进入右侧光路，作为参考光进入CCD；
步骤三，通过倾斜分束棱镜与反射镜，改变光束的入射角度，实现对物体的扫描，CCD平面所记录的数据即为全息图信息；
步骤四，将CCD记录的全息图数据传输至计算机进行重建处理；
其中反射镜1紧贴与分束棱镜2后表面，将其磁性面置于金属支架表面；调节发散透镜3与分色棱镜4的距离，使三色激光光路能够同时汇聚至分色棱镜4中，使用光学磁力底座调节分色棱镜4、分束棱镜2、物体5、CCD6的位置，使d1、d2、d3的距离为250mm，旋转磁力底座的开关将其稳定，打开激光器7、8、9开关，使用精密旋转位移台旋转分束棱镜2与反射镜1，使CCD6记录光场信息传输至计算机10，计算机10使用matlab软件对采集的数据进行重建处理。
红色激光器7波长为632nm、绿色激光器8波长为532nm、蓝色激光器波长9为488nm。
所述发散透镜3，为双凸面透镜。
所述分色棱镜4，几何结构为六面立方体结构，材质为抛光k9玻璃，其中上下两表面为雾面，其余四表面为抛光面，两雾面相互平行，当白光从一抛光面入射时，其余三抛光面分别出射红、绿、蓝光。
所述分束棱镜2，几何结构为六面立方体结构。
所述反射镜1，其底部材质为铷铁磁力材质，可吸附于金属表面。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无透镜系统，其特征在于，包括：反射镜(1)、分束棱镜(2)、发散透镜(3)、分色棱镜(4)、物体(5)、CCD(电荷耦合器件)(6)、红色激光器(7)、绿色激光器(8)、蓝色激光器(9)和计算机(10)；
其中红色激光器(7)、绿色激光器(8)、蓝色激光器(9)位置方向相互正交，三个发散透镜(3)分别置于三个激光器前方，分色棱镜(4)置于红色激光器(7)、绿色激光器(8)、蓝色激光器(9)所朝方向交点处，分束棱镜(2)置于绿色激光器(8)所朝方向，物体(5)和CCD(6)分别置于分束棱镜(2)两侧，CCD(6)与计算机(10)相连接，通过调整发散透镜(3)与分色棱镜(4)的距离，能够使得红色激光器(7)、绿色激光器(8)、蓝色激光器(9)射出的发散球面波到达分色棱镜的光程相同，通过倾斜分束棱镜与反射镜，改变光束的入射角度，实现对物体的扫描。
2.根据权利要求1所述的一种无透镜系统，其特征在于：
所述红色激光器(7)波长为615-630nm、绿色激光器(8)波长为515-535nm、蓝色激光器(9)波长为440-490nm。
3.根据权利要求1所述的一种无透镜系统，其特征在于：所述发散透镜(3)为双凸面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种无透镜系统，其特征在于：所述分色棱镜(4)几何结构为六面立方体结构，材质为抛光k9玻璃，其中上下两表面为雾面，其余四表面为抛光面，两雾面相互平行。
5.根据权利要求1所述的一种无透镜系统，其特征在于：所述分束棱镜(2)几何结构为六面立方体结构。
6.根据权利要求1所述的一种无透镜系统，其特征在于：所述反射镜(1)底部材质为铷铁磁力材质，可吸附于金属表面。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的无透镜系统的彩色扫描全息实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器出射的平行光分别经过发散透镜变为发散光，光束进入分色棱镜，将三种波长不同的激光合成至同一光路，出射光为白色发散球面波；具体实现过程为：
根据透镜焦距公式、波长与折射率的关系，
Figure FDA0003126651690000021
Figure FDA0003126651690000022
f为透镜焦距，n＝R，G，B，r为透镜的曲率半径，d为透镜的中心厚度，nl为透镜的折射率，n1、n2为入射介质与出射介质的折射率，λ1、λ2为入射光与出射光的相对波长；调整发散透镜与分色棱镜的距离，发散透镜3与分色棱镜4的距离分别为fR、fG、fB，使得红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器出射的发散球面波到达分色棱镜的光程相同；
步骤二：出射的发散球面波经过分束棱镜，反射光进入左侧光路照明物体，物体衍射光进入CCD；透射光由分束棱镜边缘反射镜再次反射，进入右侧光路，作为参考光进入CCD；具体实现过程为：
调整分色棱镜与分束棱镜的距离d1，分束棱镜与CCD的距离d2，分束棱镜与物体的距离d3，使得d1＝d2＝d3；由分色棱镜出射的发散球面波经过分束棱镜，分为透射光与反射光，反射光照明物体，光波在物体前表面表达式为
Figure FDA0003126651690000031
A为光波振幅，j为虚数单位，D为白色发散球面波从分色棱镜到物体的光程，k为波数，n＝R,G,B，x与y为物体所在的平面坐标；光波经过物体后，衍射光进入CCD，忽略常相位项后，衍射光波到达CCD平面的表达式为
Figure FDA0003126651690000032
x2与y2为CCD所在平面的坐标，O为物体透过率函数，F{·}为对括号内的表达式做傅里叶变换，由于d1＝d2＝d3，故物体衍射光到达CCD的距离也为D；分束棱镜的透射光经过反射镜反射后，作为参考光进入CCD；λn为光波的波长；
步骤三，通过倾斜分束棱镜与反射镜，改变光束的入射角度，实现对物体的扫描，CCD平面所记录的数据即为全息图信息，参考光的表达式为
Figure FDA0003126651690000033
R0为参考光振幅，k为波数，n＝R，G，B，b为旋转分束棱镜与反射镜时，参考光光路沿坐标轴移动的距离；CCD所记录的全息图光强表达式为
I＝|U+R|2
步骤四，将CCD记录的全息图数据传输至计算机进行重建处理，计算机所得到的傅里叶全息图为U·R*，*表示函数的复共轭，将傅里叶全息图做傅里叶逆变换即可得到重建图像，重建图像为F-1{U·R*}
F-1{·}为对括号内表达式做傅里叶逆变换。
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