CN113031422B - 一种全息成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全息成像装置，包括：光源、分束镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和图像采集模块；光源发出非相干光光束；非相干光光束照射在待成像物体上；通过待成像物体的光束经分束镜一次反射至第一平面镜；一次反射的光束经第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜反射进入分束镜发生二次反射；通过待成像物体的光束经分束镜一次透射至第三平面镜；一次透射的光束经第三平面镜、第二平面镜和第一平面镜反射进入分束镜发生二次透射；二次反射的光束与一次反射的光束汇合后在图像采集模块处发生干涉；图像采集模块生成待成像物体的全息图。采用本发明的全息成像装置，能够减少全息图中的散弹噪声和寄生干涉条纹。

Description

一种全息成像装置
技术领域
本发明涉及全息成像技术领域，特别是涉及一种全息成像装置。
背景技术
全息技术在数字全息显微、三维形貌测量、图像识别、图像防伪、图像加密、医学诊断和三维层析成像等研究领域具有广阔的应用前景。由于全息图记录了被测物体的波前信息，根据全息图，利用相位解包裹算法能够获取被测物体的三维参数，因而全息技术在数字全息显微领域备受关注。但是，传统的全息成像技术采用激光光源，生成的全息图存在散弹噪声和寄生干涉条纹，且分辨率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种全息成像装置，能够减少全息图中的散弹噪声和寄生干涉条纹。
实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全息成像装置，包括：
光源、分束镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和图像采集模块；
所述分束镜设置于所述光源的输出光路上，待成像物体位于所述光源和所述分束镜之间，所述第一平面镜设置于所述分束镜的第一反射光路上，所述第一平面镜与所述分束镜的第一反射光路成45度角；所述第二平面镜设置于所述第一平面镜的反射光路上，所述第二平面镜与所述第一平面镜的反射光路成45度角；所述第三平面镜设置于所述第二平面镜的反射光路上，所述第二平面镜与所述第二平面镜的反射光路成45度角；所述第三平面镜的反射光路与所述分束镜的第一透射光路同轴；所述图像采集模块设置于所述分束镜的第二反射光路上；所述分束镜的第二反射光路与所述分束镜的第二透射光路同轴；
所述光源发出非相干光光束；所述非相干光光束照射在所述待成像物体上；通过所述待成像物体的光束经所述分束镜一次反射至所述第一平面镜；一次反射的光束经所述第一平面镜、所述第二平面镜和所述第三平面镜反射进入所述分束镜发生二次反射；通过所述待成像物体的光束经所述分束镜一次透射至所述第三平面镜；一次透射的光束经所述第三平面镜、所述第二平面镜和所述第一平面镜反射进入所述分束镜发生二次透射；二次反射的光束与一次反射的光束汇合后在所述图像采集模块处发生干涉；所述图像采集模块生成所述待成像物体的全息图。
可选的，所述装置，还包括：
显微物镜；
所述显微物镜设置于所述待成像物体和所述分束镜之间的光路上；所述显微物镜用于放大通过所述待成像物体的光束。
可选的，所述装置，还包括：
光栅；
所述光栅设置于所述待成像物体和所述显微物镜之间的光路上；所述光栅用于将通过所述待成像物体的光束汇聚至所述显微物镜。
可选的，所述光栅为透射光栅。
可选的，所述光栅的闪耀角为24.8度。
可选的，所述装置，还包括：
滤光片；
所述滤光片设置于所述分束镜和所述图像采集模块之间的光路上；所述滤光片用于滤除所述发生干涉后的光束中的杂光。
可选的，所述图像采集模块为CCD相机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种全息成像装置，包括光源、分束镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和图像采集模块；分束镜设置于光源的输出光路上，待成像物体位于光源和分束镜之间，第一平面镜设置于分束镜的第一反射光路上，第一平面镜与分束镜的第一反射光路成45度角；第二平面镜设置于第一平面镜的反射光路上，第二平面镜与第一平面镜的反射光路成45度角；第三平面镜设置于第二平面镜的反射光路上，第二平面镜与第二平面镜的反射光路成45度角；第三平面镜的反射光路与分束镜的第一透射光路同轴；图像采集模块设置于分束镜的第二反射光路上；分束镜的第二反射光路与分束镜的第二透射光路同轴；光源发出非相干光光束；非相干光光束照射在待成像物体上；通过待成像物体的光束经分束镜一次反射至第一平面镜；一次反射的光束经第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜反射进入分束镜发生二次反射；通过待成像物体的光束经分束镜一次透射至第三平面镜；一次透射的光束经第三平面镜、第二平面镜和第一平面镜反射进入分束镜发生二次透射；二次反射的光束与一次反射的光束汇合后在图像采集模块处发生干涉；图像采集模块生成待成像物体的全息图。本发明的全息成像装置通过设置非相干光光源代替激光光源并设置能使非相干光光束产生干涉的分束镜和平面镜组，使获取的全息图中的散弹噪声和寄生干涉条纹明显减少，提高了成像精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的全息成像装置结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的模拟全息图和数字全息图的记录过程对比图；图2(a)为本发明实施例所提供的模拟全息图的记录过程图；图2(b)为本发明实施例所提供的数字全息图的记录过程图；
图3为本发明实施例所提供全息成像装置未设置光栅时的成像原理图；
图4为本发明实施例所提供全息成像装置设置光栅时的成像原理图。
其中，A-光源；B-待成像物体；C-光栅；D-显微物镜；E-分束镜；F-第一平面镜；G-第二平面镜；H-第三平面镜；I-滤光片；J-图像采集模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种全息成像装置，能够减少全息图中的散弹噪声和寄生干涉条纹。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的全息成像装置结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种全息成像装置，包括：光源A、分束镜E、第一平面镜F、第二平面镜G、第三平面镜H和图像采集模块J；
分束镜E设置于光源A的输出光路上，待成像物体B位于光源A和分束镜E之间，第一平面镜F设置于分束镜E的第一反射光路上，第一平面镜F与分束镜E的第一反射光路成45度角；第二平面镜G设置于第一平面镜F的反射光路上，第二平面镜G与第一平面镜F的反射光路成45度角；第三平面镜H设置于第二平面镜G的反射光路上，第二平面镜G与第二平面镜G的反射光路成45度角；第三平面镜H的反射光路与分束镜E的第一透射光路同轴；图像采集模块J设置于分束镜E的第二反射光路上；分束镜E的第二反射光路与分束镜E的第二透射光路同轴；
光源A发出非相干光光束；非相干光光束照射在待成像物体B上；通过待成像物体B的光束经分束镜E一次反射至第一平面镜F；一次反射的光束经第一平面镜F、第二平面镜G和第三平面镜H反射进入分束镜E发生二次反射；通过待成像物体B的光束经分束镜E一次透射至第三平面镜H；一次透射的光束经第三平面镜H、第二平面镜G和第一平面镜F反射进入分束镜E发生二次透射；二次反射的光束与一次反射的光束汇合后在图像采集模块J处发生干涉；图像采集模块J生成待成像物体B的全息图。图1中s表示一次反射的光束经所述第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜反射进入所述分束镜的路径；图1中p表示二次反射的光束经第三平面镜、第二平面镜和第一平面镜反射进入分束镜的路径；
本发明提供的全息成像装置还包括显微物镜D；显微物镜D设置于待成像物体B和分束镜E之间的光路上；显微物镜D用于放大通过待成像物体B的光束。
本发明提供的全息成像装置还包括光栅C；光栅C设置于待成像物体B和显微物镜D之间的光路上；光栅C用于将通过待成像物体B的光束汇聚至显微物镜D。光栅C为透射光栅C；光栅C的闪耀角为24.8度，尺寸大小为25×25×3mm，刻线数为300line/mm。
具体的，图像采集模块J为CCD相机。
此外，本发明提供的全息成像装置还包括：滤光片I；滤光片I设置于分束镜E和图像采集模块J之间的光路上；滤光片I用于滤除发生干涉后的光束中的杂光。
具体的，本发明提供的全息成像装置原理如下：
(1)全息图原理
在全息装置中，可以用两束光或一束光成像。通过物体的光称为物光，不通过物体的光称为参考光，若只有一束光的话，则没有参考光。同轴全息术是指物光和参考光之间没有夹角，也就是没有横向剪切距，不产生干涉，只通衍射作用成像，也可以只用一束光照亮物体即可。而离轴全息是指参考光和物光之间有一定角度，也就是两束光之间有一定的剪切距使得这两束光在全息记录平面处干涉，并由此记录下物体的相位信息和强度信息。
图2为本发明实施例所提供的模拟全息图和数字全息图的记录过程对比图；图2(a)为本发明实施例所提供的模拟全息图的记录过程图；图2(b)为本发明实施例所提供的数字全息图的记录过程图；如图2所示，当参考光和物光到达全息图平面时，这两束光的叠加产生干涉条纹(离轴)或散斑图样(同轴)，这些条纹和图样会被光强敏感的介质或设备一全息图的形式记录下来。为了再现物体的物光波前，必须用另一束参考光照射全息图。
(2)全息图的数学表达
物光场EO和参考光场ER同时照亮全息图记录平面时，全息图强度I的计算公式如下：
Figure BDA0002955869300000051
式中，
Figure BDA0002955869300000052
和
Figure BDA0002955869300000053
分别为ER和EO共轭光强。
再现全息图时，用另一个参考光场E'R照亮全息图，全息图被照亮时的光场E的计算公式如下：
Figure BDA0002955869300000061
式中，第一项和第二项分别为直透光和晕轮光前(统称为0级项)，这两项沿着光轴传播，最后得到的是0级像。后两项均为一阶孪生项，其中，第三项携带原始光波信息，沿着参考光的共轭方向传播。向第三项相反方向延长能够得到物体的-1级像，也叫做虚像。第四项携带原始物光波的共轭光信息，沿参考光波方向传播，汇聚可以得到+1级像，也叫做实像。
(3)非相干光干涉
非相干全息成像技术的关键问题是如何在非相干照明条件下实现两束光在空间上的自干涉，得到干涉图像。空间非相干光源上的任意两点发出的光波互不相干，在空间互相重叠的区域不产生干涉条纹。因此，使用传统方法难以实现样品光波前的干涉记录。然而，如果将空间非相干光源上同一点发出的光波分为两束，则它们彼此是空间自相干的，互相叠加后可产生干涉条纹。基于这一原理，将非相干光照明的样品或自发光样品发出的光波通过分波前或分振幅的方式分为不同的两束，则可实现全息图的记录。将样品理解为无数个点光源，每个点光源发出的光波被分束后，在记录平面上干涉形成对应的点源全息图；所有点源全息图的非相干(光强)叠加构成了样品的全息图。点源全息图的中心位置和条纹疏密等特性中编码了对应的点光源的三维空间位置，利用合适的重建方法即可根据全息图实现样品的三维重建。非相干全息成像技术需要保证样品发出的光波具有一定的时间相干性。由于实际的光学元件不可避免的存在色差，使用干涉滤光片对样品发出光波的带宽进行限制，能够提高光波的时间相干性。
(4)光栅原理
图3为本发明实施例所提供全息成像装置未设置光栅时的成像原理图；如图3所示，以一点P为例，全息成像装置未设置光栅时，所有被物体散射的射线都自由地向前传播到CCD(电荷耦合器件，charge couled device)相机成像平面，由于CCD阵列的孔径有限,只有中心射线进入全息图的区域进行数字记录，也就是说，被记录的物体波束仅是物体散射的光的一部分。图4为本发明实施例所提供全息成像装置设置光栅时的成像原理图；(图4中的C表示光栅)如图4所示，在物体和CCD阵列之间设置光栅，点P发出的七束光束均能被CCD记录下来，除中心射线外，其他六束光束的均是由光栅的第一个衍射阶产生的。CCD阵列同时记录了七个数字全息图，七个数字全息图在空间上被多路复用和相干叠加，使根据全息图重建的被测目标的聚焦真实图像具有更高的分辨率。由于光栅为六角形，CCD孔径在120°时沿三个方向的每个方向增加了三次，点P的重建图像的分辨率提高了三倍。
(4)系统装置介绍及优势分析
非相干光源发出的光束照射待成像物体(一般情况下体积很小)后通过光栅后进入显微物镜，经显微物镜放大的光束进入分束镜后被分成两束，一束透过分束镜，一束经分束镜反射，两束光经平面镜反射(反射过程光路相同，方向相反)后进入分束镜后汇合，汇合后的光束经滤光片在CCD靶面(全息记录平面)干涉成像，CCD相机将样本的信息以数字形式(全息图)记录下来等待后续处理。
具体的，携带物体信息的光束被分成两束反向传播的正交偏振光，两束光经过完全相同的光学器件(第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜)，并在分束镜处汇合，汇合后继续传播至CCD相机靶面处，最后用CCD相机记录产生的干涉条纹，并将干涉条纹信息以数字形式保存。本发明提供的全息成像装置采用非相干光源进行全息成像，相较于传统的激光干涉全息成像，减少了全息图中的散斑噪声和寄生干涉条纹，降低了成本；采用光栅提高整个光路系统的分辨率；分束镜与平面镜组组成的干涉模块基于空间调制型的横向剪切对光束进行干涉，减小了因使用运动部件和扫描机而造成的误差，且受外界振动、气流等因素的影响较小，具有稳定性高、抗干扰能力强、通量高的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种全息成像装置，其特征在于，所述装置，包括：
光源、分束镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和图像采集模块；
所述分束镜设置于所述光源的输出光路上，待成像物体位于所述光源和所述分束镜之间，所述第一平面镜设置于所述分束镜的第一反射光路上，所述第一平面镜与所述分束镜的第一反射光路成45度角；所述第二平面镜设置于所述第一平面镜的反射光路上，所述第二平面镜与所述第一平面镜的反射光路成45度角；所述第三平面镜设置于所述第二平面镜的反射光路上，所述第二平面镜与所述第二平面镜的反射光路成45度角；所述第三平面镜的反射光路与所述分束镜的第一透射光路同轴；所述图像采集模块设置于所述分束镜的第二反射光路上；所述分束镜的第二反射光路与所述分束镜的第二透射光路同轴；
所述光源发出非相干光光束；所述非相干光光束照射在所述待成像物体上；通过所述待成像物体的光束经所述分束镜一次反射至所述第一平面镜；一次反射的光束经所述第一平面镜、所述第二平面镜和所述第三平面镜反射进入所述分束镜发生二次反射；通过所述待成像物体的光束经所述分束镜一次透射至所述第三平面镜；一次透射的光束经所述第三平面镜、所述第二平面镜和所述第一平面镜反射进入所述分束镜发生二次透射；二次反射的光束与一次反射的光束汇合后在所述图像采集模块处发生干涉；所述图像采集模块生成所述待成像物体的全息图；
所述装置，还包括：
滤光片；
所述滤光片设置于所述分束镜和所述图像采集模块之间的光路上；所述滤光片用于滤除所述发生干涉后的光束中的杂光。
2.根据权利要求1所述的全息成像装置，其特征在于，所述装置，还包括：
显微物镜；
所述显微物镜设置于所述待成像物体和所述分束镜之间的光路上；所述显微物镜用于放大通过所述待成像物体的光束。
3.根据权利要求2所述的全息成像装置，其特征在于，所述装置，还包括：
光栅；
所述光栅设置于所述待成像物体和所述显微物镜之间的光路上；所述光栅用于将通过所述待成像物体的光束汇聚至所述显微物镜。
4.根据权利要求3所述的全息成像装置，其特征在于，所述光栅为透射光栅。
5.根据权利要求3所述的全息成像装置，其特征在于，所述光栅的闪耀角为24.8度。
6.根据权利要求1所述的全息成像装置，其特征在于，所述图像采集模块为CCD相机。
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