CN114459342A - 基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置 - Google Patents

基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，通过将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，以使参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；或所述切换装置将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统；可根据实际测量的需求选择同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，整合二者的优势，无需调整系统其他部件，操作简单、快捷。

Description

基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置
技术领域
本发明实施例涉及数字全息三维测量技术领域，尤其涉及一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置。
背景技术
数字全息是一种利用干涉原理测量出光波被物体调制后的光学相位，继而可以得到物体三维信息的光学干涉测量技术。数字全息显微术是一种将数字全息、显微术、干涉测量和光学相位测量技术相结合的新型高精度显微相位测量技术，具有对样品无接触、非破坏、非干预、全场同时成像、测量快捷、使用方便、生物样品无需染色、容易与其他仪器联用等优点。其方法利用干涉原理将微观物体对测量光波相位的调制解调成强度随调制相位低频变化的干涉条纹，再利用相位测量技术从干涉图中二次解调出待测样品相位分布，进而实现微观样品的三维形貌及折射率分布的高精度测量，纵向测量精度可达纳米量级。
数字全息技术可以分为同轴数字全息术和离轴数字全息术两大类。同轴数字全息术往往与相移测量技术结合进行相位测量，具有背景噪声消除彻底、空间带宽积大及测量精度高等优点，但需要采集多幅相移干涉图，限制了其在动态测量领域的应用；离轴数字全息术通过使物光波与参考光波形成一定夹角，形成空域载频条纹，只需单张干涉图便可恢复样品待测相位，非常适用于动态测量领域，但滤波窗口的选择及背景噪声会影响测量精度，测量精度不如同轴数字全息术。
发明内容
本发明实施例提供一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，通过改变入射光的偏振态来控制晶体出射的寻常光和线偏振光的比例、出射位置及出射方向，进而达到改变参考光的平移方向及平移量的目的。
本发明实施例提供一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，包括植入式无干扰数字全息系统和同轴与离轴切换装置；
所述植入式无干扰数字全息系统用于将激光分束为物光和参考光，并分别将所述物光和所述参考光传输至第一非偏振分束棱镜处，所述第一非偏振分束棱镜一侧设有偏振片和CCD图像传感器；
所述离轴与同轴切换装置包括半波片、平行分束偏光棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，以控制所述平行分束偏光棱镜出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；或
所述切换装置用于将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统。
作为优选的，所述参考光的光轴沿z轴方向，所述p偏振方向沿y轴方向，s偏振方向沿x轴方向；所述半波片和所述平行分束偏光棱镜的表面垂直于z后方向，所述半波片的慢轴位于x轴和y轴所在平面内。
作为优选的，所述离轴与同轴切换装置还包括补偿平行平板；所述第一预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为0°，所述第二预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为45°；
旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，参考光的偏振方向旋转90°，插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；所述半波片和所述补偿平行平板的表面垂直于所述参考光的光轴；
切换装置将所述补偿平行平板滑出所述参考光的光路，并向所述参考光的光路中滑入非偏振分束棱镜，调节半波片的慢轴与z轴夹角为0°时，参考光通过平行分束偏光棱镜后发生偏转，参考光的曲率中心发生非光轴方向平移，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，得到同轴数字全息系统。
作为优选的，所述离轴与同轴切换装置还包括补偿平行平板；所述第一预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为0°，所述第二预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为45°；
旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与y轴夹角为45°，并在参考光的光路里插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；
切换装置将滑动取下参考光的光路里的补偿平行平板，并滑动平行分束偏光棱镜进入参考光的光路，参考光通过平行分束偏光棱镜后曲率中心发生非光轴方向平移，与物光的曲率中心错位，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置滑动所述平行分束偏光棱镜离开参考光的光路，得到同轴数字全息系统。
作为优选的，所述植入式无干扰数字全息系统包括氦氖激光器、第二非偏振分束棱镜、第一物镜、第一反射镜、第一管透镜、第二反射镜、第二物镜和第二管透镜；
所述氦氖激光器用于发射波长为632.8nm的激光；所述激光的偏振方向为z轴方向；
所述第二非偏振分束棱镜用于通过透射和反射将所述激光进行分束，其中，透射的光束作为物光，反射的光束作为参考光；
所述第一物镜设于所述参考光的光路上，所述第一反射镜设于所述第一物镜的出射光路上，所述第一管透镜设于所述第一反射镜的反射光路上，所述第一管透镜的前焦点与所述第一物镜的后焦点重合，所述第一管透镜的出射光为球面光波；
所述第二反射镜设于所述物光的光路上，所述第二物镜设于所述第二反射镜的反射光路上，所述第二管透镜设于所述第二物镜的出射光路上，所述第二管透镜的前焦点与所述第二物镜的后焦点重合，所述第二管透镜的出射光为球面光波；
所述第一管透镜和所述第二管透镜的出射光汇聚至所述第一非偏振分束棱镜；
所述偏振片位于所述第一非偏振分束棱镜的出射光路上。
作为优选的，所述CCD图像传感器为单色黑白CCD图像传感器，所述CCD图像传感器设于所述第二管透镜的等效空气焦距处。
作为优选的，所述补偿平行平板的厚度L1为：
Figure BDA0003488664380000041
上式中，L1为补偿平行平板的厚度；n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率，所述入射介质为参考光所处传播介质，所述折射介质为补偿平行平板；所述参考光的发散角为2θ；Δz为参考光的曲率中心在z轴方向上的平移量。
作为优选的，参考光上边缘光线在y轴方向上的平移量为Δd3，参考光下边缘光线在y轴方向上的平移量为Δd4；
Figure BDA0003488664380000042
Figure BDA0003488664380000043
上式中，no为平行分束偏光棱镜中o光的折射率，ne为平行分束偏光棱镜中e光的折射率，β为平行分束偏光棱镜的光轴与界面的夹角；L2为平行分束偏光棱镜的厚度；
p偏振光通过平行分束偏光棱镜后的曲率中心在y轴方向上的平移距离为：
Figure BDA0003488664380000051
在z方向上的平移距离为：
Figure BDA0003488664380000052
作为优选的，所述第一反射镜安装于PTZ驱动器上。
本发明实施例提供的一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，通过滑动或旋转设计好的同/离轴切换装置中的切换零件，所述切换装置将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，以控制所述平行分束偏光棱镜出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；或所述切换装置将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统；可根据实际测量的需求选择同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，整合二者的优势，无需调整系统其他部件，操作简单、快捷。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的光线通过一定厚度折射介质时光线平移情况的原理图；
图2为根据本发明实施例的圆条纹干涉图；
图3为根据本发明实施例的载频直条纹干涉图；
图4为根据本发明实施例的两球面波干涉形成载频直条纹的原理图；
图5为根据本发明实施例的补偿平行平板的工作原理图；
图6为根据本发明实施例的p偏振光通过平行分束偏光棱镜时光线偏转的原理图；
图7为根据本发明实施例的半波片慢轴在图示坐标系平面内且与y轴夹角为45°时，参考光传播方向的示意图；
图8为根据本发明实施例的半波片慢轴在图示坐标系平面内且与y轴夹角为0°时，参考光传播方向的示意图；
图9为根据本发明实施例的参考光路未放置平行分束偏光棱镜时参考光传播方向的示意图；
图10为根据本发明实施例的滑动平行分束偏光棱镜进入参考光路时参考光传播方向的示意图；
图11为根据本发明实施例2的光路图；
图12为根据本发明实施例3的光路图；
图13为根据本发明实施例4的光路图；
图14为根据本发明实施例中利用离轴数字全息系统采集得到的离轴干涉图；
图15为根据本发明实施例中利用离轴数字全息系统采集得到的离轴干涉图对应的相位分布图；
图16为根据本发明实施例中利用同轴数字全息系统采集得到的同轴干涉图；
图17为根据本发明实施例中利用同轴数字全息系统采集得到的同轴干涉图对应的相位分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
数字全息技术可以分为同轴数字全息术和离轴数字全息术两大类。同轴数字全息术往往与相移测量技术结合进行相位测量，具有背景噪声消除彻底、空间带宽积大及测量精度高等优点，但需要采集多幅相移干涉图，限制了其在动态测量领域的应用；离轴数字全息术通过使物光波与参考光波形成一定夹角，形成空域载频条纹，只需单张干涉图便可恢复样品待测相位，非常适用于动态测量领域，但滤波窗口的选择及背景噪声会影响测量精度，测量精度不如同轴数字全息术。
因此，本发明实施例提供一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，通过滑动或旋转设计好的同/离轴切换装置中的切换零件，使参考光光束平移或改变传输角度，可根据实际测量的需求选择同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，整合二者的优势，无需调整系统其他部件，操作简单、快捷。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
本发明实施例所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置及技术原理包括光的折射定律、晶体的双折射性质和光的干涉原理。下面具体介绍它们在本发明技术中的应用。
光的折射定律：光线通过两各向同性介质的界面发生折射时，入射光线与折射光线传播方向间存在关系：n1sinθ1＝n2sinθ2，其中n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率，θ1、θ2分别为入射光线的入射角和折射光线的折射角。根据这个原理，当光线从入射介质倾斜入射到一定厚度的折射介质(入射介质与折射介质折射率不相同)，并通过折射介质再次回到入射介质时，出射光线与入射光线的方向一致，但在空间上存在平移，平移方向、平移量大小与入射方位角、折射介质厚度有关，该过程如附图1所示。
光线的平移量Δd可以通过几何光学理论求得：
Figure BDA0003488664380000081
其中L为折射介质的厚度，n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率(后面所有公式中n1、n2均指同一物理量)，θ1、θ2分别为入射光线的入射角和折射光线的折射角。
光的干涉原理：光的干涉是指两束或者多束光在空间相遇时，在重叠区域形成稳定的光强强度分布的现象。光的干涉一般可以分为两种，一种为光的同轴干涉，形成圆条纹，如附图2所示；另一种为光的离轴干涉，形成载频直条纹，如附图3所示。
在数字全息系统中，发生干涉的两束光一般分为物光(携带有待测样品信息)和参考光(不携带任何待测样品信息)。同轴数字全息是指物光和参考光夹角为零度，产生的干涉图为圆条纹或者无条纹，通常使用相移方法进行相位恢复；离轴数字全息一般是指平行光物光与平行光参考光之间存在一定夹角，干涉条纹为载频直条纹，可使用傅里叶变换方法或相移方法进行相位恢复。杨氏双缝干涉的实验结果表明，两束曲率中心到接收面距离相等但不重合的球面光波干涉，(即z方向坐标一致，x、y方向坐标不完全一致)，也能产生载频直条纹，如附图4所示，载频量与两曲率中心O、O’在xy平面上的距离成正比，载频条纹方向由两曲率中心O、O’在x、y方向上的距离比例决定。
晶体的双折射性质：光入射到各向异性晶体时会产生两条折射光线，其中一条的折射行为遵循折射定律，称为o光或寻常光；另外一条折射光线一般不遵循折射定律称为e光或非寻常光；o光和e光是偏振方向相互垂直的线偏振光，出射位置以及出射方向一般不同，二者的比例与入射光偏振态有光。根据这个原理，我们可以通过改变入射光的偏振态来控制晶体出射的o光和e光的比例、出射位置及出射方向，进而达到改变参考光的平移方向及平移量的目的。
实施例1
本发明实施例提供一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，包括植入式无干扰数字全息系统和同轴与离轴切换装置；
所述植入式无干扰数字全息系统用于将激光分束为物光和参考光，并分别将所述物光和所述参考光传输至第一非偏振分束棱镜处，所述第一非偏振分束棱镜一侧设有偏振片和CCD图像传感器；所述参考光的光轴沿z轴方向，所述p偏振方向沿y轴方向，s偏振方向沿x轴方向；所述半波片和所述平行分束偏光棱镜的表面垂直于z后方向，所述半波片的慢轴位于x轴和y轴所在平面内。
所述离轴与同轴切换装置包括半波片、平行分束偏光棱镜和切换装置；所述离轴与同轴切换装置还包括补偿平行平板；
作为一种优选的实施方式，所述切换装置用于将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，所述第一预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为0°，所述第二预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为45°；控制所述平行分束偏光棱镜出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，参考光的偏振方向旋转90°，插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；所述半波片和所述补偿平行平板的表面垂直于所述参考光的光轴；
切换装置将所述补偿平行平板滑出所述参考光的光路，并向所述参考光的光路中滑入非偏振分束棱镜，调节半波片的慢轴与z轴夹角为0°时，参考光通过平行分束偏光棱镜后发生偏转，参考光的曲率中心发生非光轴方向平移，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，得到同轴数字全息系统。或
作为另一种优选的实施方式，所述切换装置用于将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统。具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与y轴夹角为45°，并在参考光的光路里插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；
切换装置将滑动取下参考光的光路里的补偿平行平板，并滑动平行分束偏光棱镜进入参考光的光路，参考光通过平行分束偏光棱镜后曲率中心发生非光轴方向平移，与物光的曲率中心错位，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置滑动所述平行分束偏光棱镜离开参考光的光路，得到同轴数字全息系统。
本发明实施例的装置适用于物光与参考光均是球面光波的情况，工作原理如附图5、附图6、附图7、附图8所示所示。对于表面垂直于光轴的平行分束偏光棱镜而言，含有s分量(偏振方向沿x方向)和p分量(偏振方向沿y方向)的发散角为2θ的球面光波入射到平行分束偏光棱镜时，s偏振光在平行分束偏光棱镜中的光线传播规律与各向同性晶体一致，满足折射定律，球面光波曲率中心移动情况与附图5所示补偿平行平板一致；p偏振光在平行分束偏光棱镜中的光线传播规律不遵循折射定律，p偏振光通过平行分束偏光棱镜时光线偏转情况如附图6所示，光束上边缘光线的入射角为θ，光束下边缘光线的入射角为-θ，此时可计算得光束上边缘光线在y方向上的平移量为Δd3，下边缘光线在y方向上的平移量为Δd4，由公式(2)、(3)表示。
Figure BDA0003488664380000111
Figure BDA0003488664380000112
上式中，no为平行分束偏光棱镜中o光的折射率，ne为平行分束偏光棱镜中e光的折射率，β为平行分束偏光棱镜的光轴与界面的夹角；L2为平行分束偏光棱镜的厚度；
由公式(2)、公式(3)可得p偏振光通过平行分束偏光棱镜后的曲率中心在y轴方向上的平移距离为：
Figure BDA0003488664380000113
在z方向上的平移距离为：
Figure BDA0003488664380000114
由附图6可知，平行分束偏光棱镜除了会使参考光曲率中心沿y轴平移外，还会使其在z轴方向有平移距离Δz，这会导致得到的载频相位中含有球面二次相位畸变，从而影响测量精度。因此需要使用一块垂直参考光光轴放置的补偿平行平板对参考光曲率中心在z轴方向的平移量进行补偿，补偿平行平板原理如图5所示，通过计算可得补偿平行平板导致了曲率中心在z轴方向上的偏移量为Δz1：
Figure BDA0003488664380000115
要使Δz1＝Δz，则所述补偿平行平板的厚度L1为：
Figure BDA0003488664380000116
上式中，L1为补偿平行平板的厚度；n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率，所述入射介质为参考光所处传播介质，所述折射介质为补偿平行平板；所述参考光的发散角为2θ；Δz为参考光的曲率中心在z轴方向上的平移量。
因此只要控制入射到平行分束偏光棱镜的球面光波的偏振态，便可控制出射光的平移量。根据此原理设计了如附图7、附图8所示的基于平行分束偏光棱镜的植入式无干扰同轴与离轴数字全息切换装置及技术。在参考光路里插入一块半波片，入射光为p偏振光，半波片的慢轴在附图7所示坐标系xy平面内且与y轴成45°或者0°，参考光路放置平行分束偏光棱镜。当半波片的慢轴在附图7所示坐标系xy平面内且与y轴成45°时，参考光偏振态经过半波片前后发生改变，变为s偏振，经过平行分束偏光棱镜后曲率中心在x轴方向和y轴方向不发生平移，仅在z轴方向有平移距离，系统仍为同轴数字全息系统；当调整半波片的慢轴在附图8所示坐标系xy平面内且与y轴成0°时，参考光偏振态经过半波片后偏振态不发生改变，仍为p偏振，p偏振光通过平行分束偏光棱镜后，曲率中心在z轴方向的平移量Δz，在y轴方向的平移量Δy，在使用补偿平行平板对曲率中心在z轴方向的平移量Δz进行补偿后，接收面上物光和参考光重叠区域产生的干涉条纹为载频直条纹，得到离轴数字全息系统。
实施例2
参见附图11，本发明实施例一提供的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，包括植入式无干扰数字全息系统和同轴与离轴切换装置；
所述植入式无干扰数字全息系统用于将激光分束为物光和参考光，并分别将所述物光和所述参考光传输至第一非偏振分束棱镜110处，所述第一非偏振分束棱镜110一侧设有偏振片111和CCD图像传感器112；
所述植入式无干扰数字全息系统包括氦氖激光器101、第二非偏振分束棱镜102、第一物镜104、第一反射镜105、第一管透镜106、第二反射镜107、第二物镜108和第二管透镜109；
所述氦氖激光器101用于发射波长为632.8nm的激光；所述激光的偏振方向为z轴方向；
所述第二非偏振分束棱镜102用于通过透射和反射将所述激光进行分束，其中，透射的光束作为物光，反射的光束作为参考光；
所述第一物镜104设于所述参考光的光路上，所述第一反射镜105设于所述第一物镜104的出射光路上，所述第一管透镜106设于所述第一反射镜105的反射光路上，所述第一管透镜106的前焦点与所述第一物镜104的后焦点重合，所述第一管透镜106的出射光为球面光波；
所述第二反射镜107设于所述物光的光路上，所述第二物镜108设于所述第二反射镜107的反射光路上，所述第二管透镜109设于所述第二物镜108的出射光路上，所述第二管透镜109的前焦点与所述第二物镜108的后焦点重合，所述第二管透镜109的出射光为球面光波；
所述第一管透镜106和所述第二管透镜109的出射光汇聚至所述第一非偏振分束棱镜110；
所述偏振片111位于所述第一非偏振分束棱镜110的出射光路上。
所述离轴与同轴切换装置包括半波片103、平行分束偏光棱镜2和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片103和所述平行分束偏光镜2插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片103至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜2时的偏振态，以控制所述平行分束偏光棱镜2出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜110处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；
工作时，氦氖激光器101发出的激光通过第二非偏振分束棱镜102被分成两束，其中透射光作为物光，反射光作为参考光。使用同轴数字全息系统时，调节半波片103慢轴与y轴夹角为45°，参考光偏振方向旋转90°，插入补偿平行平板3，调节物参考光曲率中心和物光曲率中心相对于CCD112的位置一致，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜110处合束并经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器114上采集到的干涉图没有条纹或者少于一个条纹。使用离轴数字全息系统时，先移除补偿平行平板3，并放置在参考光路里放置平行分束偏光棱镜2，调节半波片103慢轴与z轴夹角为0°，参考光通过平行分束偏光棱镜2后发生偏转，参考光曲率中心发生非光轴方向平移，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜110处合束并经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器114采集到载频干涉图，载频干涉图如图14所示，利用傅里叶变换算法计算即可得到载频干涉图的相位分布，如图15所示。使用同轴数字全息系统时，调整半波片103慢轴与z轴夹角为45°，此时单色黑白CCD图像传感器112上采集到圆条纹条纹干涉图，如图16所示，使用PZT 105相移采集到一系列相移干涉图，并利用基于最小二乘原理的改进的迭代算法(AIA算法)计算得到圆条纹干涉图的相位分布如图17所示。此后进行同轴与离轴数字全息系统的切换只需旋转半波片103即可。
由图14、图15与图16、图17可知我们提出的基于平行分束偏光棱镜的植入式无干扰同轴与离轴数字全息切换装置及技术可以有效并且简单快捷地实现同轴数字全息系统与离轴数字全息系统的切换。
包括以下过程：
第1步：在数字全息系统中的参考光路放置一块半波片103和补偿平行平板3，半波片103和补偿平行平板3的表面均垂直参考光光轴，入射光为p线偏振光，调节参考光曲率中心直至接收面(一般为CCD或者CMOS)上没有干涉条纹或者小于1个干涉条纹。
第2步：使用同轴数字全息时，取下补偿平行平板3，并在参考光路里放置平行分束偏光棱镜2，调整半波片103的慢轴在附图7所示坐标系xy平面内且与y轴夹角为45°，平行分束偏光棱镜2的入射光偏振态为s偏振，s偏振参考光通过平行分束偏光棱镜2曲率中心只在z轴方向上有平移距离，接收面(一般为CCD或者CMOS)上的干涉图为圆条纹干涉图。
第3步：在测量变化快的样品时，使用离轴数字全息系统进行动态测量。只需要旋转参考光路中的半波片103，使其慢轴在附图8所示坐标系xy平面内且与y轴夹角为0°，此时半波片103出射光为p偏振光，p偏振光通过平行分束偏光棱镜2后曲率中心在z轴方向的平移量Δz(被第1步里补偿平行平板3所补偿)，在y轴方向的平移量Δy，得到离轴数字全息系统，此时单张干涉图即可提取待测样品相位，载频直条纹条纹周期ε1为：
Figure BDA0003488664380000141
这里D为物光/参考光曲率中心到接收面的距离，λ为所用光波的波长，Δy为公式(4)中参考光曲率中心在y轴方向上的平移距离。
实施例3
参见附图11，本发明实施例一提供的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，包括植入式无干扰数字全息系统和同轴与离轴切换装置；
所述植入式无干扰数字全息系统用于将激光分束为物光和参考光，并分别将所述物光和所述参考光传输至第一非偏振分束棱镜处110，所述第一非偏振分束棱镜110一侧设有偏振片111和CCD图像传感器112；
所述植入式无干扰数字全息系统包括氦氖激光器101、第二非偏振分束棱镜102、第一物镜104、第一反射镜105、第一管透镜106、第二反射镜107、第二物镜108和第二管透镜109；
所述氦氖激光器101用于发射波长为632.8nm的激光；所述激光的偏振方向为z轴方向；
所述第二非偏振分束棱镜102用于通过透射和反射将所述激光进行分束，其中，透射的光束作为物光，反射的光束作为参考光；
所述第一物镜104设于所述参考光的光路上，所述第一反射镜105设于所述第一物镜104的出射光路上，所述第一管透镜106设于所述第一反射镜105的反射光路上，所述第一管透镜106的前焦点与所述第一物镜104的后焦点重合，所述第一管透镜106的出射光为球面光波；
所述第二反射镜107设于所述物光的光路上，所述第二物镜108设于所述第二反射镜107的反射光路上，所述第二管透镜109设于所述第二物镜108的出射光路上，所述第二管透镜109的前焦点与所述第二物镜108的后焦点重合，所述第二管透镜109的出射光为球面光波；
所述第一管透镜106和所述第二管透镜109的出射光汇聚至所述第一非偏振分束棱镜110；
所述偏振片111位于所述第一非偏振分束棱镜110的出射光路上。
所述离轴与同轴切换装置包括半波片、平行分束偏光棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统。
工作时，氦氖激光器101发出的激光通过第二非偏振分束棱镜102被分成两束，其中透射光作为物光，反射光作为参考光。使用系统前，在参考光路里插入补偿平行平板3，并调节物参考光曲率中心和物光曲率中心相对于CCD 112的位置一致，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜110处合束并经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到没有条纹或者少于一个条纹的干涉图。使用离轴数字全息系统时，滑动取下参考光路里的补偿平行平板3，并滑动平行分束偏光棱镜2进入参考光路，参考光通过平行分束偏光棱镜2后曲率中心发生非光轴方向平移，与物光曲率中心之间存在一定错位，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜110处合束后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到载频直条纹干涉图。使用同轴数字全息系统时，滑动参考光路里的平行分束偏光棱镜2离开参考光路即可，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到圆条纹干涉图。实施方案2包括以下过程。
第1步：在数字全息系统中的参考光路放置一块半波片103，半波片103垂直参考光光轴放置，入射光为p线偏振光，半波片103的慢轴在附图9所示坐标系xy平面内且与y轴夹角为0°，此时半波片103出射光为p偏振光。
第2步：在参考光路放置一块补偿平行平板3，补偿平行平板3表面垂直参考光光轴，调节参考光曲率中心直至接收面(一般为CCD或者CMOS)上没有干涉条纹或者小于1个干涉条纹，此时物光和参考光的曲率中心到接收面的距离相等，得到同轴数字全息系统。
第3步：在测量变化快的样品时，使用离轴数字全息系统进行动态测量。移除参考光路里的补偿平行平板3，滑动平行分束偏光棱镜2进入参考光路，得到离轴数字全息系统，此时单张干涉图即可提取待测样品相位，载频直条纹条纹周期仍为公式(8)中的ε1。
第4步：在测量静止或缓慢变化的样品时，可以使用同轴数字全息系统进行测量，提高测量精度，只需滑动平行分束偏光棱镜2使其离开参考光路即可，此时需要使用相移的办法测量待测样品相位。
实施例4
参见附图13，本发明实施例三提供的基于平行分束偏光棱镜的植入式无干扰同轴与离轴数字全息切换装置及技术包含：波长为632.8nm的氦氖激光器101，半波片103，第一管透镜106，四分一波片304，第一物镜104，第一反射镜105，四分一波片307，第二物镜108，安装在PZT上的第二反射镜107，第一非偏振分束棱镜110，第二管透镜109，平行分束偏光棱镜2，偏振片112，单色黑CCD白图像传感器1073。
所述光源为一台波长为632.8nm的氦氖激光器101，发出的线偏振光偏振方向为z轴方向。
所述半波片103的慢轴在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为22.5°。
所述四分一波片304的偏振轴在图示坐标系yz平面方向内且与z轴夹角为45°。
所述四分一波片307的偏振轴在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为45°。
所述第一物镜104后焦点刚好在第一管透镜106后焦点处，从第一物镜104出射的照射到第一反射镜105上的光为平行光。
所述第二物镜108后焦点刚好在第一管透镜106后焦点处，从第二物镜108出射的照射到第二反射镜107上的光为平行光。
所述第一物镜104后焦点不在第二管透镜109前焦点处，第二管透镜109出射物光为球面光波。
所述第二物镜108后焦点不在管第二管透镜109前焦点处，第二管透镜109出射参考光为球面光波。
所述偏振片103的偏振轴在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为45°。
所述CCD图像传感器112放在第二管透镜109的等效空气焦距处。
工作时，氦氖激光器101发出的激光通过半波片103后偏振方向为在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为45°，通过第一非偏振分束棱镜110被分成两束，其中透射光作为参考光，偏振方向在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为90°；反射光作为物光，偏振方向在图示坐标系yz平面方向内且与z轴夹角为0°。参考光通过四分一波片307和第二物镜108后到达第二反射镜107，第二反射镜107反射后再一次通过第二物镜108和四分一波片307，出射光偏振方向在图示坐标系yz平面方向内且与z轴夹角为0°；物光通过四分一波片304和第一物镜104后到达第一反射镜105，第一反射镜105反射后再一次通过第一物镜104和四分一波片304，出射光偏振方向在图示坐标系yz平面方向内且与z轴夹角为90°。使用同轴数字全息系统时，调节物光和参考光曲率中心重合，物光和参考光经过偏振片313检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到没有条纹或者少于一个条纹的干涉图。使用离轴数字全息系统时，滑动平行分束偏光棱镜2进入光路，参考光曲率中心经过平行分束偏光棱镜2后发生偏移，参考光与物光经过偏振片103检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到的干涉图的载频条纹是弯曲的，调整第二物镜108沿y轴前后轻微移动，直至单色黑白CCD图像传感器112上采集到载频直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统。使用同轴数字全息系统时，滑动平行分束偏光棱镜2离开参考光路即可，此时单色黑白CCD图像传感器112上采集到圆条纹干涉图。
综上所述，本发明实施例提供的一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，通过滑动或旋转设计好的同/离轴切换装置中的切换零件，所述切换装置将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，以控制所述平行分束偏光棱镜出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；或所述切换装置将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统；可根据实际测量的需求选择同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，整合二者的优势，无需调整系统其他部件，操作简单、快捷。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，包括植入式无干扰数字全息系统和同轴与离轴切换装置；
所述植入式无干扰数字全息系统用于将激光分束为物光和参考光，并分别将所述物光和所述参考光传输至第一非偏振分束棱镜处，所述第一非偏振分束棱镜一侧设有偏振片和CCD图像传感器；
所述离轴与同轴切换装置包括半波片、平行分束偏光棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片和所述平行分束偏光镜插入所述参考光的光路后，旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，以控制所述平行分束偏光棱镜出射的参考光的平移量，使物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束前，所述参考光传播方向发生或不发生偏转，得到离轴数字全息系统或同轴数字全息系统；或
所述切换装置用于将所述半波片插入所述参考光的光路，旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统。
2.根据权利要求1所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述参考光的光轴沿z轴方向，所述p偏振方向沿y轴方向，s偏振方向沿x轴方向；所述半波片和所述平行分束偏光棱镜的表面垂直于z后方向，所述半波片的慢轴位于x轴和y轴所在平面内。
3.根据权利要求2所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述离轴与同轴切换装置还包括补偿平行平板；所述第一预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为0°，所述第二预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为45°；
旋转所述半波片至第一预设角度或第二预设角度以控制所述参考光入射到所述平行分束偏光棱镜时的偏振态，具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，参考光的偏振方向旋转90°，插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；所述半波片和所述补偿平行平板的表面垂直于所述参考光的光轴；
切换装置将所述补偿平行平板滑出所述参考光的光路，并向所述参考光的光路中滑入非偏振分束棱镜，调节半波片的慢轴与z轴夹角为0°时，参考光通过平行分束偏光棱镜后发生偏转，参考光的曲率中心发生非光轴方向平移，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置调节半波片的慢轴与z轴夹角为45°时，得到同轴数字全息系统。
4.根据权利要求2所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，
所述离轴与同轴切换装置还包括补偿平行平板；所述第一预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为0°，所述第二预设角度为半波片的慢轴与z轴夹角为45°；
旋转所述半波片至第一预设角度后，控制所述平行分束偏光镜滑入或滑出所述参考光的光路，得到同轴数字全息系统或离轴数字全息系统，具体包括：
切换装置将所述半波片插入至所述参考光的光路，调节半波片的慢轴与y轴夹角为45°，并在参考光的光路里插入补偿平行平板，调节物参的考光曲率中心和物光的曲率中心相对于所述CCD图像传感器的距离相等，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束并经过偏振片检偏后发生干涉，所述CCD图像传感器上无干涉条纹，得到同轴数字全息系统；
切换装置将滑动取下参考光的光路里的补偿平行平板，并滑动平行分束偏光棱镜进入参考光的光路，参考光通过平行分束偏光棱镜后曲率中心发生非光轴方向平移，与物光的曲率中心错位，物光和参考光在第一非偏振分束棱镜处合束后发生干涉，所述CCD图像传感器采集到载频直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统；切换装置滑动所述平行分束偏光棱镜离开参考光的光路，得到同轴数字全息系统。
5.根据权利要求2所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述植入式无干扰数字全息系统包括氦氖激光器、第二非偏振分束棱镜、第一物镜、第一反射镜、第一管透镜、第二反射镜、第二物镜和第二管透镜；
所述氦氖激光器用于发射波长为632.8nm的激光；所述激光的偏振方向为z轴方向；
所述第二非偏振分束棱镜用于通过透射和反射将所述激光进行分束，其中，透射的光束作为物光，反射的光束作为参考光；
所述第一物镜设于所述参考光的光路上，所述第一反射镜设于所述第一物镜的出射光路上，所述第一管透镜设于所述第一反射镜的反射光路上，所述第一管透镜的前焦点与所述第一物镜的后焦点重合，所述第一管透镜的出射光为球面光波；
所述第二反射镜设于所述物光的光路上，所述第二物镜设于所述第二反射镜的反射光路上，所述第二管透镜设于所述第二物镜的出射光路上，所述第二管透镜的前焦点与所述第二物镜的后焦点重合，所述第二管透镜的出射光为球面光波；
所述第一管透镜和所述第二管透镜的出射光汇聚至所述第一非偏振分束棱镜；
所述偏振片位于所述第一非偏振分束棱镜的出射光路上。
6.根据权利要求5所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述CCD图像传感器为单色黑白CCD图像传感器，所述CCD图像传感器设于所述第二管透镜的等效空气焦距处。
7.根据权利要求3或4所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述补偿平行平板的厚度L1为：
Figure FDA0003488664370000031
上式中，L1为补偿平行平板的厚度；n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率，所述入射介质为参考光所处传播介质，所述折射介质为补偿平行平板；所述参考光的发散角为2θ；Δz为参考光的曲率中心在z轴方向上的平移量。
8.根据权利要求7所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，参考光上边缘光线在y轴方向上的平移量为Δd3，参考光下边缘光线在y轴方向上的平移量为Δd4；
Figure FDA0003488664370000041
Figure FDA0003488664370000042
上式中，no为平行分束偏光棱镜中o光的折射率，ne为平行分束偏光棱镜中e光的折射率，β为平行分束偏光棱镜的光轴与界面的夹角；L2为平行分束偏光棱镜的厚度；
p偏振光通过平行分束偏光棱镜后的曲率中心在y轴方向上的平移距离为：
Figure FDA0003488664370000043
在z轴方向上的平移距离为：
Figure FDA0003488664370000044
9.根据权利要求5所述的基于平行光束分光棱镜的同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述第一反射镜安装于PTZ驱动器上。
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