CN114593670A - 一种基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置 - Google Patents

一种基于洛匈棱镜的植入式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洛匈棱镜的植入式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，在参考光路里插入半波片和洛匈棱镜，通过调整半波片的慢轴与p偏振方向的夹角进行参考光的p偏振和s偏振切换，同时也可通过洛匈透镜对s偏振光的传播方向进行调整，以最终实现同轴数字全息系统和离轴数字全息系统之间的切换，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

一种基于洛匈棱镜的植入式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，尤其涉及一种基于洛匈棱镜的植入式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洛匈棱镜的植入式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洛匈棱镜的植入式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、洛匈棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片和所述洛匈透镜插入所述参考光的光路中，通过调整所述所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角或拔出/插入所述洛匈透镜，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/不发生偏转，得到离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
作为优选的，并通过调整所述所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，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/不发生偏转，具体包括：
所述切换装置调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为p偏振，参考光通过洛匈透镜后传播方向不变，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图像传感器采集到没有条纹的干涉图，得到同轴数字全息系统；所述切换装置还用于旋转所述半波片使所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为s偏振，参考光通过洛匈透镜后传播方向改变，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直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统。
作为优选的，调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为0°时，参考光入射至洛匈棱镜时的偏振态为p偏振；调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为45°时，参考光入射至洛匈棱镜时的偏振态为s偏振。
作为优选的，通过拔出/插入所述洛匈透镜，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/不发生偏转，具体包括：
切换装置用于将所述半波片和所述洛匈透镜插入所述参考光的光路中，所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为45°；所述切换装置将所述洛匈透镜插入/拔出所述参考光的光路中，切换至离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
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；所述半波片和所述洛匈透镜的表面垂直于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，所述激光的偏振方向为z轴方向；
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、第二管透镜和偏振片；
所述氦氖激光器用于发射波长为632.8nm的激光；
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平行光；
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平行光；
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，所述第一反射镜安装于PTZ驱动器上。
作为优选的，所述偏振片的偏振轴位于x轴和y轴所在平面内，且与z轴夹角为45°。
本发明实施例提供的一种基于洛匈棱镜的植入式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，在参考光路里插入半波片和洛匈棱镜，通过调整半波片的慢轴与p偏振方向的夹角进行参考光的p偏振和s偏振切换，同时也可通过洛匈透镜对s偏振光的传播方向进行调整，以最终实现同轴数字全息系统和离轴数字全息系统之间的切换，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圆条纹干涉图；
图2为根据本发明实施例的载频直条纹干涉图；
图3为根据本发明实施例的洛匈(Rochon)棱镜的工作原理图；
图4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5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6为根据本发明实施例的参考光路里未放置洛匈(Rochon)棱镜时参考光传播方向的示意图；
图7为根据本发明实施例的滑动洛匈(Rochon)棱镜进入参考光路时参考光传播方向的示意图；
图8为根据本发明实施例的实施例2的光路图；
图9为根据本发明实施例的实施例3的光路图；
图10为根据本发明实施例的实施例4的光路图；
图11为根据本发明实施例的利用离轴数字全息系统采集得到的同轴干涉图；
图12为根据本发明实施例的利用离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；
图13为根据本发明实施例的利用同轴数字全息系统采集得到的离轴干涉图；
图14为根据本发明实施例的利用同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。
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。
本发明实施例提供一种基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，插入半波片和洛匈棱镜，通过调整半波片的慢轴与p偏振方向的夹角进行参考光的p偏振和s偏振切换，同时也可通过洛匈透镜对s偏振光的传播方向进行调整，以最终实现同轴数字全息系统和离轴数字全息系统之间的切换，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。
本发明实施例中，本发明所述的基于洛匈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原理包括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。
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，进而改变参考光的传输方向。
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1所示；另一种为光的离轴干涉，形成载频直条纹，如附图2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，载频量与两光束之间夹角成正比，利用傅里叶变换方法，单张干涉图即可提取待测相位。
实施例1
本发明实施例提供一种基于洛匈棱镜的植入式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、洛匈棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片和所述洛匈透镜插入所述参考光的光路中，通过调整所述所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角或拔出/插入所述洛匈透镜，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/不发生偏转，得到离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
本实施例中，通过滑动或旋转设计好的同/离轴切换装置中的切换零件，在参考光路里插入半波片和洛匈棱镜，通过调整半波片的慢轴与p偏振方向的夹角进行参考光的p偏振和s偏振切换，同时也可通过洛匈透镜对s偏振光的传播方向进行调整，以实现参考光的传播方向变化，以最终实现同轴数字全息系统和离轴数字全息系统之间的切换，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。
具体的，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；所述半波片和所述洛匈透镜的表面垂直于z后方向，所述半波片的慢轴位于x轴和y轴所在平面内。
本发明实施例所述植入式无干扰数字全息系统包括如图8、9中所示：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、第二管透109镜和偏振片111。
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的出射光为平行光；所述第一反射镜105安装于PTZ驱动器上。
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的出射光为平行光。
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CCD图像传感器112为单色黑白CCD图像传感器，所述CCD图像传感器112设于所述第二管透镜109的等效空气焦距处。
所述偏振片的偏振轴位于x轴和y轴所在平面内，且与z轴夹角为45°。
工作时，氦氖激光器101发出的激光通过非偏振分束棱镜102被分成两束，其中透射光作为物光，反射光作为参考光。
实施例2
本发明实施例提供一种基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，如图8中所示，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；
所述离轴与同轴切换装置包括半波片103、洛匈棱镜2和切换装置；
所述切换装置调整所述半波片103的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为p偏振，参考光通过洛匈透镜2后传播方向不变，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，所述CCD图像传感器112采集到没有条纹的干涉图，得到同轴数字全息系统；所述切换装置还用于旋转所述半波片103使所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为s偏振，参考光通过洛匈透镜2后传播方向改变，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，所述CCD图像传感器112采集到载频直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统。
调整所述半波片103的慢轴与p偏振方向的夹角为0°时，参考光入射至洛匈棱镜2时的偏振态为p偏振；调整所述半波片103的慢轴与p偏振方向的夹角为45°时，参考光入射至洛匈棱镜2时的偏振态为s偏振。
参见附图8，本发明实施例2提供的基于洛匈棱镜2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，非偏振分束棱镜102(第二非偏振分束棱镜)，半波片103，第一物镜104，安装在PZT上的第一反射镜105，第一管透镜106，第二反射镜107，第二物镜108，第二管透镜109，洛匈(Rochon)棱镜2，非偏振分束棱镜110(第一非偏振分束棱镜)，偏振片111，单色黑白CCD图像传感器112。
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yz平面方向内与z轴夹角为0○或者45○。
所述偏振片111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105前焦点处，第一管透镜105出射光为平行光。
所述第二物镜108后焦点刚好在第二管透镜109前焦点处，第二管透镜109出射光为平行光。
所述单色黑白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0○，并调节物光和参考光之间夹角为0○，物光和参考光在非偏振分束棱镜110处合束并经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白图像传感器CCD 112采集到没有条纹的干涉图。使用离轴数字全息系统时，调节半波片103慢轴与z轴夹角为45○，参考光偏振方向旋转90○，参考光通过洛匈(Rochon)棱镜2后发生偏转，与物光之间存在一定夹角，物光和参考光在非偏振分束棱镜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采集到载频直条纹干涉图。当再需要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0○即可。
如图5中所示，本实施例中通过旋转切换零件实现同轴与离轴数字全息的切换，适用于物光和参考光均是平行光的情况，工作原理如附图3、附图4、附图5所示所示。从附图3可以看出，同时含有s分量(偏振方向沿x方向)和p分量(偏振方向沿y方向)的平行光正入射到洛匈棱镜时，出射光分为两束，一束为出射方向与入射光完全一致的p偏振光，另一束为出射方向与入射光成θ1角度的s偏振光，因此只要控制入射到洛匈棱镜的平行光的偏振态，便可控制出射光的方向。根据此原理设计了如附图4、附图5所示的数字全息同/离轴切换方法。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3所示坐标系xy平面内且与y轴成0○或者45○；参考光路放置一个洛匈棱镜，调节半波片的慢轴在附图4所示坐标系xy平面内且与y轴成0○，参考光偏振态经过半波片前后不发生改变，仍为p偏振，经过洛匈棱镜后传播方向不发生改变，系统仍为同轴数字全息系统；当参考光路插入洛匈棱镜，半波片的慢轴在附图5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后偏振态由p偏振变为s偏振，s偏振光通过洛匈棱镜后传播方向与原传播方向的夹角为θ1，此时在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，载频量由物光和参考光的夹角决定，此时条纹周期ε1为：
Figure BDA0003488092730000101
本发明实施例所提供的基于洛匈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的实施方案包括以下过程。
第1步：在数字全息系统中的参考光路放置一块半波片和一块洛匈棱镜，半波片和洛匈棱镜的表面均垂直参考光光轴。
第2步：使用同轴数字全息时，调整半波片的慢轴在附图4所示坐标系xy平面内且与y轴夹角为0○，洛匈棱镜的入射光偏振态为p偏振，p偏振参考光通过洛匈棱镜传播方向不发生改变。调节参考光的传播方向使其与物光传播方向重合，此时接收面(一般为CCD或者CMOS)上没有干涉条纹或少于一个干涉条纹。利用同轴数字全息系统计算待测相位需要采集多幅相移干涉图，适用于测量静止或缓慢变化的样品。
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。此时只需旋转参考光路中的半波片，使其慢轴与y轴夹角为45○，洛匈棱镜的入射光偏振态为s偏振，出射光传播方向发生改变，参考光与物光夹角为θ1，如附图5所示，得到离轴数字全息系统，单张干涉图即可提取待测样品相位。
由图11、图12与图13、图14可知我们提出的基于洛匈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。
实施例3
本发明实施例提供一种基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，如图9中所示，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；
所述离轴与同轴切换装置包括半波片103、洛匈棱镜2和切换装置；
切换装置用于将所述半波片103和所述洛匈透镜2插入所述参考光的光路中，所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为45°；所述切换装置将所述洛匈透镜2插入/拔出所述参考光的光路中，切换至离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
本实施例中，通过滑动切换零件实现同轴与离轴数字全息的切换，适用于物光和参考光均是平行光的情况。工作原理如附图3、附图6、附图7所示所示。从附图3可以看出，同时含有s分量(偏振方向沿x方向)和p分量(偏振方向沿y方向)的平行光正入射到洛匈棱镜时，出射光分为两束，一束为出射方向与入射光完全一致的p偏振光，另一束为出射方向与入射光成θ1角度的s偏振光，因此只要控制入射到洛匈棱镜的平行光的偏振态，便可控制出射光的方向。根据此原理设计了如附图6、附图7所示的数字全息同/离轴切换方法。参考光路里放置一块半波片，入射光为p偏振光，半波片的慢轴在附图6所示坐标系xy平面内且与y轴成45○。当参考光路不放置洛匈棱镜时，参考光偏振态经过半波片后偏振态由p偏振变为s偏振，参考光传播方向不发生改变，系统仍为同轴数字全息系统。当滑动洛匈棱镜进入参考光路时，s偏振光通过洛匈棱镜后传播方向与原传播方向的夹角为θ1，此时在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，载频量由物光和参考光的夹角决定，此时条纹周期仍为公式1中的ε1。
参见附图9，本发明实施例3提供的基于洛匈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，第二非偏振分束棱镜102，半波片103，第一物镜104，安装在PZT上的第一反射镜105，第一管透镜106，第二反射镜107，第二物镜108，第二管透镜109，洛匈(Rochon)棱镜2，第一非偏振分束棱镜110，偏振片111，单色黑白CCD图像传感器112。
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yz平面方向内与z轴夹角为45○。
所述偏振片111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前焦点处，第一管透镜206出射光为平行光。
所述第二物镜108后焦点刚好在第二管透镜109前焦点处，第二管透镜209出射光为平行光。
所述单色黑白CCD图像传感器113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发出的激光通过第二非偏振分束棱镜102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，调节物光和参考光之间夹角为0°，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采集到没有条纹的干涉图。使用离轴数字全息系统时，滑动洛匈(Rochon)棱镜2进入参考光路，参考光通过洛匈(Rochon)棱镜2后发生偏转，与物光之间存在一定夹角，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采集到载频直条纹干涉图。当再需要使用同轴数字全息系统时，滑动使洛匈(Rochon)棱镜2离开参考光路即可。
本发明实施例所提供的基于洛匈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的实施方案包括以下过程。
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表面垂直参考光光轴放置，调整半波片的慢轴在附图6所示坐标系xy平面内且与y轴夹角为45°。
第2步：使用同轴数字全息时，参考光路里不放置洛匈棱镜2，参考光偏振态经过半波片103后偏振态由p偏振变为s偏振，参考光传播方向不发生改变。调节参考光的传播方向使其与物光传播方向重合，此时接收面(一般为CCD或者CMOS)上只有一个或者少于一个干涉条纹。利用同轴数字全息系统计算待测相位需要采集多幅相移干涉图，适用于测量静止或缓慢变化的样品。
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。此时只需滑动洛匈棱镜2进入参考光路，调整其表面与光轴垂直，洛匈棱镜2的入射光偏振态为s偏振，出射光传播方向发生改变，参考光与物光夹角为θ1，得到离轴数字全息系统，单张干涉图即可提取待测样品相位。
实施例4
参见附图10，本发明实施例4提供的基于洛匈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203，第一管透镜106，第一四分一波片304，第一物镜304，安装在PZT上的第一反射镜105，第二四分一波片307，第二物镜108，第二反射镜107，偏振分束棱镜310，第二管透镜109，洛匈(Rochon)棱镜2，偏振片111，单色黑白CCD图像传感器112。
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°。
所述第一四分一波片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°。
所述第二四分一波片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后焦点刚好在第一管透镜109前焦点处，第一管透镜104出射参考光为平行光。
所述第二物镜108后焦点刚好在第二管透镜109前焦点处，第二管透镜108出射物光为平行光。
所述偏振片111的偏振轴在图示坐标系yz平面方向内且与z轴夹角为45°。
所述单色黑白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°，通过偏振分束棱镜310被分成两束，其中透射光作为物光，偏振方向在图示坐标系xz平面方向内且与z轴夹角为90°；反射光作为参考光，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307和第二物镜108后到达第二反射镜107，第二反射镜107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°；参考光通过四分一波片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，调节物光和参考光之间夹角为0°，物光和参考光经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到没有条纹的干涉图。使用离轴数字全息系统时，滑动洛匈(Rochon)棱镜2进入光路，物光通过洛匈(Rochon)棱镜2传播方向不发生改变，参考光通过洛匈(Rochon)棱镜2传播方向发生改变，此时参考光与物光之间存在一定夹角，二者经过偏振片111检偏后发生干涉，此时单色黑白CCD图像传感器112采集到载频直条纹干涉图。当再次需要使用同轴数字全息系统时，滑动取出洛匈(Rochon)棱镜2即可。
综上所述，本发明实施例提供的一种基于洛匈棱镜的植入式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，在参考光路里插入半波片和洛匈棱镜，通过调整半波片的慢轴与p偏振方向的夹角进行参考光的p偏振和s偏振切换，同时也可通过洛匈透镜对s偏振光的传播方向进行调整，以最终实现同轴数字全息系统和离轴数字全息系统之间的切换，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)

1.一种基于洛匈棱镜的植入式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、洛匈棱镜和切换装置；
所述切换装置用于将所述半波片和所述洛匈透镜插入所述参考光的光路中，通过调整所述所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角或拔出/插入所述洛匈透镜，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/不发生偏转，得到离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
2.根据权利要求1所述的基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，并通过调整所述所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，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/不发生偏转，具体包括：
所述切换装置调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为p偏振，参考光通过洛匈透镜后传播方向不变，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图像传感器采集到没有条纹的干涉图，得到同轴数字全息系统；所述切换装置还用于旋转所述半波片使所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角，以使参考光的偏振态为s偏振，参考光通过洛匈透镜后传播方向改变，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直条纹干涉图，得到离轴数字全息系统。
3.根据权利要求2所述的基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为0°时，参考光入射至洛匈棱镜时的偏振态为p偏振；调整所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为45°时，参考光入射至洛匈棱镜时的偏振态为s偏振。
4.根据权利要求1所述的基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，通过拔出/插入所述洛匈透镜，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/不发生偏转，具体包括：
切换装置用于将所述半波片和所述洛匈透镜插入所述参考光的光路中，所述半波片的慢轴与p偏振方向的夹角为45°；所述切换装置将所述洛匈透镜插入/拔出所述参考光的光路中，切换至离轴数字全息系统/同轴数字全息系统。
5.根据权利要求2或4所述的基于洛匈棱镜的植入式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；所述半波片和所述洛匈透镜的表面垂直于z后方向，所述半波片的慢轴位于x轴和y轴所在平面内。
6.根据权利要求2或4所述的基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述激光的偏振方向为z轴方向；
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、第二管透镜和偏振片；
所述氦氖激光器用于发射波长为632.8nm的激光；
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平行光；
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平行光；
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。
7.根据权利要求6所述的基于洛匈棱镜的植入式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。
8.根据权利要求6所述的基于洛匈棱镜的植入式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。
9.根据权利要求6所述的基于洛匈棱镜的植入式同轴与离轴数字全息切换装置，其特征在于，所述偏振片的偏振轴位于x轴和y轴所在平面内，且与z轴夹角为45°。
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