CN115469522A - 一种基于双波长透视式数字全息成像系统 - Google Patents

一种基于双波长透视式数字全息成像系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115469522A
CN115469522A CN202211179287.XA CN202211179287A CN115469522A CN 115469522 A CN115469522 A CN 115469522A CN 202211179287 A CN202211179287 A CN 202211179287A CN 115469522 A CN115469522 A CN 115469522A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
wavelength
axicon
light
beam splitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211179287.XA
Other languages
English (en)
Inventor
楼宇丽
田丽
李重光
刘思齐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kunming University of Science and Technology
Original Assignee
Kunming University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kunming University of Science and Technology filed Critical Kunming University of Science and Technology
Priority to CN202211179287.XA priority Critical patent/CN115469522A/zh
Publication of CN115469522A publication Critical patent/CN115469522A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0443—Digital holography, i.e. recording holograms with digital recording means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1006—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/10—Processes or apparatus for producing holograms using modulated reference beam
    • G03H1/12—Spatial modulation, e.g. ghost imaging
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
    • G03H2001/0088—Adaptation of holography to specific applications for video-holography, i.e. integrating hologram acquisition, transmission and display

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于双波长透视式数字全息成像系统，属于显微镜技术领域。本发明提供了该系统采用双波长数字全息技术，让两束激光通过分束镜后合成新波长的光束，新光束通过分束镜分束后，一束入射到轴锥镜组合‑透镜系统后产生环形光束，系统内产生的环形光束照射待测样品，这一束光束称为物光束，而另一束光束称为参考光束，通过扩束准直后与物光束在第二分束镜产生干涉，最后物光束和参考光束在CCD中成像。本发明能够进行半导体检测、微光学器件检测和生物样品检测。在数字全息技术中，用双波长等效合成大波段的波长远大于单一波长，可以拓展无相位包裹测量纵深范围；双波长技术不仅可以合成大波长以扩大测量范围，也可以反向操作合成更小的波长，使得测量精度更高。

Description

一种基于双波长透视式数字全息成像系统
技术领域
本发明属于光学测量、成像技术领域，特别是一种基于双波长透视式数字全息成像系统。
背景技术
全息技术记录物光的波前的复振幅和相位分布，通过再现方法可以完整的还原出被测物体的三维信息，基于全息技术的这一特点，全息技术被应用于测量领域，充分发挥了其非接触，无损高精度测量的优势。而数字全息技术是光学全息术、计算机技术及电子成像技术相结合的产物，以 CCD 器件为全息图记录介质，作为当今信息光学研究领域中的一个热点，它基于光学全息理论，以CCD摄像机等电子成像器件作记录介质获取全息图，然后通过计算机用数字方法对数字化的全息图进行再现。这一过程不仅免去了传统光学全息中化学银盐干版的湿处理，从而可以连续记录运动物体的各个瞬间过程，有利于实现实时在线全息记录，而且还能通过计算机对数字全息图与数字再现图像进行定量分析。
数字全息技术由于其数字再现方式提供的再现像光场复振幅分布是直接以数字形式描述的，可以进行定量测量分析，因此，数字全息在光测量等领域具有重大的应用价值，目前数字全息术已广泛的运用于显微观测、信息加密、变形振动测量，粒子场测量等方面。
随着数字全息研究热点的高涨，数字全息技术的发展与图像器件的性能有密切的关系，目前CCD图像记录面积小，像元尺寸大，动态范围不足，限制了物体高频信息和强度分布信息的记录，这些限制使得数字全息术的分辨率难以提高，因此在现有的设备技术条件下提高数字全息分辨率，扩大数字全息记录的孔径和记录物体的视场，是数字全息技术发展和应用中的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双波长透视式数字全息成像系统，采用了双波长数字全息技术，使用两个不同波长的激光同时照射待测样品，并用CCD中可以同时采集到两幅全息干涉图。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于双波长透视式数字全息成像系统，包括第一激光器1a、第二激光器1b、第一偏振片2a、第二偏振片2b、第一分束镜3、第一扩束准直系统4、第一平面镜5、孔径光阑6、组合锥透镜7、透镜8、第一轴锥镜9、第二轴锥镜10、样品11、显微镜12、色散棱镜13、第二分束镜13、第二扩束准直系统14、第二平面镜15、第二分束镜16、CCD采样17、计算机18。
第一激光器1a经过第一偏振片2a后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第二激光器1b经过第二偏振片2b后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第一激光器1a和第二激光器1b发出的光波在第一分束镜3处合成新波长的光波；形成新的光波经过在第一分束镜3分束形成新的物光波和参考光波，物光波依次经过扩束准直系统4到达第一平面镜5后反射、反射后的物光束入射孔径光阑6后到达锥镜组合系统7中，经过轴锥镜组合系统后出射到凸透镜8形成环形光，所形成的环形光入射到锥角相同的两个轴锥镜9和10后形成更小的环形光照射样品11；参考光波通过色散棱镜后，经过第二扩束准直系统14扩束后的光束入射到第二平面镜15后的光束与入射到显微镜12的物光在第二分束镜16干涉形成干涉图由CCD17记录下来。
优选的，本发明所有的平面镜的倾斜角度可以自由调整，其最后倾斜角使反射的参考光与物光成3-8°的夹角，以实现离轴干涉。
优选的，本发明所述轴锥镜组合7系统，轴锥镜组合系统是由正、负轴锥镜组合而成，通过控制正、负轴锥镜的底角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 750535DEST_PATH_IMAGE002
得到合适的
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
并使之大于0，故正轴锥的底角为
Figure 556817DEST_PATH_IMAGE001
，负轴锥的底角为
Figure 934709DEST_PATH_IMAGE002
，组合透镜的等效底角
Figure 66613DEST_PATH_IMAGE004
，而角度越小的元件对加工技术和精度要求越高，组合轴锥镜的等效底角由正、负轴锥镜的底角之差决定。
优选的，本发明所述第一轴锥镜9和第二轴锥镜10组合产生新的局域空心光束，要求第一轴锥镜9和第二轴锥镜10的锥角要相同，并要和轴锥镜组合7等效角3°近似。
优选的，本发明所述第一激光器1a和第二激光器1b分别发出红色和绿色的激光，两束激光可选波长范围分别是。
优选的，本发明所述待测样品11、显微镜12与CCD17构成远心光学结构，其中待测样品11位于显微镜物镜的前焦距面位置，而显微物镜的后焦面与镜筒透镜的前焦面重合，该CCD17位于镜筒透镜的后焦面位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
（1）采用双波长透射式数字全息技术，使用两个不同波长的激光同时照射待测样品，并用CCD采集全息干涉图，当测试一些特殊样品时，如带有弧度的微光学器件，会出现由于无法同时获取透射式数字全息显微镜的样品测试信息而导致测试结果不准确的问题。
（2）使用锥镜系统和透镜装置，可以获得一定角度的、具有和轴锥镜同样效果的局域空心光束，使大角度是锥镜通过不同锥镜间的组合可以达到一个小角度锥镜的效果，提供一个有效的方法。
（3）两个相同的轴锥镜组合后可以缩小光束或者是局域空心光束的大小，达到检测实验样品的目的。
（4）两个可见光波长可以等效合成大波段的波长，提高检测物体尺寸0~2 π 范围的相位信息；在数字全息技术中，用双波长等效合成大波段的波长远大于单一波长，可以拓展无相位包裹测量纵深范围；双波长技术不仅可以合成大波长以扩大测量范围，也可以反向操作合成更小的波长，使得测量精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于双波长透视式数字全息成像系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的光源的一种结构的示意图。
图3是本发明实施例提供的光源的另一种结构的示意图。
图4 是本发明实施例提供的锥镜组合系统的示意图。
图5 是本发明实施例提供的局域空心光束产生系统的示意图。
图6是本发明实施例提供两个轴锥镜组合后产生尺寸小的环形光的示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明使用迈克尔逊干涉仪结构构成了基于双波长的数字全息显微镜结构，通过二向色镜实现了将两束不同波长的光的光路分成透射式光路与反射式光路两路的目的。二向色镜又称为双色镜，用于反射一定波长的光，同时透过其他不同波长的光。例如常见的二向色镜的光学指标为透红反绿蓝、透蓝反红绿、透红绿反蓝、透蓝绿反红或反红透蓝绿。
实施例1
参考图1，本发明实施例提供了一种基于双波长透视式数字全息成像系统，主要包括透射式数字全息显微镜光路，包括第一激光器1a、第二激光器1b、第一偏振片2a、第二偏振片2b、第一分束镜3、第一扩束准直系统4、第一平面镜5、孔径光阑6、组合锥透镜7、透镜8、第一轴锥镜9、第二轴锥镜10、样品11、显微镜12、色散棱镜13、第二分束镜13、第二扩束准直系统14、第二平面镜15、第二分束镜16、CCD采样17、计算机18。第一激光器1a经过第一偏振片2a后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第二激光器1b经过第二偏振片2b后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第一激光器1a和第二激光器1b发出的光波在第一分束镜3处合成新的光波；形成新的光波经过在第一分束镜3分束形成新的物光波和参考光波，物光波依次经过扩束准直系统4到达第一平面镜5后反射、反射后的物光束入射孔径光阑6后到达锥镜组合系统7中，经过轴锥镜组合系统后出射到凸透镜8形成环形光，所形成的环形光入射到锥角相同的两个轴锥镜9和10后形成更小的环形光照射样品11；参考光波通过色散棱镜后，经过第二扩束准直系统14扩束后的光束入射到第二平面镜15后的光束与入射到显微镜12的物光在第二分束镜16处产生干涉，并由CCD17记录。
作为光源，所述第一激光la、第二激光1b为两束准直扩束后的不同波长的激光，两束激光在光路中由色散棱镜13和滤波片过滤达到单一激光光路的目的。
图2和图3为本发明实施例提供的光源的两种不同的结构示意图；面以所述第一激光1a为例进行说明，所述第二激光1b的结构与所述第一激光la的结构相同。
参考图2，所述第一激光1a和第一偏正片2a产生第一束实验激光激光器发出的激光经过偏正片后入射到分束镜中，在分束后发生透射和反射；参考图3，所述第二激光2a和第二偏正片2b产生另一束实验激光激光器发出的激光经过偏正片后入射到分束镜中，在分束后发生透射和反射；
参考图4，经过第一平面镜反射的光束入射到锥镜系统，轴锥镜组合系统是由正、负轴锥镜组合而成，通过控制正、负轴锥镜的底角
Figure 529955DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 405507DEST_PATH_IMAGE002
得到合适的
Figure 637906DEST_PATH_IMAGE003
并使之大于0，故正轴锥的底角为
Figure 206290DEST_PATH_IMAGE001
，负轴锥的底角为
Figure 891349DEST_PATH_IMAGE002
，组合透镜的等效底角
Figure 570592DEST_PATH_IMAGE004
，而角度越小的元件对加工技术和精度要求越高，组合轴锥镜的等效底角由正、负轴锥镜的底角之差决定。
参考图5，光束经过轴锥镜组合系统后与透镜组合，产生环形光。
参考图6，光束经过轴锥镜系统后与透镜组合，产生环形光的尺寸大不易于观察样品，故再通过另外一个轴锥镜组合，产生更小，更适合观察样品的光束
相比于现有的单波长数字全息显微镜，本发明实施列可提供够测试样品的厚度信息和表面轮廓信息，可测试的样品范围更广，利用获取样品的透视信息和反射信息来进行建模，获取样品的三维 结构信息更完整、更准确。此外还可以用于样品的三维形貌与厚度信息的实时测量。
本发明实施提供的一种基于双波长透视式数字全息成像系统，其应用领域包括半导体检测、微光学器件检测和生物样品检测。

Claims (6)

1.一种基于双波长透视式数字全息成像系统，其特征在于：包括第一激光器（1a）、第二激光器（1b）、第一偏振片（2a）、第二偏振片（2b）、第一分束镜（3）、第一扩束准直系统（4）、第一平面镜（5）、孔径光阑（6）、组合锥透镜（7）、透镜（8）、第一轴锥镜（9）、第二轴锥镜（10）、样品（11）、显微镜（12）、色散棱镜（13）、第二分束镜（13）、第二扩束准直系统（14）、第二平面镜（15）、第二分束镜（16）、CCD采样（17）、计算机（18）；
第一激光器（1a）经过第一偏振片（2a）后改变偏振方向，经过所述第一分束镜（3）后分成偏振态垂直的光波，第二激光器（1b）经过第二偏振片（2b）后改变偏振方向，经过所述第一分束镜（3）后分成偏振态垂直的光波，第一激光器（1a）和第二激光器（1b）发出的光波在第一分束镜（3）处合成新的光波；形成新的光波经过在第一分束镜（3）分束形成新的物光波和参考光波，物光波依次经过扩束准直系统（4）到达第一平面镜（5）后反射、反射后的物光束入射孔径光阑（6）后到达锥镜组合系统（7）中，经过轴锥镜组合系统后出射到凸透镜（8）形成环形光，所形成的环形光入射到锥角相同的两个轴锥镜（9）和（10）后形成更小的环形光照射样品（11）；参考光波通过色散棱镜后，经过第二扩束准直系统（14）扩束后的光束入射到第二平面镜（15）后的光束与入射到显微镜（12）的物光在第二分束镜（16）处产生干涉，并由CCD17记录。
2.根据权利要求1所述的基于双波长透射式数字全息成像光路系统，其特征在于：所有的平面镜的倾斜角度可以自由调整，其最后倾斜角使反射的参考光与物光成3-8°的夹角，以实现离轴干涉。
3.根据权利要求1或2所述的基于双波长透射式数字全息成像光路系统，其特征在于：轴锥镜组合（7）系统，轴锥镜组合系统是由正、负轴锥镜组合而成，通过控制正、负轴锥镜的底角
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 488712DEST_PATH_IMAGE002
得到合适的
Figure DEST_PATH_IMAGE003
并使之大于0，故正轴锥的底角为
Figure 491303DEST_PATH_IMAGE001
，负轴锥的底角为
Figure 811426DEST_PATH_IMAGE002
，组合透镜的等效底角
Figure 975691DEST_PATH_IMAGE004
。
4.根据权利要求3所述的基于双波长透射式数字全息成像光路系统，其特征在于：第一轴锥镜（9）和第二轴锥镜（10）组合产生新的局域空心光束，要求第一轴锥镜（9）和第二轴锥镜（10）的锥角要相同，并要和轴锥镜组合（7）3°的等效角相近。
5.根据权利要求4所述的基于双波长透射式数字全息成像光路系统，其特征在于：第一激光器（1a）和第二激光器（1b）分别发出红色和绿色的激光，两束激光可选波长范围分别是
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
6.根据权利要求5所述的基于双波长透射式数字全息成像光路系统，其特征在于：待测样品（11）、显微镜（12）与CCD（17）构成远心光学结构，其中待测样品（11）位于显微镜物镜的前焦距面位置，而显微物镜的后焦面与镜筒透镜的前焦面重合，该CCD（17）位于镜筒透镜的后焦面位置。
CN202211179287.XA 2022-09-27 2022-09-27 一种基于双波长透视式数字全息成像系统 Pending CN115469522A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211179287.XA CN115469522A (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种基于双波长透视式数字全息成像系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211179287.XA CN115469522A (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种基于双波长透视式数字全息成像系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115469522A true CN115469522A (zh) 2022-12-13

Family

ID=84335663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211179287.XA Pending CN115469522A (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种基于双波长透视式数字全息成像系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115469522A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108971747B (zh) 一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置
US11644791B2 (en) Holographic imaging device and data processing method therefor
CN106292238B (zh) 一种反射式离轴数字全息显微测量装置
CN113091896B (zh) 基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法及光路
WO2018038064A1 (ja) エリプソメトリ装置およびエリプソメトリ方法
CN107356196B (zh) 三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法
CN107966110A (zh) 一种双模态数字全息显微装置
CN111257226B (zh) 基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法
CN107463081B (zh) 一种利用数字全息技术的三维实时显微成像检测系统
CN111257227A (zh) 基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法
CN111650203A (zh) 一种微球内表面缺陷测量方法
TW202020400A (zh) 表面形狀量測裝置以及表面形狀量測方法
CN108562241B (zh) 基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法
CN115480383A (zh) 透射反射式数字全息显微系统
CN111811394A (zh) 基于3ccd或3cmos的动态三波长数字全息测量方法
CN115930773A (zh) 轻离轴数字全息检测装置
CN113125387A (zh) 一种增强表面等离子体共振相位成像横向分辨率的方法
CN114111625A (zh) 一种光学成像系统及方法
CN110824684B (zh) 一种高速立体三维多模态成像系统和方法
CN102279555A (zh) 具有空间载频的能够以多色辐射进行成像的干涉仪系统
TWI632361B (zh) 數位全像顯微斷層之方法及裝置
CN115469522A (zh) 一种基于双波长透视式数字全息成像系统
CN113418470B (zh) 光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法
CN214095898U (zh) 一种基于偏振同步相移的轻离轴翻转干涉数字全息检测装置
CN108562225A (zh) 基于分光瞳的反射式共路数字全息装置与方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination