CN117705001B - 基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法，属于光电检测技术领域。本发明包括步骤：激光器发出的激光经过扩束准直系统后变为平行光，通过分束镜将分为两束平行光波；其中一束平行光波被待测样品反射携带物信息变为物光波；过另一束平行光波被凹面镜反射变为球面参考光波；物光波与参考光波在探测器的靶面发生干涉后，通过探测器记录无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；经过计算机处理无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得被测样品的相位信息，通过相位与光程的关系式获得被测样品的形貌高度。本发明系统结构简单，测量速度快，抗环境噪声能力强。

Description

基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法

技术领域

本发明涉及物体形貌检测技术领域，具体涉及一种基于凹面镜的无透镜傅里叶变换数字全息技术与光学检测技术对物体形貌进行检测的数字全息物体形貌测量装置及方法。

背景技术

数字全息技术因其非接触、全场测量、高精度的特点，在物体表面微观形貌测量中发挥了重要的作用。但是在实验过程中，受到衍射回传至物平面，所需时间就延长，很多动态样品在变化过程中的重要信息会丢失掉。

现有传统的无透镜傅里叶变换数字全息成像系统中需要使用光纤头、透镜或者显微物镜形成球面参考光束，并且成像系统中使用的光学元件较多，使得成像光路结构复杂，系统测量时易受外界环境干扰。

因此，急需开发一种克服上述缺陷的基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无透镜数字全息检测裝置中系统稳定性不够，结构复杂和测量精度不够高等问题。由此本发明提供一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量方法，其中，包括：

平行光波获取步骤：通过分束镜将激光器发出的激光分为两束平行光波；

物光波采集步骤：通过一束平行光波对被测样品进行照射获得物光波；

参考光波采集步骤：通过另一束平行光波照射对凹面镜进行照射获得参考光波；

数字全息图获取步骤：使所述物光波与所述参考光波在探测器的靶面发生干涉后，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

形貌特征获取步骤：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述平行光波获取步骤包括：

衰减步骤：通过衰减片对所述激光的激光束能量进行衰减；

扩束准直步骤：通过扩束准直单元对衰减后的所述激光进行处理后获得沿一设定方向传播一束平行光波；

分束步骤：通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述扩束准直步骤包括：

通过扩束模块对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

通过准直模块将扩束后的所述激光转换为沿所述设定方向传播的所述平行光波。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述参考光波采集步骤包括：

通过所述凹面镜将另一束平行光波转换为球面参考光波，所述探测器采集所述球面参考光波，其中，所述球面参考光波的焦点与所述被测样品至所述探测器的距离相同。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述参考光波采集步骤还包括：

通过调节所述凹面镜控制所述球面参考光波与所述物光波的夹角。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述形貌特征获取步骤包括：

+1级像获得步骤：对所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换及频谱滤波获得+1级像；

相位信息获取步骤：对所述+1级像的复振幅分布进行处理获得再现像的复振幅分布，根据再现像的所述复振幅分布获得所述被测样品的所述相位信息；

形貌高度获取步骤：根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度，相位与光程的关系式为：

；

其中，h为被测样品的形貌高度，△n为被测样品的折射率与周围介质折射率之差，λ是波长。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述相位信息获取步骤还包括：

对再现像的复振幅分布取反正切计算获得第一相位信息；

对所述第一相位信息进行判断；

若所述第一相位信息的起伏处于预设范围内，则根据所述第一相位信息执行所述形貌高度获取步骤；

若所述第一相位信息的起伏超出所述预设范围，则对所述第一相位信息进行解包裹运算，获得第二相位信息后，根据所述第二相位信息执行所述形貌高度获取步骤。

上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述形貌特征获取步骤还包括：

校正步骤：将所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于所述探测器平面的像平面；将再现的所述像平面围绕Y轴旋转一定角度至校正后的倾斜平面；根据所述像平面和校正后的所述倾斜平面获得校正后的复振幅分布。

本发明还提供一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置，其中，应用上述中任一项所述的数字全息物体形貌测量方法，所述数字全息物体形貌测量装置包括：

激光器，用以输出激光；

平行光波获取单元，包括分束镜，所述分束镜将所述激光分为两束平行光波后，通过一束平行光波对被测样品进行照射获得物光波；

凹面镜，通过另一束平行光波照射对所述凹面镜进行照射获得参考光波，所述参考光波为一球面参考光波；

探测器，所述物光波与所述参考光波在所述探测器的靶面发生干涉后，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

形貌特征获取单元：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

上述的数字全息物体形貌测量装置，其中，所述平行光波获取单元还包括：

衰减片，对所述激光的激光束能量进行衰减；

扩束模块，对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

准直模块，将扩束后的所述激光转换为沿设定方向传播的所述平行光波后，通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

本发明相对于现有技术其功效在于：本发明不仅具有结构紧凑，稳定性好，便于操作，而且能够获得更高的系统分辨能力；其次，根据被测量物体的形貌，可灵活选择合适的系统分辨率和放大倍率进行观测。此外，本发明只需采集单幅全息图即可获得微小物体的表面信息，且能够实现动态测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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为本发明数字全息物体形貌测量方法的流程图；

图2为图1中步骤S1的分步骤流程图；

图3为图1中步骤S4的分步骤流程图；

图4为基于倾斜光照明的无透镜傅里叶变换数字全息校正原理示意图；

图5为本发明数字全息物体形貌测量装置的结构示意图。

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、完整地说明，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。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、“S1”、“S2”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

请参阅图1，图1为本发明数字全息物体形貌测量方法的流程图。如图1所示，本发明的一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量方法，包括：

平行光波获取步骤S1：通过分束镜将激光器发出的激光分为两束平行光波；

物光波采集步骤S2：通过一束平行光波对被测样品进行照射获得物光波；

参考光波采集步骤S3：通过另一束平行光波照射对凹面镜进行照射获得参考光波；

数字全息图获取步骤S4：使所述物光波与所述参考光波在探测器的靶面发生干涉后，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

形貌特征获取步骤S5：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

本发明采用无透镜傅里叶变换数字全息成像的方法是在不改变探测器尺寸的情况下进行的，通过使用球面参考光和物光束干涉在记录面形成物体的频谱信息，光路结构简单，数值重建只需对全息图进行一次傅里叶变换即可，计算速度快等优点有利于实现实时成像。最后根据相位分布求差便可获得与物体轮廓相关的相位图，相位分布、折射率和高度的关系即可得到物体的形貌信息。

由此，本发明的一种基于凹面镜反射式无透镜数字全息系统成像方法，是指被测物体到成像设备之间没有成像透镜的数字全息技术。从而具有结构简单紧凑，无需使用成像透镜，测量精度高、时间短、非接触等特点

请参照图2，图2为图1中步骤S1的分步骤流程图。如图2所示， 所述平行光波获取步骤S1包括：

衰减步骤S11：通过衰减片对所述激光的激光束能量进行衰减；

扩束准直步骤S12：通过扩束准直单元对衰减后的所述激光进行处理后获得沿一设定方向传播一束平行光波；

分束步骤S12：通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

其中，所述扩束准直步骤S12包括：

通过扩束模块对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；通过准直模块将扩束后的所述激光转换为沿所述设定方向传播的所述平行光波。

具体地说，在本实施例中，激光器发出的激光束经过衰减片后，再经过扩束模块和准直模块后，此刻光束为一束平行光波，经过分束镜后分为两束相互垂直的平行光波。

进一步地，所述参考光波采集步骤S3包括：

通过所述凹面镜将另一束平行光波转换为球面参考光波，所述探测器采集所述球面参考光波，其中，所述球面参考光波的焦点与所述被测样品至所述探测器的距离相同。

具体地说，其中一束平行光波被被测样品反射后作为物光波进入探测器，另一束平行光波经被镀银的凹面镜的表面反射后变为球面波作为参考光波进入探测器后，球面参考光波与物光波在探测器的靶面干涉产生无透镜傅里叶变换离轴数字全息图（以下简称数字全息图）并由探测器记录数字全息图。

需要说明的是，所述参考光波采集步骤S3还包括：通过调节所述凹面镜控制所述球面参考光波与所述物光波的夹角。具体地说，通过移动及/或转动的方式调节凹面镜的角度的来控制球面参考光波与物光波的夹角，使得球面参考光波与物光波产生适合的离轴角，从而在探测器所在的记录面就可以产生具有物、参光波强度分光比较一致的无透镜傅里叶变换数字全息干涉图。

值得注意的是，在本实施例中，以凹面镜为镀银凹面镜为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。

其中，由镀银凹面镜表面反射后产生的球面波的焦点被称为参考点源，它需要与被测样品距离探测器的距离一致；物光波与参考光波在探测器靶面处干涉并被其记录。由傅里叶数字全息理论可知全息图表示为：

；

其中, （x₀，y₀）和 （x，y）分别表示物平面和记录面，表示复共轭，O（x, y）和R(x, y)分别为物光波和参考球面光波。

其中，物光波在记录面的分布为O（x，y），

其中，，物光波在物平面的分布为O₀ (x₀, y₀)， />代表二维傅里叶变换运算符， λ是波长,z₀ 代表物体与探测器之间的距离, 波数k = 2π/λ。

其中，参考球面波在记录面的分布为R（x，y），

。

请参照图3，图3为图1中步骤S4的分步骤流程图。如图3所示，所述形貌特征获取步骤S5包括：

+1级像获得步骤S51：对所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换及频谱滤波获得+1级像；

相位信息获取步骤S52：对所述+1级像的复振幅分布进行处理获得再现像的复振幅分布，根据再现像的所述复振幅分布获得所述被测样品的所述相位信息。

形貌高度获取步骤S53：根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度，相位与光程的关系式为：

；

其中，h为被测样品的形貌高度，△n为被测样品的折射率与周围介质折射率之差，λ是波长。

其中，所述相位信息获取步骤还S42包括：

对再现像的复振幅分布取反正切计算获得第一相位信息；

对所述第一相位信息进行判断；

若所述第一相位信息的起伏处于预设范围内，则根据所述第一相位信息执行所述形貌高度获取步骤；

若所述第一相位信息的起伏超出所述预设范围，则对所述第一相位信息进行解包裹运算，获得第二相位信息后，根据所述第二相位信息执行所述形貌高度获取步骤。

具体地说，对上述数字全息图包含了四项，/> 项为我们感兴趣的原始像，由于发出球面参考光的点源和被测物体在同一个平面内，公式前面的二次位相因子可以消除了。全息图/>经过傅里叶变换后得到 “+1级”像，中央“0级”像和“-1级”像，离轴角越小，三个像彼此之间的距离越大，这样更有利于对“+1级”像进行滤波。随后将滤出的“+1级”像。因此在无透镜傅里叶变换全息图中包含物体原始像的/>项可以表示为：

；

无透镜傅里叶变换数字全息图记录的是带有一个二次位相因子的物光波的频谱与一个一次线性位相因子的乘积，公式中的一次位相因子使再现像产生平移。因此为了得到物体的复振幅分布信息，只需直接对全息图进行一次傅里叶逆变换。

需要说明的是，在本实施例中以“+1级”像和中央“0级”像之间的距离小于或等于3.55厘米为较佳的实施方式。

其中，无透镜傅里叶变换数字全息的再现

将全息图进行逆傅里叶变换得到再现的复振幅分布O_i (x_i, y_i)：

，

其中， FT^-1{}表示傅里叶逆变换，（x_i，y_i）代表重建像平面。当被测物体尺寸比记录距离小很多时，且与参考光焦点的距离较近时,物光波与参考光波发生干涉，并且在一个较大的空间范围内形成频率较低且均匀的干涉条纹,即f_max≈L/λz₀，这非常有利于使记录的全息图满足奈奎斯特采样条件，从而使得探测器的带宽被有效利用，物体的高频信息被更多地收录，再现像的分辨率更加接近理论分辨率。

其中，通过对再现像的复振幅分布取反正切计算直接得出物体的相位信息：

；

其中，代表物体相位，物体相位/>的值分布于[-π, π]之间，称为包裹相位。

若物体相位起伏大于2π时，还需要对相位分布计算的结果进行解包裹运算，本系统采用最小二乘解包裹算法。

最后，由相位分布、折射率和高度的关系式：可以计算出物体的形貌分布，其中h为物体的高度，△n为物体折射率与周围介质折射率的差值。

值得注意的是，在本发明的一实施例中，所述形貌特征获取步骤S4还包括：

校正步骤：将所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于所述探测器平面的像平面；将再现的所述像平面围绕Y轴旋转一定角度至校正后的倾斜平面；根据所述像平面和校正后的所述倾斜平面获得校正后的复振幅分布。

具体地说，请参照图4，图4为基于倾斜光照明的无透镜傅里叶变换数字全息校正原理示意图，本发明还适合用样品位于物平面上且绕Y轴旋转θ角，导致倾斜入射的情况。如图4所示，反射物光波倾斜地传输到探测器。在倾斜照明方案中，入射波不垂直于物平面O（x₀,y₀,z），物平面就不能平行于记录平面，因此基于传统的平行平面之间衍射理论的重建结果是不适用的。因此，通过将记录的衍射图案旋转到与记录平面（x',y',z'）平行的平面中来进行校正。校正的过程分为两步，首先，需要将全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于探测器平面的像平面。第二步，再现像平面围绕Y轴旋转角度 θ 至校正后的倾斜平面。两个平面之间的关系为：

；

其中，/> ；

校正平面可以表示为：

，

其中J (x', y')可以表示为：

；

校正后复振幅分布就可以表示为：

。

本发明基于凹面镜的反射式无透镜数字全息系统采用凹面反射镜反射产生参考点源，为了保证太赫兹无透镜成像光路的紧凑性，物面与记录面不平行，仅仅对全息图做一次逆傅里叶变换得出的复振幅分布再现不准确，通过基于频域坐标旋转变换的倾斜平面校正方法消除对再现像平面校正后的振幅和相位像，通过相位分布与光程的关系推算出样品表面形貌信息。

请参照图5，图5为本发明数字全息物体形貌测量装置的结构示意图。如图5所示，本发明的一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置，应用上述中任一项所述的数字全息物体形貌测量方法，所述数字全息物体形貌测量装置包括：激光器1、平行光波获取单元、凹面镜3、探测器4及形貌特征获取单元5，激光器1用以输出激光；平行光波获取单元，包括分束镜21，所述分束镜21将所述激光分为两束平行光波后，通过一束平行光波对被测样品S进行照射获得物光波；通过另一束平行光波照射对所述凹面镜3进行照射获得参考光波，所述参考光波为一球面参考光波；所述物光波与所述参考光波在所述探测器4的靶面发生干涉后，通过所述探测器4记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；形貌特征获取单元5根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

由此，本发明提出的一种基于迈克尔逊干涉仪结构的数字全息物体形貌测量装置可以快速检测物体的形貌。

进一步地，所述平行光波获取单元还包括：衰减片22、扩束模块23及准直模块24，衰减片22对所述激光的激光束能量进行衰减；扩束模块23对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；准直模块24将扩束后的所述激光转换为沿所述设定方向传播的所述平行光波后，通过所述分束镜21将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

具体地说，所述形貌特征获取单元5对记录的全息图进行逆傅里叶变换后得到 “±1级”像与频域中心的“0级”像，然后进行频谱滤波取“+1级”像并移至谱域中央。随后对“+1级”像的复振幅分布取平方得到全息图再现像的复振幅分布，对其复振幅分布进行反正切运算提取包裹相位，最后进行解包裹操作得到连续的相位分布，根据相位分布、折射率和高度的关系得到物体的形貌特征。

其中，所述形貌特征获取单元5包括：

+1级像获得模块，对所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换及频谱滤波获得+1级像；

相位信息获取模块，对所述+1级像的复振幅分布进行处理获得再现像的复振幅分布，根据再现像的所述复振幅分布获得所述被测样品的所述相位信息。

形貌高度获取模块，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度，相位与光程的关系式为：

；

其中，h为被测样品的形貌高度，△n为被测样品的折射率与周围介质折射率之差，λ是波长。

其中，通过相位信息获取模块对“+1级”像的复振幅分布取平方得到全息图再现像的复振幅分布，对再现像的复振幅分布取反正切计算获得第一相位信息后；相位信息获取模块对所述第一相位信息进行判断；若所述第一相位信息的起伏处于预设范围内，形貌高度获取模块则根据所述第一相位信息执行所述形貌高度获取步骤；若所述第一相位信息的起伏超出所述预设范围，相位信息获取模块则对所述第一相位信息进行解包裹运算，获得第二相位信息后，形貌高度获取模块根据所述第二相位信息执行所述形貌高度获取步骤。

更进一步地，所述形貌特征获取单元5还包括：

校正模块，将所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于所述探测器平面的像平面；将再现的所述像平面围绕Y轴旋转一定角度至校正后的倾斜平面；根据所述像平面和校正后的所述倾斜平面获得校正后的复振幅分布。

综上所述，本发明通过凹面反射镜反射产生球面参考光，调节凹面镜的角度可以产生适合的离轴角，最终在探测器所在的记录面就可以产生具有物、参光波强度分光比较一致的无透镜傅里叶变换数字全息干涉图。相比传统无透镜傅里叶变换数字全息成像系统中需要使用光纤头、透镜或者显微物镜形成球面参考光束，并且成像系统中使用的光学元件较多，使得成像光路结构复杂。在相同的实验情况下，所提出的记录装置仅需少量光学元件就可以具有快速且稳定的记录，适合对动态样品进行连续观测。

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 (8)

1.一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，包括：

平行光波获取步骤：通过分束镜将激光器发出的激光分为两束平行光波；

物光波采集步骤：通过一束平行光波对被测样品进行照射后，获得被所述被测样品反射形成的物光波；

参考光波采集步骤：通过另一束平行光波照射对凹面镜进行照射后，获得被所述凹面镜反射形成的参考光波；

数字全息图获取步骤：通过所述被测样品反射形成的所述物光波反射至所述分束镜中，所述物光波通过所述分束镜透射至探测器的靶面，同时通过所述凹面镜反射形成的所述参考光波反射至所述分束镜中，所述参考光波通过所述分束镜反射至探测器的靶面，所述物光波与所述参考光波探测器的靶面发生干涉，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

形貌特征获取步骤：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度；

其中，所述参考光波采集步骤包括：

通过所述凹面镜将另一束平行光波转换为球面参考光波，所述探测器采集所述球面参考光波，所述球面参考光波的焦点与所述被测样品至所述探测器的距离相同；

其中，所述参考光波采集步骤还包括：

通过调节所述凹面镜控制所述球面参考光波与所述物光波的夹角。

2.如权利要求1所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述平行光波获取步骤包括：

衰减步骤：通过衰减片对所述激光的激光束能量进行衰减；

扩束准直步骤：通过扩束准直单元对衰减后的所述激光进行处理后获得沿一设定方向传播一束平行光波；

分束步骤：通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

3.如权利要求2所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述扩束准直步骤包括：

通过扩束模块对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

通过准直模块将扩束后的所述激光转换为沿所述设定方向传播的所述平行光波。

4.如权利要求1所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述形貌特征获取步骤包括：

+1级像获得步骤：对所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换及频谱滤波获得+1级像；

相位信息获取步骤：对所述+1级像的复振幅分布进行处理获得再现像的复振幅分布，根据再现像的所述复振幅分布获得所述被测样品的所述相位信息；

形貌高度获取步骤：根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度，相位与光程的关系式为：

；

其中，φ代表物体相位，h为被测样品的形貌高度，△n为被测样品的折射率与周围介质折射率之差，λ是波长。

5.如权利要求4所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述相位信息获取步骤还包括：

对再现像的复振幅分布取反正切计算获得第一相位信息；

对所述第一相位信息进行判断；

若所述第一相位信息的起伏处于预设范围内，则根据所述第一相位信息执行所述形貌高度获取步骤；

若所述第一相位信息的起伏超出所述预设范围，则对所述第一相位信息进行解包裹运算，获得第二相位信息后，根据所述第二相位信息执行所述形貌高度获取步骤。

6.如权利要求4所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述形貌特征获取步骤还包括：

校正步骤：将所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于所述探测器平面的像平面；将再现的所述像平面围绕Y轴旋转φφ一定角度至校正后的倾斜平面；根据所述像平面和校正后的所述倾斜平面获得校正后的复振幅分布。

7.一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置，其特征在于，应用上述权利要求1-6中任一项所述的数字全息物体形貌测量方法，所述数字全息物体形貌测量装置包括：

激光器，用以输出激光；

平行光波获取单元，包括分束镜，所述分束镜将所述激光分为两束平行光波后，通过一束平行光波对被测样品进行照射后，获得被所述被测样品反射的形成物光波，被所述被测样品反射形成的所述物光波反射至所述分束镜中；

凹面镜，通过另一束平行光波照射对所述凹面镜进行照射后，获得被所述凹面镜反射形成的参考光波，被所述凹面镜反射形成的所述参考光波反射至所述分束镜中；

探测器，所述物光波通过所述分束镜透射至探测器的靶面，所述参考光波通过所述分束镜反射至探测器的靶面，所述物光波与所述参考光波在所述探测器的靶面发生干涉，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

形貌特征获取单元：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度；

其中，通过所述凹面镜将另一束平行光波转换为球面参考光波，所述探测器采集所述球面参考光波，所述球面参考光波的焦点与所述被测样品至所述探测器的距离相同；通过调节所述凹面镜控制所述球面参考光波与所述物光波的夹角。

8.如权利要求7所述的数字全息物体形貌测量装置，其特征在于，所述平行光波获取单元还包括：

衰减片，对所述激光的激光束能量进行衰减；

扩束模块，对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

准直模块，将扩束后的所述激光转换为沿设定方向传播的所述平行光波后，通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。