CN1560706A - 高分辨率大视场数字全息装置 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率大视场数字全息装置，包括激光光源，其特征在于还有：扩束望远镜、分束器、两块全反射镜、一块半透半反镜、一块透镜、待测样品、探测器、可移动平台和计算机。各元部件的位置关系如下：在激光光源的激光输出光路上设扩束望远镜和分束器，该分束器的两输出光束(A、B)中的A束照射待测样品，待测样品的输出端为全反射镜和半透半反镜，该输出方向设有会聚透镜、探测器和计算机，所述的光束(B)经另一全反射镜和半透半反镜的反射而进入该会聚透镜和探测器，与A光束相遇并产生全息图，全息图存储在计算机中，进行重构。本发明与在先技术相比，分辨率和视场角增大了一个量级，为数字全息的广泛应用奠定了基础。

Description

高分辨率大视场数字全息装置

技术领域：

本发明关于数字全息技术，特别涉及一种高分辨率大视场数字全息装置。

背景技术：

数字全息术是一种以CCD电荷耦合器作为探测器来记录全息图，并经A/D板转换成数字，存储到计算机中，并用数字傅里叶变换取代光学衍射来完成全息图的重构。由于数字全息术采用CCD记录代替了早期全息术中需要干板记录，避免了暗房中那些繁杂的操作过程，并能获得实时重构，因而数字全息术近年来获得了快速的发展。令人感到不足的是电荷耦合器CCD的分辨率不高，它能分辨的最小单元大约为20μm左右，因此用CCD作光学全息的记录介质时，物束和参考束之间的夹角往往限制在1～2度范围之内，不仅分辨率不高，而且全息图的视场角也很小。

发明内容：

为了克服在先技术的不足，提出一种高分辨率大视场数字全息装置，以提高其分辨率和全息图的视场角。

本发明的基本思想是：将合成全息的方法移植到数字全息术，移动CCD分段记录数字全息图，当多幅全息图记录好以后，再用合成全息的方法，将全息图合成[参见在先技术：于美文著，光全息及其应用，§13.3合成全息，P487]。

本发明的技术解决方案如下：

一种高分辨率大视场数字全息装置，包括激光光源，其特征在于还包括：扩束望远镜、分束器、两块全反射镜、一块半透半反镜、一块透镜、待测样品、探测器、可移动平台和计算机。各元部件的位置关系如下：在激光光源的激光输出光路上设扩束望远镜和分束器，该分束器的两输出光束(A、B)中的A束照射待测样品，待测样品的输出端为全反射镜和半透半反镜，该输出方向设有会聚透镜、探测器和计算机，所述的光束(B)经另一全反射镜和半透半反镜的反射而进入该会聚透镜和探测器，与A光束相遇并产生全息图，全息图存储在计算机中，进行重构。

所说的激光光源是一台单横模相干He-Ne激光光源。

所说的扩束望远镜是一台能将He-Ne激光光束直径扩大的扩束光学系统。

所说的分束器能将He-Ne激光器强度反射和透射各50％的介质膜板。

所说的全反射镜，是一块块能将He-Ne激光100％反射的介质膜板。

所说的半透半反镜是一块能将He-Ne激光反射和透射各50％的介质膜板。

所说的待测样品是待研究的位相或振幅型物体。

所说的探测器是一种电荷耦合器CCD，每个像素、尺寸大约为20μm左右。

所说的可移动平台是一个平行移动的高精密工作台，用来装载电荷耦合器CCD8，可用压电陶瓷驱动，移动精度达五微米量级。

所说的计算机是用来实时重构CCD上记录的并已数字化了的全息图。

本发明的技术效果如下：

像所有其它的全息干涉仪一样，全息图上的条纹间距d：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \frac{1}{2}\mathrm{\θ}}$

式中λ是He-Ne激光波长，θ是A束和B束之间的夹角，如果选择θ＝18°24′的话，那么条纹间距d＝2μm，这一数值大大超过CCD本身分辨率。我们还在光路中加入一透镜，其目的在于扩大条纹间距10倍。透镜置于分束器和探测器之间，透镜焦距为80mm，调整透镜和探测器之间的距离，用一置于探测器位置上的显微镜观察干涉条纹，使其条纹间距为2×10＝20μm，然后进行曝光拍摄全息图，获得第一张全息图，然后按箭头方向移动可移动平台，每移动距离为20μm，也即一个CCD的像素大小，拍摄一张全息图，如此不断重复，直到拍摄好10张全息图为止。事实上，这10张全息图已存储在计算机中，按合成全息图的方法，将它们进行重构，其分辨率和视场角都要比常规的数字全息图大一个量级。

与在先技术相比：本发明的高分辨率大视场角数字全息装置，由于采用了分段记录合成全息方法以及在光路中插入一透镜放大干涉间距，从而将分辨率和视场角增大一个量级，为数字全息的广泛应用奠定了基础。

附图说明：

图1为本发明高分辨率大视场角数字全息装置的原理图。

具体实施方式

本发明高分辨率大视场角数字全息装置的原理图如图1所示。本发明高分辨率大视场角数字全息装置的实施例由下列元部件组成：He-Ne激光器1，扩束望远镜2，分束器3，全反射镜4，5，半透半反镜6，待测样品7，探测器8，可移动平台9，计算机10，透镜11。

所说的He-Ne激光器1是一台5mW的单横模相干光源。

所说的扩束望远镜2是一台能将He-Ne激光光束直径扩大50倍的扩束光学系统。

所说的分束器3能将He-Ne激光器1发出的光束分为反射和透射各50％的介质膜板。

所说的全反射镜4，5，是一块能将He-Ne激光100％反射的介质膜板。

所说的半透半反镜6是一块能将He-Ne激光反射和透射各50％的介质膜板。

所说的待测样品7是待研究的位相或振幅型物体。

所说的探测器8是一种电荷耦合器CCD，每个像素、尺寸大约为20μm左右。

所说的可移动平台9是一个平行移动的高精密工作台，用来装载电荷耦合器CCD8，可用压电陶瓷驱动，移动精度达五微米量级。

所说的计算机10是用来实时重构CCD上记录的并已数字化了的全息图。

所说的透镜11是用来放大干涉条纹间距。

本发明高分辨率大视场数字全息术的工作原理和基本过程是：

He-Ne激光器1工作以后，经扩束望远镜2扩束以后，经分束器3分成A、B两束光。A束经待测样品7，被全反射镜5反射到探测器8上，B束被全反射镜4和半透半反镜6反射，并送到探测器8上，当A束和B束相遇并产生全息图。

调整透镜11和探测器8之间的距离，用一置于探测器8位置上的显微镜观察干涉条纹，使其条纹间距为2×10＝20μm，进行曝光拍摄全息图，获得第一张全息图，然后按箭头方向移动可移动平台9，移动距离为20μm，也即一个CCD的像素大小，如此不断重复，直到拍摄好第10张全息图为止。事实上，这10张全息图已存储在计算机中，按合成全息图的方法，将它们进行重构，其分辨率和视场角都要比常规的数字全息图大一个量级。

Claims (8)

1、一种高分辨率大视场数字全息装置，包括激光光源(1)，其特征在于还包括：扩束望远镜(2)、分束器(3)、第一全反射镜(4)、第二全反射镜(5)、一块半透半反镜(6)、一块透镜(11)、待测样品(7)、探测器(8)、可移动平台(9)和计算机(10)，各元部件的位置关系如下：在激光光源(1)的激光输出光路上设扩束望远镜(2)和分束器(3)，该分束器(3)的两输出光束(A、B)中的A束照射待测样品(7)并经第二全反射镜(5)，透过半透半反镜(6)，经会聚透镜(11)到达探测器(8)和计算机(10)，所述的光束(B)经第一全反射镜(4)和半透半反镜(6)的反射而进入该会聚透镜(11)和探测器(8)和A光束相遇并产生全息图，全息图存储在计算机(10)中，所述的探测器(8)安置在可移动平台(9)上。

2、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的激光光源(1)是一台单横模相干的He-Ne激光光源。

3、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的扩束望远镜(2)是一台能将He-Ne激光光束直径扩大的扩束光学系统。

4、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的分束器(3)是反射和透射各50％的介质膜板。

5、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的待测样品(7)是待研究的位相或振幅型物体。

6、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的探测器(8)是一种电荷耦合器CCD，其每个像素、尺寸大约为20μm左右。

7、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置，其特征在于所述的可移动平台(9)，是一个平行移动的高精密工作台，用来装载电荷耦合器CCD(8)，可用压电陶瓷驱动，移动精度达五微米量级。

8、根据权利要求1所述的高分辨率大视场数字全息装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

①如果选择A束和B束之间的夹角θ＝18°24′，那么条纹间距d＝2μm；

②调整透镜(11)和探测器(8)之间的距离，用一置于探测器(8)位置上的显微镜观察干涉条纹，使其条纹间距为2×10＝20μm；

③将待测样品(7)置于A光束的光路中，进行曝光分段拍摄全息图，获得第一张全息图，然后按箭头方向移动可移动平台，每移动距离为20μm，拍摄一张全息图，如此不断重复，直到拍摄好10张全息图为止；

④将这10张已存储在计算机中的全息图，按合成全息图的方法进行重构。

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