CN214095898U - 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 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了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，该检测装置包括：光源、第一线偏振片、λ/4波片、准直扩束系统、矩形光阑、第一透镜、非偏振分光棱镜、平面反射镜、角反射镜、第二线偏振片、第二透镜、偏振片组和图像传感器，本实用新型通过一次曝光所采集的两幅全息图，便可完成相位恢复；装置在保证系统稳定性的同时，具有很好的测量实时性；同时仅需一个图像传感器，便可完成全息图的采集，无需空间滤波器、光栅等特殊光学元件，结构简单，成本低；在角反射镜、平面反射镜的位置确定后，检测过程中无需再进行任何机械移动，操作简单易行。
Description
技术领域
本实用新型属于数字全息检测领域，特别涉及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。
背景技术
数字全息检测方法将传统的光学干涉技术与数字图像处理技术相结合，利用光电图像传感器记录全息(干涉)图，而后将全息图以数据的形式存储于计算机中，并借助相关算法，恢复待测物体的相位。因其具有的非接触、全视场定量、无需对待测物做特殊处理等优点，数字全息检测方法已逐渐成为微结构的表面轮廓、形变、厚度等检测的一种重要测试分析手段。根据数字全息检测装置中的物光与参考光的夹角不同，早期的数字全息检测方法可以分为同轴和离轴两大类。同轴数字全息检测装置中物光和参考光间不存在夹角，因此需要通过多幅具有不同相移值的全息图去除直流分量。而离轴数字全息检测装置中物光和参考光间存在较大的夹角，可以使频域中的实像频谱、共轭像频谱和零频分量进行有效分离，进而可通过单幅全息图来进行相位恢复，具有很好的实时性。但是，离轴数字全息方法对CCD的带宽利用率不高。为兼顾CCD带宽利用率、CCD视场利用率和采集全息图次数，轻离轴数字全息检测方法，被提出，该方法利用两幅具有相移的轻离轴全息图做差，以去除直流分量，实现了同轴数字全息方法和离轴数字全息方法的折中，因而近年来受到广泛关注。
美国的N.T.Shaked等提出了一种基于偏振原理的两步相移轻离轴数字全息检测装置 (N.T.Shaked,Y.Zhu,M.T.Rinehart,A.Wax.“Two-step-only phase-shiftinginterferometry with optimized detector bandwidth for microscopy of livecells.”Optics Express 2009,17(18): 15585-15591.)，装置在马赫-曾德尔结构中，采用线性偏振激光器作为光源，而后照射测物体，进而在待测物体的支路产生物光，同时在另一支路加入λ/2波片和λ/4波片调制参考光的偏振态，通过旋转λ/4波片，可在全息图中引入不同相移。该装置可通过两次曝光，采集两幅相移全息图，完成对于待测物体的轻离轴数字全息检测。但该装置采用分离光路结构，系统的稳定性有待进一步提高。而且由于需要旋转波片，该装置无法完成动态过程的检测。
美国的B.Das等提出了一种基于偏振原理的同步相移轻离轴数字全息检测装置(B. Das,C.S.Yelleswarapu,D.V.G.L.N.Rao.“Parallel-quadrature phase-shiftingdigital holographic microscopy using polarization beam splitter.”OpticsCommunications 2012,285: 4954-4960.)，该装置在马赫-曾德尔结构中使用λ/4波片调制线性偏振光源，并在参考支路使用45°线性偏振片调制参考光。在图像传感器之前，装置采用偏振分光棱镜将干涉光束分成两光束，并在光束中引入不同相移，进而利用两个图像传感器同步采集两幅全息图，以完成轻离轴数字全息检测。该装置可实现动态过程的检测，具有很好的实时性。但由于采用两个图像传感器，使得装置成本提高，而且两个图像传感器间的严格同步也成为需解决的技术难点。另一方面，采用分离光路结构，使得系统稳定性有待提高。
浙江师范大学的马利红等提出一种基于光栅盲相移的轻离轴数字全息检测装置(L. Ma,J.Zhang,X.Yang,Y.Li,W.Jin.“White light diffraction phase microscopywith slightly off-axis blind two-step phase-shifting.”Optics Communications2020,455:124563.)，装置基于衍射相位显微结构，在输入端放置光栅，包含待测物体信息的光束经透镜准直之后被光栅衍射成多个级次，而后在傅立叶平面上利用空间滤波器进行滤波，令+1级为物光，0 级为参考光。通过横向移动光栅，可在全息图中引入不同相移。该装置采用共光路结构，具有较好的稳定性。但由于检测过程中需要移动光栅，因而无法实现动态过程检测。而且用于分离光栅不同衍射级次的空间滤波器需严格匹配系统参数，制配较困难。
为进一步简化结构，减少系统条件限制，本申请人提出了一种基于反射光栅的轻离轴数字全息检测装置(H.Bai,R.Min,Z.Yang,F Zhu.“Slightly off-axis flippingdigital holography using a reflective grating.”Journal of Optics 2020,22:035602.)，该装置基于翻转干涉的共光路结构，具有较好的稳定性，而且无需空间滤波器等特殊元件。但是在全息图中引入相移，需要依靠反射光栅的横向移动，因而无法满足动态检测的需求。而且，该方法只利用了一次曝光所产生两幅镜像对称载频全息图中的一幅，输出视场的利用率有待提高。
实用新型内容
为了克服相关技术存在的问题，达到能动态监测的需求、减少制备的难度以及增加输出视场的利用率，本实用新型提供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。
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，该检测装置包括：光源 1、第一线偏振片2、λ/4波片3、准直扩束系统4、矩形光阑6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8、平面反射镜9、角反射镜10、第二线偏振片11、第二透镜12、线偏振片组13和图像传感器14；光源1发射的光束经过第一线偏振片2和λ/4波片3调制形成圆偏振光束，再依次经准直扩束系统4和待测物体5后入射至矩形光阑6，形成物光和参考光；所述物光和所述参考光经第一透镜7聚焦后的光束，被非偏振分光棱镜8分成两束光；所述两束光中的第一束光照射在角反射镜10上并被反射，所述第一束光中物光和参考光的相对位置翻转，而后经过第二线偏振片11形成线偏振光束；所述两束光中的第二束光照射在平面反射镜9上并被反射；所述第一束光的反射光和所述第二束光的反射光，再次经过非偏振分光棱镜8后汇合，经第二透镜12后入射至线偏振片组13，该线偏振片组13出射的光束相互干涉生成两幅不同相移全息图，同时被图像传感器14采集到计算机中。
进一步地：所述第一线偏振片2和第二线偏振片11的透光轴与水平方向成45°角。
进一步地：所述λ/4波片3的快轴沿水平方向放置。
进一步地：所述第一透镜7和第二透镜12焦距相等。
进一步地：所述矩形光阑6由两个窗口构成，其中一个窗口之前放置待测物体5。
进一步地：所述角反射镜10由一对成90°角排列的平面反射镜9构成，且两反射镜的交点位于第一透镜7和第二透镜12的共焦平面上，角反射镜10可沿第一透镜7和第二透镜12的共焦平面进行横向的移动。
进一步地：所述平面反射镜9能够进行与水平方向偏转角为θ的转动。
进一步地：所述线偏振片组13含有两个线偏振片，其中一个线偏振的透光轴与水平方向成0°角，另一个线偏振片的透光轴与水平方向成90°角。
本实用新型有益效果
1.本实用新型通过一次曝光所采集的两幅全息图，便可完成相位恢复，装置在保证系统稳定性的同时，具有很好的测量实时性；
2.本实用新型仅需一个图像传感器，便可完成全息图的采集，无需空间滤波器、光栅等特殊光学元件，结构简单，成本低；
3.本实用新型在角反射镜、平面反射镜的位置确定后，检测过程中无需再进行任何机械移动，操作简单易行。
附图说明
图1为本实用新型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的第一实施例的结构示意图；
图2为本实用新型中偏振片组的配置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
结合图1至图2，本实用新型提出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，该检测装置包括：光源1、第一线偏振片2、λ/4波片3、准直扩束系统4、矩形光阑6、第一透镜7、非偏振分光棱镜8、平面反射镜9、角反射镜10、第二线偏振片 11、第二透镜12、线偏振片组13和图像传感器14；光源1发射的光束经过第一线偏振片 2和λ/4波片3调制形成圆偏振光束，再依次经准直扩束系统4和待测物体5后入射至矩形光阑6，形成物光和参考光；所述物光和所述参考光经第一透镜7聚焦后的光束，被非偏振分光棱镜8分成两束光；所述两束光中的第一束光照射在角反射镜10上并被反射，所述第一束光中物光和参考光的相对位置翻转，而后经过第二线偏振片11形成线偏振光束；所述两束光中的第二束光照射在平面反射镜9上并被反射；所述第一束光的反射光和所述第二束光的反射光，再次经过非偏振分光棱镜8后汇合，经第二透镜12后入射至线偏振片组13，该线偏振片组13出射的光束相互干涉生成两幅不同相移全息图，同时被图像传感器14采集到计算机中。
所述第一线偏振片2和第二线偏振片11的透光轴与水平方向成45°角。
所述λ/4波片3的快轴沿水平方向放置。
所述第一透镜7和第二透镜12焦距相等。
所述矩形光阑6由两个窗口构成，其中一个窗口之前放置待测物体5。
所述角反射镜10由一对成90°角排列的平面反射镜9构成，且两反射镜的交点位于第一透镜7和第二透镜12的共焦平面上，角反射镜10可沿第一透镜7和第二透镜12的共焦平面进行横向的移动。
所述平面反射镜9能够进行与水平方向偏转角为θ的转动。
所述线偏振片组13含有两个线偏振片，其中一个线偏振的透光轴与水平方向成0°角，另一个线偏振片的透光轴与水平方向成90°角。
本实用新型提出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的测量装置实施步骤如下：
(1)调整装置，打开光源1，使光源1发射的光束经过第一偏振片2和λ/4波片3调制形成圆偏振光束，再依次经准直扩束系统4和待测物体5后入射至所述矩形光阑6，形成物光和参考光；物光和参考光经所述第一透镜7聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜 8分成两束光；第一束光照射在所述角反射镜10上并被反射，光束中物光和参考光的相对位置翻转，而后经过第二线偏振片11形成线偏振光束；第二束光照射在所述平面反射镜9上并被反射；经过反射的两束光，再次经过所述非偏振分光棱镜8后汇合，经所述第二透镜12后入射至线偏振片组13，该线偏振组出射的光束相互干涉生成两幅不同相移全息图I1和I2，同时被所述图像传感器14采集到计算机中；
(2)镜像翻转全息图I2，得到全息图I2′，求取I1与I2′的差值全息图；
(3)求取差值全息图的频谱，并利用带通滤波器提取实像频谱，计算待测物体5的复振幅分布；
(4)计算待测物体5的相位分布：
上述实施实例具有非常好的稳定性，仅需一个图像传感器，便可采集两幅同步相移全息图，以完成待测样品的相位再现，降低了系统干扰，提高了测量速度，而且还可通过调整角反射镜的横向移动以及平面反射镜的偏转角度以优化分辨力，装置结构简单易行，不需要空间滤波器、光栅等特殊光学元件，进一步降低了系统复杂度。
以上对本实用新型所提出的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，进行了详细介绍，本文中对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (8)
1.一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，其特征在于：该检测装置包括：光源(1)、第一线偏振片(2)、λ/4波片(3)、准直扩束系统(4)、矩形光阑(6)、第一透镜(7)、非偏振分光棱镜(8)、平面反射镜(9)、角反射镜(10)、第二线偏振片(11)、第二透镜(12)、线偏振片组(13)和图像传感器(14)；光源(1)发射的光束经过第一线偏振片(2)和λ/4波片(3)调制形成圆偏振光束，再依次经准直扩束系统(4)和待测物体(5)后入射至矩形光阑(6)，形成物光和参考光；所述物光和所述参考光经第一透镜(7)聚焦后的光束，被非偏振分光棱镜(8)分成两束光；所述两束光中的第一束光照射在角反射镜(10)上并被反射，所述第一束光中物光和参考光的相对位置翻转，而后经过第二线偏振片(11)形成线偏振光束；所述两束光中的第二束光照射在平面反射镜(9)上并被反射；所述第一束光的反射光和所述第二束光的反射光，再次经过非偏振分光棱镜(8)后汇合，经第二透镜(12)后入射至线偏振片组(13)，该线偏振片组(13)出射的光束相互干涉生成两幅不同相移全息图，同时被图像传感器(14)采集到计算机中。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述第一线偏振片(2)和第二线偏振片(11)的透光轴与水平方向成45°角。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述λ/4波片(3)的快轴沿水平方向放置。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述第一透镜(7)和第二透镜(12)焦距相等。
5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述矩形光阑(6)由两个窗口构成，其中一个窗口之前放置待测物体(5)。
6.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述角反射镜(10)由一对成90°角排列的平面反射镜(9)构成，且两反射镜的交点位于第一透镜(7)和第二透镜(12)的共焦平面上，角反射镜(10)可沿第一透镜(7)和第二透镜(12)的共焦平面进行横向的移动。
7.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述平面反射镜(9)能够进行与水平方向偏转角为θ的转动。
8.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述线偏振片组(13)含有两个线偏振片，其中一个线偏振的透光轴与水平方向成0°角，另一个线偏振片的透光轴与水平方向成90°角。
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| CN202022956627.8U CN214095898U (zh) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 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 |
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| CN202022956627.8U CN214095898U (zh) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 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 |
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| CN214095898U true CN214095898U (zh) | 2021-08-31 |
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Family Applications (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN214095898U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114593670A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-06-07 | 华南师范大学 | 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 |
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2020
- 2020-12-11 CN CN202022956627.8U patent/CN214095898U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN114593670A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-06-07 | 华南师范大学 | 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 |
| CN114593670B (zh) * | 2022-01-25 | 2023-07-04 | 华南师范大学 | 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 |
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