CN214095899U - 一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，检测装置包括波长分别为为λ_a和λ_b的光源、第一非偏振分光棱镜、准直扩束系统、矩形光阑、第一透镜、第二非偏振分光棱镜、平面反射镜、角反射镜、第二透镜、图像传感器；本申请在保证抗干扰能力和检测实时性的同时，兼顾了测量实时性、系统复杂性和操作灵活性，不需偏振元件、空间滤波器等特殊光学元件，结构简单，成本低。

Description

一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置

技术领域

本实用新型属于数字全息检测领域，特别涉及一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置。

背景技术

数字全息检测方法是基于干涉理论在光路中产生全息(干涉)图，并利用CCD或CMOS等图像传感器记录存储至计算机中，通过算法求解，可再现出待测物体的相位，进而实现全视场、无损、非接触、非标记的定量测量。该方法已逐渐成为微结构、形变、生物医学等检测领域一个极为重要的测试分析手段。单一波长数字全息检测方法在求解待测物体的相位时，是依靠计算反正切函数获得的，因而计算出的相位结果将分布在[-π,π] 之间。而当真实的待测相位超出2π范围时，计算的结果将是包裹相位，若要再现真实相位，则需要进行解包裹操作。而常见的相位解包裹算法往往因计算复杂耗时而不利于实时测量，还可能会引入不可预料的误差。双波长数字全息检测方法是通过选用不同的波长组合，以得到能够大于待测样品真实厚度的等效波长，而避免了解包裹操作，并实现不同测量灵敏度、测量精度的检测。但早期的双波长数字全息检测方法仍存在装置无法同步分离和采集不同波长光源照射下全息图的问题。为了弥补以上不足，国内外学者作了很多有益的尝试。

美国的M.T.Rinehart等提出了一种利用彩色图像传感器实现的双波长离轴数字全息检测装置(M.T.Rinehart,N.T.Shaked,N.J.Jenness,R.L.Clark,A.Wax.“Simultaneous two-wavelength transmission quantitative phase microscopy witha color camera.”Optics Letters 2010,35(15):2612-2614.)，装置利用含有Bayer滤光片的彩色图像传感器，同步采集两波长全息图，进而可以通过一次曝光所采集的全息图进行相位恢复，具有很好的实时性。但该装置采用分离光路结构，其抗干扰能力有待于进一步提高。另一方面，由于三基色像元在空间位置上不重合，利用彩色相机采集全息图去进行相位恢复时，也存在不同波长间信息的串扰、像素偏移等不足。

以色列的N.T.Shaked等提出了一种基于改进迈克逊结构的双波长离轴数字全息检测装置(N.A.Turko,N.T.Shaked.“Simultaneous two-wavelength phase unwrappingusing an external module for multiplexing off-axis holography.”Optics Letters2017,42(1):73-76.)，该装置具有共光路结构，抗干扰能力较强。装置通过使用一种特殊的空间滤波器去生成参考光，并利用二向色镜分离两波长光束，而后通过调整反射镜的偏转方向，可在两波长对应的全息图中引入方向正交载频，继而利用黑白图像传感器便可完成双波长全息图像的同步采集，克服了彩色图像传感器的不足。由于不同波长载频方向的正交，可在频域实现不同波长频谱的角度复用，仅用一幅全息图便可完成待测相位的再现。但装置所使用的空间滤波器，需要同时承担生成参考光和波长光束选择的作用，因而不仅结构复杂，参数要求较严格，且制配也较困难。

哈尔滨工程大学的单明广等提出一种基于反射式点衍射的共光路结构的双波长离轴数字全息检测装置(M.Shan,L.Liu,Z.Zhong,B.Liu,G.Luan,Y.Zhang.“Single-shotdual-wavelength off-axis quasi-common-path digital holography usingpolarization-multiplexing.”Optics Express 2017,25(21):26253-26261.)，装置依靠调整不同波长光源的偏振态，结合与其相匹配的偏振片，可实现不同波长光束的无串扰分离，而后分别通过两方向正交的角反射镜，可在两波长对应的全息图中引入方向正交的载频，以实现频域不同波长频谱的角度复用，进而利用黑白图像传感器完成双波长叠加全息图的采集。该装置无需使用特殊的空间滤波器，但仍需依赖偏振元件去完成不同波长对应光束的选择识别，而且两方向正交角反射镜的位置调整也较困难。

实用新型内容

为了克服相关技术存在的问题，减少对偏振元件的依赖，减少两方向正交角反射镜的位置调整的困难程度，增强抗干扰能力，本实用新型提供一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置。

本实用新型提出了一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，该检测装置包括：波长为λ_a的光源1、波长为λ_b的光源2、第一非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、矩形光阑6、第一透镜7、第二非偏振分光棱镜8、平面反射镜9、角反射镜10、第二透镜11和图像传感器12；两个光源波长满足λ_a＞λ_b，两个光源发射的光束经过第一非偏振分光棱镜3汇合成一束后，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，被第二非偏振分光棱镜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；所述两束光中的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，再次经过第二非偏振分光棱镜8后汇合，经第二透镜 11后相互干涉生成两幅镜像对称的双载频双波长全息图，同时被图像传感器12采集到计算机中。

进一步地：所述第一透镜7和第二透镜11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11的共焦平面上，角反射镜10可沿第一透镜7和第二透镜11的共焦平面进行横向的移动。

进一步地：所述平面反射镜9可以进行与水平方向偏转角为θ的转动。

本实用新型有益效果

1.本实用新型采用基于翻转干涉的共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。

2.本实用新型兼顾了测量实时性、系统复杂性和操作灵活性，使系统的整体性能有了提高。

3.本实用新型不需偏振元件、空间滤波器等特殊光学元件，结构简单，成本低。

附图说明

图1为本实用新型一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置的第一实施例的结构示意图。

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，本实用新型提出了一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，该检测装置包括：波长为λ_a的光源1、波长为λ_b的光源2、第一非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、矩形光阑6、第一透镜7、第二非偏振分光棱镜8、平面反射镜9、角反射镜 10、第二透镜11和图像传感器12；两个光源波长满足λ_a＞λ_b，两个光源发射的光束经过第一非偏振分光棱镜3汇合成一束后，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，被第二非偏振分光棱镜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；所述两束光中的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，再次经过第二非偏振分光棱镜8后汇合，经第二透镜11后相互干涉生成两幅镜像对称的双载频双波长全息图，同时被图像传感器12 采集到计算机中。

所述第一透镜7和第二透镜11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11的共焦平面上，角反射镜10可沿第一透镜7和第二透镜11的共焦平面进行横向的移动。

所述平面反射镜9可以进行与水平方向偏转角为θ的转动。

本实用新型一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置的测量装置实施步骤如下：

(1)调整两光源，使波长为λ_a的光源1、波长为λ_b的光源2发射光束，两光束经过第一非偏振分光棱镜3汇合成一束后，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，被所述第二非偏振分光棱镜8分成两束光；第一束光照射在所述平面反射镜9上并被反射；第二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；经过反射的两束光，再次经过所述第二非偏振分光棱镜8后汇合，经所述第二透镜11后相互干涉生成两幅镜像对称的双载频双波长全息图，同时被所述图像传感器12采集到计算机中；

(2)选择两幅双载频双波长全息图中的一幅，计算该双载频双波长全息图的频谱，利用带通滤波器，分别提取波长λ_a和波长λ_b对应的实像频谱，并分别计算待测物体5对应波长λ_a和波长λ_b的复振幅分布；

(3)分别计算待测物体5对应的波长λ_a的包裹相位

和波长λ_b的包裹相位

(4)利用

和

计算待测物体5的最终相位分布，为

上述实施实例具有非常好的稳定性，仅需利用黑白图像传感器采集全息图，而且只使用一幅双载频双波长全息图，便可完成待测样品的相位再现，还可通过控制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，在兼顾测量实时性的同时，装置结构简单易行，不需要任何偏振元件、空间滤波器等特殊光学元件，系统的复杂度得到进一步降低。

以上对本实用新型所提出的一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，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 (5)

1.一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，其特征在于：该检测装置包括：波长为λ_a的光源(1)、波长为λ_b的光源(2)、第一非偏振分光棱镜(3)、准直扩束系统(4)、矩形光阑(6)、第一透镜(7)、第二非偏振分光棱镜(8)、平面反射镜(9)、角反射镜(10)、第二透镜(11)和图像传感器(12)；两个光源波长满足λ_a＞λ_b，两个光源发射的光束经过第一非偏振分光棱镜(3)汇合成一束后，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，被第二非偏振分光棱镜(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；所述两束光中的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，再次经过第二非偏振分光棱镜(8)后汇合，经第二透镜(11)后相互干涉生成两幅镜像对称的双载频双波长全息图，同时被图像传感器(12)采集到计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，其特征在于：所述第一透镜(7)和第二透镜(11)焦距相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，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)。

4.根据权利要求1所述的一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，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(11)的共焦平面上，角反射镜(10)可沿第一透镜(7)和第二透镜(11)的共焦平面进行横向的移动。

5.根据权利要求1所述的一种基于翻转干涉的双载频双波长数字全息检测装置，其特征在于：所述平面反射镜(9)可以进行与水平方向偏转角为θ的转动。

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