CN214095900U - 一种基于反射式点衍射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反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置，检测装置包括：波长为λ₁的光源、波长为λ₂的光源、第一非偏振分光棱镜、准直扩束系统、第一透镜、第二非偏振分光棱镜、小孔反射镜、角反射镜、第二透镜和图像传感器；利用第一非偏振分光棱镜将两波长光束合成一束；光束经准直扩束后照射待测物体；第二非偏振分光棱镜将经第一透镜聚焦后的光束分成参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光照射在具有横向偏移的角反射镜上并被反射；经过反射的参考光和物光，再次经第二非偏振分光棱镜汇合，并通过第二透镜形成一幅双载频双波长全息图，被图像传感器采集到计算机中；计算获得待测物体的相位分布。

Description

一种基于反射式点衍射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，特别涉及一种基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置。

背景技术

数字全息检测方法可以实现高精度的全视场、无损、非接触、非标记的定量测量，已逐渐成为微结构、生物医学、形变等领域一个极为重要的测试分析方法。在数字全息检测过程中，相位的测量与求解非常重要。单一波长数字全息检测方法，通过计算反正切函数，得到被测物体的再现相位，因而所得到的相位分布都折叠在[-π,π]之间。当光经过物体后产生的最大光程差大于所用的记录波长时，其真实的相位将超过此范围，成为包裹相位，继而需要进行解包裹操作。而常见的相位解包裹算法，不仅计算复杂耗时，不利于实时测量，还可能会引入不可预料的误差。可幸的是，一种利用两个不同波长合成一个较大的等价波长的方法，即双波长数字全息检测方法，被提出，该方法通过选用不同的波长组合，以得到不同的等效波长，进而可以适合不同的测量灵敏度、测量精度。早期的双波长数字全息检测方法仍受限于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。为了弥补以上不足而进行的有益尝试，近年来受到广泛关注。

西安光机所的姚保利等提出了一种利用彩色图像传感器实现的双波长轻离轴数字全息检测装置(J.Min,B.Yao,P.Gao,R.Guo,B.Ma,J.Zheng,M.Lei,S.Yan,D.Dan,T.Duan,Y.Yang,T.Ye.“Dual-wavelength slightly off-axis digital holographicmicroscopy.”Applied Optics 2012,51(2):191-196.)，装置利用含有Bayer滤光片的彩色图像传感器，同步采集具有正交载频的两波长全息图，并可从所采集的一幅彩色全息图中分离出两幅单一波长的全息图，进而完成待测物体的相位恢复，具有很好的实时性。但该装置采用分离光路的结构，其抗干扰能力有待于进一步提高。

以色列的N.T.Shaked等提出了一种具有准共光路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.)，装置基于改进迈克逊结构，利用空间滤波器生成参考光，进而利用二向色镜分离两波长光束，并通过调整反射镜的偏转方向，在两波长对应的全息图中引入方向正交载频，从而实现频域内两波长频谱的角度复用，仅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。而且，由于采用准光路结构，系统的稳定性较好。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，因而结构复杂，参数要求较严格，且制配较困难。

哈尔滨工程大学的单明广等提出一种基于准共光路结构的双波长离轴翻转数字全息检测装置(L.Liu,M.Shan,Z.Zhong,B.Liu,G.Luan,M.Diao,Y.Zhang.“Simultaneousdual-wavelength off-axis flipping digital holography.”Optics Letters 2017,42(21): 4331-4334.)，装置采用双窗口输入，物光和参考光经由角反射镜的翻转，可彼此交换相对位置，进而在输出端产生全息图。装置依靠不同偏振态分离两波长光束，并通过调整两方向正交的角反射镜，在两波长对应的全息图中引入方向正交载频，从而实现频域的角度复用，可利用黑白图像传感器完成双波长全息图采集。该装置无需复杂的结构和特殊的空间滤波器，但仍需依赖偏振元件完成检测，而且两方向正交角反射镜的位置调整较困难。另外，采用双窗口输入的结构，使得输入光场的利用率仅为1/2。

实用新型内容

为了上克服相关技术存在的上述问题，提高抗干扰能力，简化结构，本实用新型提供一种基于反射式点衍射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反射式点衍射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λ₁的光源1、波长为λ₂的光源2、第一非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、第一透镜6、第二非偏振分光棱镜7、小孔反射镜8、角反射镜9、第二透镜10和图像传感器11；两个光源波长满足λ₁＞λ₂，两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后入射至第一透镜6，所述第一透镜6聚焦后的光束，被第二非偏振分光棱镜7分成一束物光和一束参考光；所述物光照射在角反射镜9上，所述参考光照射在小孔反射镜8上；所述经过反射的物光和参考光，再次经过第二非偏振分光棱镜7后汇合成一束光束后，经第二透镜10后生成一幅双载频双波长全息图，同时被图像传感器11采集到计算机中。

进一步地：所述第一透镜6和所述第二透镜10焦距相等。

进一步地：所述小孔反射镜8位于第一透镜6和第二透镜10的共焦平面上，且其反射面大小与波长λ₂在傅里叶平面产生的艾里斑直径大小d_p一致，d_p≤1.22λ₂f/D，f为所述第一透镜6的焦距，D为所述图像传感器11的视场宽度。

进一步地：所述角反射镜9由一对成90°角排列的平面反射镜构成，且两平面反射镜的交点位于第一透镜6和第二透镜10的共焦平面上，角反射镜9可横向的移动以在双载频双波长全息图中产生不同的载频量。

进一步地：从所述待测物体5到所述第一透镜6之间的光路上依次配置有显微物镜12和校正物镜13。

本实用新型有益效果

1.本实用新型兼顾了输入光场利用率、测量实时性、系统稳定性、系统复杂性和操作灵活性，使系统的整体性能有了提高；

2.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；

3.通过引入显微物镜后，可应用于显微测量中。

附图说明

图1为本实用新型一种基于反射式点衍射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；

图2为本实用新型一种基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置的第二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，本实用新型提出一种基于反射式点衍射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λ₁的光源1、波长为λ₂的光源2、第一非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、第一透镜6、第二非偏振分光棱镜7、小孔反射镜8、角反射镜9、第二透镜10和图像传感器11；两个光源波长满足λ₁＞λ₂，两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后入射至第一透镜6，所述第一透镜6聚焦后的光束，被第二非偏振分光棱镜7分成一束物光和一束参考光；所述物光照射在角反射镜9上，所述参考光照射在小孔反射镜8上；所述经过反射的物光和参考光，再次经过第二非偏振分光棱镜7后汇合成一束光束后，经第二透镜10后生成一幅双载频双波长全息图，同时被图像传感器11采集到计算机中。

所述第一透镜6和所述第二透镜10焦距相等。

所述小孔反射镜8位于第一透镜6和第二透镜10的共焦平面上，且其反射面大小与波长λ₂在傅里叶平面产生的艾里斑直径大小d_p一致，d_p≤1.22λ₂f/D，f为所述第一透镜6 的焦距，D为所述图像传感器11的视场宽度。

所述角反射镜9由一对成90°角排列的平面反射镜构成，且两平面反射镜的交点位于第一透镜6和第二透镜10的共焦平面上，角反射镜9可横向的移动以在双载频双波长全息图中产生不同的载频量。

第二实施例：第二实施例是在第一实施例的基础上，从所述待测物体5到所述第一透镜6之间的光路上依次配置有显微物镜12和校正物镜13。

图2中示出了第二实施例的结构。请参照图2，第二实施例一种基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置包括：波长为λ₁的光源1、波长为λ₂的光源2、第一非偏振分光棱镜3、第一透镜6、第二非偏振分光棱镜7、小孔反射镜8、角反射镜9、第二透镜10、图像传感器11、显微物镜12和校正物镜13。其中，显微物镜12和校正物镜13 依次配置在从待测物体5到第一透镜6之间的光路上。

第二实施例基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置可应用于显微测量中。

本实用新型一种基于反射式点衍射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λ₁的光源1和波长为λ₂的光源2发射光束，两光束经第一非偏振分光棱镜3汇合一束后，依次经过准直扩束系统4、待测物体5、第一透镜6和第二非偏振分光棱镜7后形成物光和参考光，物光和参考光分别被角反射镜9和小孔反射镜8反射后共同经过第二非偏振分光棱镜7和第二透镜10形成双载频双波长全息图，被图像传感器11采集传输到计算机中；

(2)求取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λ₁和波长λ₂对应的实像频谱，并分别计算待测物体5对应波长λ₁和波长λ₂的复振幅分布；

(3)分别求取待测物体5对应的波长λ₁和波长λ₂的包裹相位分布

和

(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，仅需一幅黑白图像传感器所采集的双载频双波长全息图，便可完成待测样品的相位恢复，并可通过调整角反射镜优化分辨力，在兼顾测量实时性的同时，方法简单易行，不需要任何偏振元件、空间滤波器等特殊光学元件，系统的复杂度进一步降低了。

以上对本实用新型所提出的一种基于反射式点衍射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)

1.一种基于反射式点衍射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λ₁的光源(1)、波长为λ₂的光源(2)、第一非偏振分光棱镜(3)、准直扩束系统(4)、第一透镜(6)、第二非偏振分光棱镜(7)、小孔反射镜(8)、角反射镜(9)、第二透镜(10)和图像传感器(11)；两个光源波长满足λ₁＞λ₂，两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)后入射至第一透镜(6)，所述第一透镜(6)聚焦后的光束，被第二非偏振分光棱镜(7)分成一束物光和一束参考光；所述物光照射在角反射镜(9)上，所述参考光照射在小孔反射镜(8)上；所述经过反射的物光和参考光，再次经过第二非偏振分光棱镜(7)后汇合成一束光束后，经第二透镜(10)后生成一幅双载频双波长全息图，同时被图像传感器(11)采集到计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射式点衍射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(6)和所述第二透镜(10)焦距相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置，其特征在于：所述小孔反射镜(8)位于第一透镜(6)和第二透镜(10)的共焦平面上，且其反射面大小与波长λ₂在傅里叶平面产生的艾里斑直径大小d_p一致，d_p≤1.22λ₂f/D，f为所述第一透镜(6)的焦距，D为所述图像传感器(11)的视场宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射式点衍射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(9)由一对成90°角排列的平面反射镜构成，且两平面反射镜的交点位于第一透镜(6)和第二透镜(10)的共焦平面上，角反射镜(9)可横向的移动以在双载频双波长全息图中产生不同的载频量。

5.根据权利要求1所述的一种基于反射式点衍射的双载频双波长数字全息检测装置，其特征在于：从所述待测物体(5)到所述第一透镜(6)之间的光路上依次配置有显微物镜(12)和校正物镜(13)。

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