CN105423911A - 一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法。包括光源、待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第二透镜、图像传感器和计算机，还包括一维周期光栅和孔阵列；光源发射的光束经待测物体、显微物镜和校正物镜后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；本发明简单易行，调整方便，且待测物体尺寸不受限，充分利用检测窗口视场；可极大降低确定***载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效率。

Description

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法

技术领域

本发明属于数字全息检测领域，尤其涉及一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法。

背景技术

数字全息检测技术基于干涉原理，利用CCD或CMOS等图像传感器记录全息(干涉)图，并利用计算机数字再现物体表面形貌等，由于具有非接触、全场定量、三维成像等独特优点，已作为极其重要的测试分析手段被广泛应用于生物医学、微纳器件、光学微加工等测量领域。传统的数字全息***采用迈克逊、马赫-曾德尔等分离光路干涉，其参考光束和测量光束经过不同路径，易受外界振动、温度起伏等影响，抗干扰能力差。相对于分离光路结构，共光路结构因为参考光束和测量光束经过相同路径，具有非常好的抗干扰能力，因而近十年受到国内外学者广泛关注。

美国麻省理工学院的G.Popescu等(G.Popescu,T.Ikeda,R.R.Dasari,M.S.Feld.Diffractionphasemicroscopyforquantifyingcellstructureanddynamics.Opt.Lett.2006,31,775-777)提出了一种共路点衍射载波全息技术，在4f光学***的入射面放置光栅，将通过待测物体的光波衍射分成多个衍射级次，并在频谱面放置空间孔阵列，选取零级光作为参考光并选取+1级光作为物光，进而通过曝光采集获得载波全息图，该技术因为采用共路结构抗干扰能力强，但对空间针孔滤波器阵列中心间距、光栅周期以及透镜焦距相互之间匹配要求较高，且需精确调整，才能保证获得理想全息图。

为提高***抗干扰能力，简化***结构，本发明人提出系列基于光栅离焦的双窗口共路干涉检测方法与装置，如ZL201210424239.2“基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法”，将4f光学***的入射面分成两个窗口，其中一个用于放置待测物体，另一个用于参考窗口，并在4f光学***的频域离焦处放置光栅引入载波，进而获得载波全息图，但是因为入射面分成两个窗口，不仅检测窗口利用率只有1/2，而且待测物体尺寸受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行，调整方便的，基于光栅离焦的共路数字全息显微装置。本发明的目的还包括提供一种能够降低确定***载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效率的，一种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法。

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，包括光源1、待测物体2、显微物镜3、校正物镜4、第一透镜5、第二透镜8、图像传感器9和计算机10，还包括一维周期光栅6和孔阵列7，其中λ为光源1发射光束的光波长；

光源1发射的光束经待测物体2、显微物镜3和校正物镜4后入射至第一透镜5，经第一透镜5汇聚后的出射光束通过一维周期光栅6后分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列7滤波形成参考光和物光射向第二透镜8，经第二透镜8透射后的汇合光束由图像传感器9的光接收面接收，图像传感器9的图像信号输出端连接计算机10的图像信号输入端；

第一透镜5的焦距为f₁，第二透镜9的焦距都为f₂；

一维周期光栅6的周期为d，位于第一透镜5的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜8的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量；

孔阵列7上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，孔阵列7位于第一透镜6和第二透镜8的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度。

本发明一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，还包括：

1、一维周期光栅(6)为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

2、孔阵列(7)的大孔A让0级衍射光全部通过形成物光，针孔B让+1级衍射光滤波通过形成参考光，

或者：大孔A让+1级衍射光全部通过形成物光，针孔B让0级衍射光滤波通过形成参考光。

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法，包括以下步骤，

步骤一：调整光源，使光源发射的光束经过待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅；

步骤二：经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器采集到计算机并被计算机处理；

步骤三：计算待测物体的复振幅c(x,y)：

c(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，Rr(x,y)为数字参考波，

$Rr(x,y)=\exp (-i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{df}}_1}x);$

步骤四：得到待测物体的复振幅

有益效果：

本发明的装置有如下显著特点：

1.本发明装置结构简单，***定位复杂度要求低，且调整方便，也不需任何偏振元件等特殊光学元件；

2.本发明装置采用反射式点衍射构成共光路结构，***抗干扰能力强，稳定性好。

基于光栅离焦的共路数字全息显微方法有以下特点：

1.在共路结构基础上，将光栅离焦分光技术和孔阵列滤波技术相结合，通过一次曝光获得载波全息图，不仅保证***干扰能力和检测的实时性，而且方法简单易行，调整方便，且待测物体尺寸不受限，可充分利用检测窗口视场，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.全息图载波频率映射关系简单，确定容易，可通过光栅离焦精确控制，从而极大降低确定***载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效率，这是区别于现有技术的创新点之二。

附图说明

图1为基于光栅离焦的共路数字全息显微装置结构示意图；

图2为孔阵列示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，将光栅离焦分光技术和孔阵列滤波技术相结合，提出一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法。

本发明属于数字全息检测领域，特别涉及一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法。基于光栅离焦的共路数字全息显微装置光源、显微物镜校正物镜、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、第二透镜、图像传感器和计算机。本发明简单易行，调整方便，且待测物体尺寸不受限，充分利用检测窗口视场；全息图载波频率映射关系简单，确定容易，可通过光栅离焦精确控制，可极大降低确定***载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效率。

图1中标号说明：光源1，待测物体2，显微物镜3，校正物镜4，第一透镜5，一维周期光栅6，孔阵列7，第二透镜8，图像传感器9，计算机10。

本发明包括波长为λ光源、准直扩束***、待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第二透镜、图像传感器和计算机，该装置还设有一维周期光栅和孔阵列。光源发射的光束经待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f₁，第二透镜的焦距都为f₂；一维周期光栅的周期为d，位于第一透镜的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量；孔阵列上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度。

一维周期光栅为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

孔阵列的大孔A让0级衍射光全部通过形成物光，针孔B让+1级衍射光滤波通过形成参考光，或者大孔A让+1级衍射光全部通过形成物光，针孔B让0级衍射光滤波通过形成参考光。

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法，包括如下步骤：

①.调整光源，使光源发射的光束经待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅，其特征是：

②.经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器采集到计算机并被计算机处理；

③.计算被测物体的复振幅c(x,y)：

c(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，Rr(x,y)为数字参考波，可表示为

$Rr(x,y)=\exp (-i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{df}}_1}x)$

④.计算被测物体的复振幅

下面结合图1和图2对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：光源1，待测物体2，显微物镜3，校正物镜4，第一透镜5，一维周期光栅6，孔阵列7，第二透镜8，图像传感器9，计算机10，其中光源1为波长632.8nm激光器；第一透镜5和第二透镜8的焦距均为200mm；光栅周期d＝50μm，离焦量Δf＝150μm；孔阵列大孔A和针孔B的中心间距为1.9mm，针孔B的直径为≤1.22f₂λ/D。

本发明的检测方法的具体实施方式如下：光源1发射的光束经准直扩束***2后形成扩束的光束，该光束经过待测物体3、显微物镜4和校正物镜5入射至第一透镜6，经第一透镜6汇聚后的出射光束射向一维周期光栅7；经过一维周期光栅7的汇聚光束分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列8滤波形成参考光和物光射向第二透镜9，经第二透镜9透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器10采集到计算机并被计算机11处理。

利用计算机11计算被测物体的复振幅c(x,y)可得

c(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，Rr(x,y)为数字参考波，可表示为

$Rr(x,y)=\exp (-i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{df}}_1}x)$

从而获得待测物体的复振幅

Claims (4)

1.一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，包括光源(1)、待测物体(2)、显微物镜(3)、校正物镜(4)、第一透镜(5)、第二透镜(8)、图像传感器(9)和计算机(10)，其特征是：还包括一维周期光栅(6)和孔阵列(7)，其中λ为光源(1)发射光束的光波长；

光源(1)发射的光束经待测物体(2)、显微物镜(3)和校正物镜(4)后入射至第一透镜(5)，经第一透镜(5)汇聚后的出射光束通过一维周期光栅(6)后分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列(7)滤波形成参考光和物光射向第二透镜(8)，经第二透镜(8)透射后的汇合光束由图像传感器(9)的光接收面接收，图像传感器(9)的图像信号输出端连接计算机(10)的图像信号输入端；

第一透镜(5)的焦距为f₁，第二透镜(9)的焦距都为f₂；

一维周期光栅(6)的周期为d，位于第一透镜(5)的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜(8)的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量；

孔阵列(7)上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，孔阵列(7)位于第一透镜(6)和第二透镜(8)的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，其特征在于：所述的一维周期光栅(6)为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

3.根据权利要求1所述的一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，其特征在于：所述的孔阵列(7)的大孔A让0级衍射光全部通过形成物光，针孔B让+1级衍射光滤波通过形成参考光，

或者：大孔A让+1级衍射光全部通过形成物光，针孔B让0级衍射光滤波通过形成参考光。

4.一种基于权利要求1所述的基于光栅离焦的共路数字全息显微装置的显微方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：调整光源，使光源发射的光束经过待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅；

步骤二：经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器采集到计算机并被计算机处理；

步骤三：计算待测物体的复振幅c(x,y)：

c(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，Rr(x,y)为数字参考波，

$Rr(x,y)=\exp (-i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}f}{{\mathrm{df}}_1}x);$

步骤四：得到待测物体的复振幅