CN108871198A - 数字同轴显微全息装置及记录距离与再现距离标定方法 - Google Patents

数字同轴显微全息装置及记录距离与再现距离标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学成像领域，具体地讲涉及数字同轴显微全息装置，所述装置包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机；所述CCD相机连接计算机；所述准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机均设置在平移台上，且准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机的中心点均处于一条直线上。相应地，本发明还提供了采用所述数字同轴显微全息装置的记录距离与再现距离标定方法。本发明的装置结构比较简单，具有成像效果好、控制精度高的优点。

Description

数字同轴显微全息装置及记录距离与再现距离标定方法
技术领域
本发明属于光学距离标定领域，具体地讲涉及数字同轴显微全息装置及记录距离与再现距离标定方法。
背景技术
数字同轴显微全息装置是将全息技术与光学显微技术相结合而成的一种装置，显微全息与传统的数字全息的记录与再现过程及原理大致一样，关键点在于在全息光路中加入了显微物镜，从而根据物镜放大倍率提升了装置的分辨力，能够实现对超过CCD最大分辨力的微小物体的全息再现。但是显微物镜的引入会导致CCD实际接收的是粒子经放大的实像通过一定距离后的衍射信息，造成再现距离的计算与未加显微物镜时存在区别，因此需要提出记录距离和再现距离标定方法，确定数字同轴显微装置下记录距离与再现距离之间的数学关系。
发明内容
根据现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供了数字同轴显微全息装置，本装置结构比较简单，具有成像效果好、控制精度高的优点。
本发明采用以下技术方案：
数字同轴显微全息装置，包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机；所述CCD相机连接计算机。
优选的，所述准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机均设置在平移台上，且准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机的中心点均处于一条直线上。
进一步优选的，所述激光光源采用长春镭仕光电科技有限公司的445nm多模光纤耦合激光器，准直镜采用上海闻弈光电科技有限公司的光纤准直镜，显微物镜采用MORITEX公司的定倍物方远心放大镜头，CCD相机采用FILR公司的大靶面工业黑白相机，平移台采用大恒新纪元科技股份有限公司的GCM-127精密平移台。
相应地，本发明还提供了采用所述数字同轴显微全息装置的记录距离与再现距离标定方法,包括如下步骤：
S1，沿着光照方向，将分辨率板由靠近显微物镜处向着远离显微物镜的方向移动，在这个过程中，由CCD相机记录的全息图像并在计算机上的显示图像有一个从逐渐聚焦到逐渐离焦的过程，计算显示图像的平均梯度其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板在平移台的刻度H即为再现距离零点，此时分辨率板在计算机上的显示图像最为清晰；
S2，将分辨率板移动到平移台的刻度H处的位置处，沿着光照方向，将分辨率板由向着远离显微物镜的方向或者靠近显微物镜的方向移动设定距离D，D即为记录距离，并由CCD相机记录全息图像P；
S3，在计算机端设定再现距离范围(D-a,D+b)，其中a>0，b>0，以步长a+b/N1计算全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N1为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N1张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad2max时对应的再现距离为D1；
S4，根据步骤S3中的再现距离D1，在计算机端重新设定再现距离范围(D1-c,D1+d)，其中c>0，d>0，且c<a，d<b，以步长c+d/N2计算所述全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N2为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N2张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad3max时对应的再现距离为D2；以此重复n次，得到再现距离Dn，并记录数据(D,Dn)；
S5，重复步骤S2～S4，得到不同记录距离下的再现距离，即得到N组数据(D,Dn)；
S6，将N组数据(D,Dn)进行线性拟合，即以记录距离D作为横坐标、再现距离Dn作为纵坐标，得到N组记录数据(D,Dn)所在的线条的方程式，进而得到记录距离与再现距离的关系。
优选的，步骤S1中，首先记录显示图像通过目测最为清晰时的分辨率板在平移台的刻度L，计算刻度范围(L-L1,L+L2)内的显示图像的平均梯度L1>0，L2>0，其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板在平移台的刻度H即为再现距离零点。
本发明的优点和有益效果在于：
1)本发明的显微全息测量装置包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、准直镜、扩束镜、分辨率板、显微物镜和CCD相机；所述CCD相机连接计算机。本装置结构比较简单，具有成像效果好、控制精度高的优点。
2)本发明的记录距离与再现距离标定方法，通过获取不同记录距离时对应的再现距离，并记录下多组记录距离和再现距离的记录数据，通过线性拟合得到记录距离与再现距离的数学关系，从而得到对应装置的记录距离与再现距离的关系特性。
3)本发明的记录距离与再现距离标定方法中，通过不断缩小再现距离设定的范围，提高了再现距离的标定精度。
附图说明
图1为本发明的数字同轴显微全息装置的示意图。
图2为本发明实施例的分辨率板在再现距离零点时的计算机上的显示图像。
图3为本发明实施例的分辨率板第一次移动设定距离后在计算机上的显示图像。
图4为本发明实施例的20组数据的线性拟合示意图。
附图标记：
10-激光光源，20-准直镜，30-扩束镜，40-分辨率板，50-显微物镜，60-CCD相机，70-计算机，80-平移台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，数字同轴显微全息装置，包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源10、准直镜20、扩束镜30、分辨率板40、显微物镜50和CCD相机60；所述CCD相机60连接计算机70。
所述准直镜20、扩束镜30、分辨率板40、显微物镜50和CCD相机60均设置在平移台80上，且准直镜20、扩束镜30、分辨率板40、显微物镜50和CCD相机60的中心点均处于一条直线上。
下面结合具体工作过程和附图，对本发明基于所述数字同轴显微全息装置的记录距离与再现距离标定方法进行详细说明：
S1，沿着光照方向，将分辨率板40由靠近显微物镜50处向着远离显微物镜50的方向移动，在这个过程中，由CCD相机60记录的全息图像并在计算机70上的显示图像有一个从逐渐聚焦到逐渐离焦的过程，计算显示图像的平均梯度其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板40在平移台80的刻度H即为再现距离零点，此时分辨率板40在计算机70上的显示图像最为清晰；
具体的，首先记录显示图像通过目测最为清晰时的分辨率板40在平移台80的刻度L，计算刻度范围(L-L1,L+L2)内的显示图像的平均梯度L1>0，L2>0，其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板40在平移台80的刻度H即为再现距离零点。
S2，将分辨率板40移动到平移台80的刻度H处的位置处，沿着光照方向，将分辨率板40由向着远离显微物镜50的方向或者靠近显微物镜50的方向移动设定距离D，D即为记录距离，并由CCD记录全息图像P；
S3，在计算机70端设定再现距离范围(D-a,D+b)，其中a>0，b>0，以步长a+b/N1计算全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N1为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N1张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad2max时对应的再现距离为D1；
S4，根据步骤S3中的再现距离D1，在计算机70端重新设定再现距离范围(D1-c,D1+d)，其中c>0，d>0，且c<a，d<b，以步长c+d/N2计算所述全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N2为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N2张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad3max时对应的再现距离为D2；以此重复n次，得到再现距离Dn，并记录数据(D,Dn)；
S5，重复步骤S2～S4，得到不同记录距离下的再现距离，即得到N组数据(D,Dn)；
S6，将N组数据(D,Dn)进行线性拟合，即以记录距离D作为横坐标、再现距离Dn作为纵坐标，得到N组记录数据(D,Dn)所在的线条的方程式，进而得到记录距离与再现距离的关系。
下面结合实施例和附图对本发明的记录距离与再现距离的标定方法进行详细说明。
本实施例的激光光源10采用长春镭仕光电科技有限公司的445nm多模光纤耦合激光器，准直镜20采用上海闻弈光电科技有限公司的光纤准直镜，显微物镜50采用MORITEX公司的定倍物方远心放大镜头，CCD相机60采用FILR公司的大靶面工业黑白相机，平移台80采用大恒新纪元科技股份有限公司的GCM-127精密平移台。
本发明实施例对各器件的型号、样式除做特殊说明的以外，其他器件的型号、样式不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
1、沿着光照方向所在的直线，将分辨率板40由靠近显微物镜50处向着远离显微物镜50的方向移动，在这个过程中由CCD相机60记录的全息图像在计算机70上的显示图像有一个从逐渐聚焦到逐渐离焦的过程；
首先记录显示图像通过目测最为清晰时的分辨率板40在平移台80的刻度L＝6.08cm，计算刻度范围(L-1.08,L+0.92)内的显示图像的平均梯度其中平均梯度为最大值0.048时对应的分辨率板40在平移台80的刻度H＝6cm，H＝6cm即为再现距离零点，如图2所示；
2、将分辨率板40移动到平移台80的刻度6cm处的位置上，沿着光照方向所在的直线，将分辨率板40由向着远离显微物镜50的方向移动设定距离0.001m，0.001m即为记录距离，并由CCD记录全息图像，如图3所示；
3、在计算机70端设定再现距离范围(0.001-0.0005,0.001+0.0035)，以步长0.0005+0.0035/20计算全息图像在不同再现距离下的再现图像的平均梯度在再现距离范围内共有20张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值0.044时对应的再现距离为0.003825m；
4、根据步骤S3中的再现距离0.003825m，在计算机70端重新设定再现距离范围(0.003825-0.000025,0.003825+0.000075)，以步长0.000025+0.000075/40计算所述全息图像在不同再现距离下的再现图像的平均梯度在再现距离范围内共有40张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值0.045时对应的再现距离为0.0039m，本实施例仅采用二级再现的方式，因此此时记录数据(0.001,0.0039)；
5、重复上述步骤2～4，得到不同记录距离下的再现距离，即得到20组数据，如表1所示；
表1：20组不同记录距离下的再现距离的数据
6、将表1中的20组记录数据进行线性拟合，即以记录距离D作为横坐标、再现距离Dn作为纵坐标，得到20组记录数据所在的线条，如图4所示。
由图4可得，得到20组记录数据所在的线条近似为一条直线，根据方程式Dn＝kD+b，求得k＝3.8523,b＝0.085；最终得到公式Dn＝3.8523D+0.085，也就得到了记录距离D与再现距离Dn的关系。
综上所述，本发明提供了数字同轴显微全息装置，该装置结构比较简单，具有成像效果好、控制精度高的优点；相应地，本发明还提供了采用所述数字同轴显微全息装置的记录距离与再现距离标定方法。

Claims (5)

1.数字同轴显微全息装置，其特征在于：包括沿着光照方向依次布置的激光光源(10)、准直镜(20)、扩束镜(30)、分辨率板(40)、显微物镜(50)和CCD相机(60)；所述CCD相机(60)连接计算机(70)。
2.根据权利要求1所述的数字同轴显微全息装置，其特征在于：所述准直镜(20)、扩束镜(30)、分辨率板(40)、显微物镜(50)和CCD相机(60)均设置在平移台(80)上，且准直镜(20)、扩束镜(30)、分辨率板(40)、显微物镜(50)和CCD相机(60)的中心点均处于一条直线上。
3.根据权利要求2所述的数字同轴显微全息装置，其特征在于：所述激光光源(10)采用长春镭仕光电科技有限公司的445nm多模光纤耦合激光器，准直镜(20)采用上海闻弈光电科技有限公司的光纤准直镜，显微物镜(50)采用MORITEX公司的定倍物方远心放大镜头，CCD相机(60)采用FILR公司的大靶面工业黑白相机，平移台(80)采用大恒新纪元科技股份有限公司的GCM-127精密平移台。
4.采用权利要求1～3任一项的数字同轴显微全息装置的记录距离与再现距离标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，沿着光照方向，将分辨率板(40)由靠近显微物镜(50)处向着远离显微物镜(50)的方向移动，在这个过程中，由CCD相机(60)记录的全息图像并在计算机(70)上的显示图像有一个从逐渐聚焦到逐渐离焦的过程，计算显示图像的平均梯度其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板(40)在平移台(80)的刻度H即为再现距离零点，此时分辨率板(40)在计算机(70)上的显示图像最为清晰；
S2，将分辨率板(40)移动到平移台(80)的刻度H处的位置处，沿着光照方向，将分辨率板(40)由向着远离显微物镜(50)的方向或者靠近显微物镜(50)的方向移动设定距离D，D即为记录距离，并由CCD相机(60)记录全息图像P；
S3，在计算机(70)端设定再现距离范围(D-a,D+b)，其中a>0，b>0，以步长a+b/N1计算全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N1为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N1张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad2max时对应的再现距离为D1；
S4，根据步骤S3中的再现距离D1，在计算机(70)端重新设定再现距离范围(D1-c,D1+d)，其中c>0，d>0，且c<a，d<b，以步长c+d/N2计算所述全息图像P在不同再现距离下的再现图像的平均梯度N2为不小于2的整数，在再现距离范围内共有N2张再现图像，其中再现图像的平均梯度为最大值grad3max时对应的再现距离为D2；以此重复n次，得到再现距离Dn，并记录数据(D,Dn)；
S5，重复步骤S2～S4，得到不同记录距离下的再现距离，即得到N组数据(D,Dn)；
S6，将N组数据(D,Dn)进行线性拟合，即以记录距离D作为横坐标、再现距离Dn作为纵坐标，得到N组记录数据(D,Dn)所在的线条的方程式，进而得到记录距离与再现距离的关系。
5.根据权利要求4所述的记录距离与再现距离标定方法，其特征在于：步骤S1中，首先记录显示图像通过目测最为清晰时的分辨率板(40)在平移台(80)的刻度L，计算刻度范围(L-L1,L+L2)内的显示图像的平均梯度L1>0，L2>0，其中平均梯度为最大值grad1max时对应的分辨率板(40)在平移台(80)的刻度H即为再现距离零点。
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