专利名称：双ccd镜像重叠调节及单曝光同轴数字全息记录装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数字全息技术领域，尤其涉及一种基于双CXD镜像重叠调节及单曝光同轴数字全息记录装置。
背景技术：
数字全息技术是融合了传统光学全息技术和现代计算机数字处理技术的一种新兴相干成像技术。数字全息技术的突出优点是可以通过简单的硬件系统，利用光的干涉原理来获取被测物体波前的复振幅，从而进行对物体非接触实时地三维立体成像和测量。因此，该技术可以广泛应用于显微观测、微电子机械和微光学分析、微生物相衬显微成像、振动形变测量与信息加密等。在实际检测应用中，特别是用于观测活体细胞和微生物检测中，往往要求数字全息要有很高的分辨率，并且能够实时地在线测量。在数字全息技术中，采用同轴数字全息记录光路能够较好地满足采样条件并且充分利用CCD的采样空间，有效提高检测结果的分辨率和精度。但是，由于同轴数字全息本身的系统特性，通过数字直接再现的像往往被系统的直透光场和共轭像覆盖，无法直接得到清晰的检测结果。为了解决这一问题，实现同轴数字全息的实时记录和再现，目前已有研究人员提出了两种单曝光相移同轴数字全息的方案。一种方案是利用空分复用的原理，在参考光路中插入一个相位从O、3i/2、3T、3 3i/2成周期分布的阵列相移器，使入射参考光的波面在不同像素位置同时产生不同的相移，然后由成像透镜将相移后的参考光波面成像到CXD上与物光进行干涉记录，最后通过数字处理，分别提取出四幅不同相移的全息图。该技术的不足之处是，改相移器件制作困难，价格昂贵，且通用性较差，另外它对光路的调节要求很苛刻，需要使相移器件的每个像素通过成像透镜成像后要与CCD的像素一一对准，同时也没有考虑到参考光经相移器件避免调制的衍射效应和成像透镜引入的光学畸变等。另一种是采用偏振复用的原理，在参考光路中放置1/4波片是参考光变为相位相差/2的两束正交偏正光同时与物光干涉，然后用相邻像素上贴有正交检波片的偏振检波CCD来记录全息图，这样一次记录就能得到两幅相位相差n/2的全息图。该技术的缺点是需要使用特殊的CCD，给实验带来困难，且只能得到两幅相移全息图，在解相移方程是条件不充分，因此只能记录物光强度均匀分布的物体。
发明内容
本发明的目的在于针对目前已有技术的缺陷，提供一种基于双CCD的单曝光同轴数字全息记录装置，用于实现对活体细胞、微生物等相位物体的非接触式、无损伤、无预处理的实时三维显示和测量。该装置只需要通过两个CCD同时曝光记录两幅相位相差/2的全息图，就能实像同轴数字全息的实时记录和再现。本发明的技术方案一种双C⑶镜像重叠调节装置，包括激光光源、扩束准直系统、分束器、平面反射镜、平面反射镜、扩束透镜、分束器、第一 CCD相机、第二 CCD相机、计算机；激光光源发出线偏振相干光，通过扩束准直系统扩束准直为平面光，经分束器分成两束平面光，用这两束平面光作为参考光和物光分别通过参考光光路和物光光路；参考光光路由平面反射镜构成；物光光路由平面反射镜和扩束透镜构成，参考光经平面反射镜反射后通过扩束透镜变为球面波；最后物光和参考光通过分束器合波干涉，分别照射到第一 CCD相机和第二 CCD相机上；两CCD通过并行图像采集卡与计算机连接；上述光学元件均通过可调支架固定；调节分束器让物光和参考光有一定的夹角，使两CCD记录得到的数字全息图为离轴数字全息图；整个光学系统放置在光学隔振平台上。优选地，参考光为平面波，物光为球面波，采用离轴数字全息记录光路；两个CCD相机分别相对于分束器近似镜像布置，分束器的镜面与两个CCD相机的光敏面呈45°，两个CCD相机的光敏面互相垂直；第二 CCD相机通过三维光学调整平台固定在光学隔振平台上，可上下、左右、前后精确调节；两个CCD相机参数一致；两个CCD相机安放的上下面方向—致。优选地，计算机通过并行图像采集卡实时读取两个CXD相机的离轴数字全息图；由于两个CCD相机分别相对于分束器近似镜像布置,在数字处理时需先对其中一个CCD相机上记录得到全息图的数据矩阵作左右转换处理，使两幅全息图的矩阵坐标方向一致；利用Matlab软件程序对两幅数字全息图作频域滤波提取出两个球面波的复振幅，然后将这两个球面波作数字干涉叠加，并实时显示出干涉条纹；根据实时显示的干涉条纹，先调节第二 CCD相机前后移动直到干涉条纹为直条纹，此时说明两个CCD相机相对分束器的距离相等；上下、左右调节第二 CCD相机使直条纹变宽，直到变为白色图像，此时说明两个CCD相机相对于分束器镜像重叠位置调节完成。双CXD镜像重叠的调节方法本发明中两个CXD的空间方位相对分束器呈镜像重叠布置，参照迈克尔逊干涉仪的原理，将光路中的两个CCD看作是两个平面反射镜，而平面反射镜之间的空间位置可以通过两块反射镜反射光的干涉条纹来判断，因此可以采用数字全息的方法对CCD上记录到的光进行数字干涉来判断两个CCD的位置调节情况。在光路调节时，采用球面波作为物波，平面波作为参考波，在物光和参考光夹角保持一致的条件下，分别记录下两CCD上的全息图，然后通过数字滤波提取两个CCD上的球面波光场，再进行数字干涉叠加，观测干涉条纹的分布情况，若两个CCD相对分束器的距离相等，则干涉条纹是直条纹，若两CCD相对分束器的空间方位一致，则条纹的宽度会很宽很稀，最理想的情况就是一个均匀白色图像，此时说明两个C⑶相对分束器已经调节至镜像重叠位置。一种双CXD单曝光同轴数字全息记录装置，包括激光光源、扩束准直系统、分束器(4)、平面反射镜、1/2波片、中性滤光片、平面反射镜、被测透明相位物体、分束器、偏振检偏器、两个CCD相机、1/4波片、偏振检偏器、计算机；激光光源发出线偏振相干光，经扩束准直系统扩束准直为平面光，经分束器分成两束平面光，其中一束经平面反射镜反射，经1/2波片后光的偏振方向旋转90°，再经分束器分束后作为参考光；另一束平面光经中性滤光片光强衰减，经平面反射镜反射后垂直照射被测透明相位物体，再经分束器分束后作为物光。经分束器反射的参考光和透射的物光，经偏振检偏器检偏后干涉，被CCD相机记录得到未相移的全息图；经分束器透射的参考光和透反射的物光，此时物光和参考光的偏振方向正交，让光路中1/4波片的快轴和慢轴的方向分别与物光和参考光的偏振方向一致，那么此时透射出的参考光的相位就发生了 /2的延迟，而物光的相位不变，最后经偏振检偏器检偏后干涉，被第二 CXD相机记录得到相移后的全息图。第一 CXD相机和第二 CXD相机实时记录各自的全息图，同时由计算机通过双通道并行图像采集卡实时读取和存储全息图，并利用倒频谱再现算法实时再现出被测物体的三维形貌。双CCD单曝光/2相移的实现方法。根据激光光源的线偏振特性，利用1/2波片使参考光的偏振方向旋转90° ,与物光的偏振方向正交；在其中一个CCD前放置一块1/4波片，使参考光相位延迟n /2，而物光相位不改变，然后通过偏振检波片使CCD记录得到干涉条纹；另一个CCD前只放置偏振检波片使这个CCD记录得到干涉条纹，通过该装置让两个CCD同时曝光，就能得到两幅相位相差Ji/2的全息图。优选地，已知激光光源出射线偏振相干光的偏振方向；分束器和不能改变透射或反射光的偏振方向，不能使用偏振分束器；已知1/2波片的光轴方向，并使其光轴方向与入射参考光的偏振方向呈45° ;中性滤光片不能改变物光的偏振方向和相位；已知1/4波片的快轴和慢轴方向，并使其快轴和慢轴的方向分别与物光和参考光的偏振方向一致；偏振检偏器和不能改变入射光的相位；两CCD相机对分束器镜像重叠布置，两个CCD相机的参数完全一致；计算机通过双通道并行图像采集卡读取两CCD相机上数字全息图像的起始时间和读取频率一致。优选地，倒频谱再现算法的原理，该算法成立的前提条件是物光的强度远小于参考光的强度。假设在一维的情况下，未放置1/4波片的第一 C⑶相机上记录得到的全息图的强度分布可表示为
权利要求
1.一种双C⑶镜像重叠调节装置，包括激光光源(I)、扩束准直系统(2-3)、分束器(4)、平面反射镜(5)、平面反射镜(6)、扩束透镜(7)、分束器(8)、第一 C⑶相机(9)、第二CCD相机(10)、计算机(11);其特征在于激光光源(I)发出线偏振相干光，通过扩束准直系统(2-3)扩束准直为平面光，经分束器(4)分成两束平面光，用这两束平面光作为参考光和物光分别通过参考光光路和物光光路；参考光光路由平面反射镜(5)构成；物光光路由平面反射镜(6)和扩束透镜(7)构成，参考光经平面反射镜(6)反射后通过扩束透镜(7)变为球面波；最后物光和参考光通过分束器(8)合波干涉，分别照射到第一 CCD相机(9)和第二C⑶相机(10)上；两0 通过并行图像采集卡与计算机(11)连接；上述光学元件均通过可调支架固定；调节分束器(8)让物光和参考光有一定的夹角，使两CCD记录得到的数字全息图为离轴数字全息图；整个光学系统放置在光学隔振平台上。
2.根据权利要求1所述的双CCD镜像重叠调节装置，其特征在于参考光为平面波，物光为球面波，采用离轴数字全息记录光路；两个CCD相机分别相对于分束器(8)近似镜像布置，分束器(8)的镜面与两个C⑶相机的光敏面呈45°，两个C⑶相机的光敏面互相垂直；第二 C⑶相机(10)通过三维光学调整平台固定在光学隔振平台上，可上下、左右、前后精确调节；两个CCD相机参数一致；两个CCD相机安放的上下面方向一致。
3.根据权利要求1所述的双C⑶镜像重叠调节装置，其特征在于计算机(11)通过并行图像采集卡实时读取两个CCD相机的离轴数字全息图；由于两个CCD相机分别相对于分束器(8)近似镜像布置，在数字处理时需先对其中一个C⑶相机上记录得到全息图的数据矩阵作左右转换处理，使两幅全息图的矩阵坐标方向一致；利用Matlab软件程序对两幅数字全息图作频域滤波提取出两个球面波的复振幅，然后将这两个球面波作数字干涉叠加，并实时显示出干涉条纹；根据实时显示的干涉条纹，先调节第二 CCD相机(10)前后移动直到干涉条纹为直条纹，此时说明两个CCD相机相对分束器的距离相等；上下、左右调节第二CCD相机(10)使直条纹变宽，直到变为白色图像，此时说明两个CCD相机相对于分束器(8)镜像重叠位置调节完成。
4.一种双C⑶单曝光同轴数字全息记录装置，包括激光光源(I)、扩束准直系统(2-3)、分束器(4)、平面反射镜(5)、1/2波片(6)、中性滤光片(7)、平面反射镜(8)、被测透明相位物体(9)、分束器(10)、偏振检偏器(11)、第一 (XD相机(12)、1/4波片(13)、偏振检偏器(14)、第二 C⑶相机(15 )、计算机(16 );其特征在于激光光源(I)发出线偏振相干光，经扩束准直系统(2-3)扩束准直为平面光，经分束器(4)分成两束平面光，其中一束经平面反射镜(5)反射，经1/2波片(6)后光的偏振方向旋转90°，再经分束器(10)分束后作为参考光；另一束平面光经中性滤光片(7)光强衰减，经平面反射镜(8)反射后垂直照射被测透明相位物体(9)，再经分束器(10)分束后作为物光。经分束器(10)反射的参考光和透射的物光，经偏振检偏器(11)检偏后干涉，被第一 C⑶相机(12)记录得到未相移的全息图；经分束器(10)透射的参考光和透反射的物光,此时物光和参考光的偏振方向正交，让光路中1/4波片(13)的快轴和慢轴的方向分别与物光和参考光的偏振方向一致，那么此时透射出的参考光的相位就发生了 η/2的延迟，而物光的相位不变，最后经偏振检偏器(14)检偏后干涉，被第二 C⑶相机(15)记录得到相移后的全息图。第一 CXD相机(12)和第二 CXD相机(15)实时记录各自的全息图，同时由计算机(16)通过双通道并行图像采集卡实时读取和存储全息图，并利用倒频谱再现算法实时再现出被测物体的三维形貌。
5.根据权利要求4所述的双CCD单曝光同轴数字全息记录装置，其特征在于已知激光光源(I)出射线偏振相干光的偏振方向；分束器(4)和(10)不能改变透射或反射光的偏振方向，不能使用偏振分束器；已知1/2波片(6)的光轴方向，并使其光轴方向与入射参考光的偏振方向呈45° ;中性滤光片(7)不能改变物光的偏振方向和相位；已知1/4波片(13)的快轴和慢轴方向，并使其快轴和慢轴的方向分别与物光和参考光的偏振方向一致；偏振检偏器(11)和(14)不能改变入射光的相位；两0 相机(12)和(15)对分束器(10)镜像重叠布置，两个CXD相机的参数完全一致；计算机(16)通过双通道并行图像采集卡读取两CCD相机上数字全息图像的起始时间和读取频率一致。
6.根据权利要求4所述的双CCD单曝光同轴数字全息记录装置，其特征在于倒频谱再现算法的原理，该算法成立的前提条件是物光的强度远小于参考光的强度。假设在一维的情况下，未放置1/4波片(13)的第一 C⑶相机(12)上记录得到的全息图的强度分布可表示为
全文摘要
本发明涉及一种双CCD的单曝光同轴数字全息记录装置，属于数字全息技术领域，该装置采用双CCD镜像重叠联合记录和单步相移倒频谱技术，实现了同轴数字全息的实时记录和再现，可用于动态地测量较小的透明相位物体，如浮游生物等。其基本原理为激光器发出激光经扩束准直后分为两束，其中一束垂直照射透明相位物体形成物光，另一束光经1/2波片后偏振方向旋转90°为参考光，此时参物光偏振方向正交；经分束器合波，其中一束经检偏器检偏后干涉被第一CCD相机记录，另一束经1/4波片后参考光相位延迟π/2，物光相位不变，经检偏器检偏后干涉被第二CCD相机记录；计算机实时读取再现出被测物体的三维形貌。
文档编号G03H1/12GK103034109SQ201210540610
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者潘卫清, 潘云, 范玉峰, 朱勇建, 王宇 申请人:浙江科技学院