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】
[0001] 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】
[0002] 数字全息检测技术基于干涉原理，利用C⑶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。传统的数字全息系统采用迈克逊、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。
[0003]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光学系统的入射面放 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。
[0004] 为提高系统抗干扰能力，简化系统结构，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光学系统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光学系统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】
[0005] 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系统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。
[0006] -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；
[0007] 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；
[0008] 第一透镜5的焦距为，第二透镜9的焦距都为f2;
[0009] -维周期光栅6的周期为d，位于第一透镜5的后焦Α-Δf处并且位于第二透镜 8的前焦f2+Af处，其中Af为离焦量；
[0010] 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的共辄焦平面上，其中针孔B的直径为< 1. 22f2λ/D，D为图像传感器的视场 宽度。
[0011] 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：
[0012] 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。
[0013] 2、孔阵列（7)的大孔Α让0级衍射光全部通过形成物光，针孔Β让+1级衍射光滤 波通过形成参考光，
[0014] 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。
[0015] -种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法，包括以下步骤，
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 步骤三：计算待测物体的复振幅c(x,y):
[0019] c(x,y) =IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)} ·LF}
[0020] 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，
[0021]
[0022] 步骤四：得到待测物体的复振幅:
[0023]
[0024] 有益效果：
[0025] 本发明的装置有如下显著特点：
[0026] 1.本发明装置结构简单，系统定位复杂度要求低，且调整方便，也不需任何偏振元 件等特殊光学元件；
[0027] 2.本发明装置采用反射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。
[0028] 基于光栅离焦的共路数字全息显微方法有以下特点：
[0029] 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，不仅保证系统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 ，
[0030] 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 降低确定系统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】
[0031] 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；
[0032] 图2为孔阵列示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0034] 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。
[0035] 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，可极大降低确定系统载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效 率。
[0036] 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。
[0037] 本发明包括波长为λ光源、准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校