一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置的制作方法

本发明涉及一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置。

背景技术：

在诸多三维成像及显示技术中，全息术是迄今为止效果最好的三维立体成像技术之一。该技术利用参考光作为载波，与物光波相干涉形成干涉条纹，将物光信息(包括振幅和相位)凝固到干涉条纹中形成全息图，再现时用再现光波照射全息图将原来的物光复振幅衍射出来，继续向前传播。为了避免再现时直透光和负一级像的干扰，通常采用离轴记录方式，即参考光与物光传播方向之间有一定的夹角。在全息记录时，记录介质的分辨率限制了离轴角度的最大值，而记录物体的大小、分辨率和记录距离限制了离轴角度的最小值。离轴角度不宜太大或太小，角度太大，则无法准确记录干涉条纹；角度太小，则无法完全分离出原始物光。

由于省去了光学湿法全息的定影显影洗片等繁琐程序，克服了不能精确定位的缺点，近年来出现的数字全息在科学研究、工程技术、生物医学的很多方面获得了广泛的应用。数字全息用现代光电记录器件CCD取代干板记录干涉条纹，用计算机处理干涉图，可以有效利用强大的现代计算技术。但受到制作工艺的限制，现有CCD的分辨率在微米量级，比银盐干板的分辨率低1-2个数量级。这就要求数字全息记录时离轴角度更小，一般在2-3度以下，同时又要保证足够的离轴角度来分离原物像。

现有的数字全息记录装置在实际应用中存在如下问题：

(1)现在的离轴全息光路调节主要依靠实验人员的经验和技能来大致确定，还没有成熟的技术精确确定离轴角度，无法准确控制离轴角度大小。

(2)判定离轴夹角时，主要依靠物光和参考光二者光斑的距离和分束后传播距离的比值来计算离轴夹角，然而，由于物光和参考光光斑都有一定的大小，其间的距离难以准确测量，容易造成离轴角度的不正确，只能反复调节，效率低。

(3)实验过程中受偶然因素，如震动、单个光学器件被不小心碰撞造成参考光路的偏折，需要重新开始调节光路；需要改变待记录物体时，如果待记录物体的大小和分辨率发生变化，也要重新调节光路。

(4)现有技术需要提前调节离轴角度，不能根据实验过程中的需要实时改变、检测离轴角度的大小，给实验带来不便，影响实验效果和精度。

(5)在全息测量和成像技术应用中，离轴光路和同轴光路的转换需要重新搭建光路。

(6)已有研究证明，同轴全息参考光倾斜会将误差引入恢复物光，造成重建物光波前弯曲，降低测量精度和成像质量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置，其采用如下技术方案：

一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置，包括激光光源、一号分束器、二号分束器、一号合束器、二号合束器、一号反射镜、二号反射镜、三号反射镜、一号空间滤波扩束准直系统、二号空间滤波扩束准直系统、一号CCD、二号CCD和计算机；其中，基于一号分束器、二号合束器、一号反射镜和三号反射镜形成一条用于全息干涉记录的一号矩形干涉光路；基于二号分束器、一号合束器、二号反射镜和三号反射镜形成一条用于监控参考光倾斜角度的二号矩形干涉光路；一号矩形干涉光路的走向为：激光光源发出的激光束经过一号分束器后分为两束，其中，经过一号分束器透射后的光束经过一号反射镜反射和一号空间滤波扩束准直系统后成为物光照明光，这一路平面波照射到物体上形成衍射物光，经菲涅尔衍射和二号合束器反射后到达一号CCD的记录芯片上，经过一号分束器反射后的光束成为参考光，参考光在经过二号空间滤波扩束准直系统之后透射过二号分束器，然后被三号反射镜反射，再依次透射过一号合束器和二号合束器，最后照射在一号CCD的记录芯片上；二号矩形干涉光路的走向为：参考光经二号空间滤波扩束准直系统后透射过二号分束器，再依次经过三号反射镜和一号合束器反射，最后照射在二号CCD的记录芯片上；经二号分束器反射的参考光，再经过二号反射镜反射和一号合束器透射到达二号CCD的记录芯片上；在一号矩形干涉光路和二号矩形干涉光路上分别设有用于控制对应矩形干涉光路处于工作或停止状态的一号快门和二号快门；在三号反射镜的后侧设有调节螺丝，用于调整所述三号反射镜的俯仰或水平角度；一号CCD和二号CCD分别与计算机相连。

优选地，一号快门位于一号合束器与二号合束器之间；二号快门位于二号分束器与二号反射镜之间。

优选地，当一号快门打开且二号快门关闭时，只有一号矩形干涉光路处于工作状态；当二号快门打开且一号快门关闭时，只有二号矩形干涉光路处于工作状态。

优选地，经过二号分束器和二号反射镜反射到达二号CCD记录芯片上的激光束与经过三号反射镜和一号合束器反射到达二号CCD记录芯片上的激光束发生干涉形成检测干涉条纹。

优选地，在数字全息记录装置使用前，调整一号矩形干涉光路和二号矩形干涉光路处于平行共轴状态。

优选地，所述调节螺丝包括水平调节螺丝和竖直调节螺丝。

优选地，所述一号CCD与二号CCD具有相同的分辨率。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明设有参考光监控光路，利用干涉条纹的分布能够准确获得离轴角度，同时可对离轴角度精确控制，达到离轴全息的最佳角度，使再现物像能够刚好完全分离，有效利用CCD的分辨率和空间带宽。

2、本发明可以在实验过程中根据需要实时调节离轴角度，尺寸大小和分辨率不同的物体需要的离轴角度不同，可以根据需要实时调节。

3、本发明可以根据测量和成像的需要，在实验过程中不改变光路，仅通过精确控制参考光的方向，实现同轴光路和离轴光路的转换，提高实验效率。

4、本发明中的参考光监控光路利用两平面参考光直接测量倾斜角度，可以实时调节。

5、本发明基于数字全息技术，测量角度的精度可达万分之一弧度。数字全息实验光路的搭建比较简单，采用的角度测量方法比较容易实现。

6、本发明也可以校正同轴数字全息中参考光微小倾斜造成的物光恢复误差。

附图说明

图1为本发明中一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置的光路图；

图2为本发明中二号CCD记录监测光路的干涉图(参考光未倾斜时)；

图3为本发明中二号CCD记录监测光路的干涉图(参考光倾斜时)；

图4为本发明中一号CCD记录的一个物光与参考光干涉图(参考光倾斜时)；

图5为本发明中一号CCD记录的另一个物光与参考光干涉图(参考光倾斜时)；

图6为本发明中参考光倾斜时还原物光相位图；

图7为本发明中一号CCD记录的一个物光与参考光干涉图(参考光未倾斜时)；

图8为本发明中一号CCD记录的另一个物光与参考光干涉图(参考光未倾斜时)；

图9为本发明中参考光未倾斜时还原物光相位图；

图10为本发明中参考光倾斜时校正后的还原物光相位图；

其中，1-激光光源，2-一号分束器，3-二号分束器，4-一号合束器，5-二号合束器，6-一号反射镜，7-二号反射镜，8-三号反射镜，9-一号CCD，10-二号CCD，11-计算机，12-一号空间滤波扩束准直系统，13-二号空间滤波扩束准直系统，14-一号快门，15-二号快门，16-物体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，一种离轴角度实时精密可调的数字全息记录装置，包括激光光源1、一号分束器2、二号分束器3、一号合束器4、二号合束器5、一号反射镜6、二号反射镜7、三号反射镜8、一号空间滤波扩束准直系统12、二号空间滤波扩束准直系统13、一号CCD9、二号CCD10和计算机11。其中，

基于一号分束器2、二号合束器5、一号反射镜6和三号反射镜8形成一条一号矩形干涉光路，用于全息干涉记录。

基于二号分束器3、一号合束器4、二号反射镜7和三号反射镜8形成一条二号矩形干涉光路，用于监控参考光的倾斜角度。

在图1中用实线表示参考光与物光同轴情况下光路，即同轴全息记录光路；用虚线表示参考光离轴时的实际光路，即离轴全息记录光路。

一号空间滤波扩束准直系统12和二号空间滤波扩束准直系统13的作用在于将激光光源发出的激光束进行空间滤波扩束准直，二者均可以采用现有技术中已有的器件。

一号矩形干涉光路的走向为：

激光光源1发出的激光束经过一号分束器2后分为两束，经过一号分束器2透射后的光束经过一号反射镜6反射和一号空间滤波扩束准直系统12后成为物光照明光，这一路平面波照射到物体16上形成衍射物光，经菲涅尔衍射和二号合束器反射后到达一号CCD9的记录芯片上，经过一号分束器2反射后的光束成为参考光，参考光经过二号空间滤波扩束准直系统13之后透射过二号分束器3，然后被三号反射镜8反射，再依次透射过一号合束器4和二号合束器5，最后照射在一号CCD9的记录芯片上。

二号矩形干涉光路(位于图1中的虚线框内)的走向为：

参考光经二号空间滤波扩束准直系统13之后透射过二号分束器3，再依次经过三号反射镜8和一号合束器4反射，最后照射在二号CCD10的记录芯片上；经二号分束器3反射的参考光，再经过二号反射镜7反射和一号合束器4透射到达二号CCD10的记录芯片上。

经过二号分束器和二号反射镜反射到达二号CCD记录芯片上的激光束与经过三号反射镜和一号合束器反射到达二号CCD记录芯片上的激光束发生干涉形成检测干涉条纹。

在一号矩形干涉光路和二号矩形干涉光路上分别设有用于控制对应矩形干涉光路处于工作或停止状态的一号快门14和二号快门15。

具体的，一号快门14位于一号合束器4与二号合束器5之间；二号快门15位于二号分束器3与二号反射镜7之间。

当一号快门14打开且二号快门15关闭时，只有一号矩形干涉光路处于工作状态；当二号快门15打开且一号快门14关闭时，只有二号矩形干涉光路处于工作状态。

此外，在三号反射镜8的后侧设有调节螺丝(图中未示出)，用于调整三号反射镜8的俯仰或水平角度。一号CCD9和二号CCD10分别与计算机11相连。

上述调节螺丝包括水平调节螺丝和竖直调节螺丝。其中，水平调节螺丝用于调整三号反射镜8的水平角度，竖直调节螺丝用于调整三号反射镜8的俯仰角度。

数字全息记录装置使用前，先调节光路的平行与共轴，使一号矩形干涉光路和二号矩形干涉光路都处于平行共轴状态。如果需要记录同轴数字全息图，则光路已经达到工作状态。在严格情况下，同轴数字全息中参考光波与物光波需要共轴，而在实验中往往不能达到此要求，参考光或多或少与物光之间不共轴。在二号CCD10上可以监测到实验过程中参考光的倾斜情况，保证同轴记录的成功。即使参考光发生倾斜，也能通过记录处理干涉条纹，获得倾斜角度，对测量结果进行校正。当然也可以调节三号反射镜8后的水平或竖直调节螺丝进行在线调整，而不用对整个光路进行重新调节。这时需要观察二号CCD10上的干涉条纹的宽度来判断光路是否同轴，干涉条纹变宽，则离轴角度变小；干涉条纹宽度超出二号CCD10芯片宽度，则可认为达到共轴状态。显然，调节三号反射镜8的俯仰或水平角度便调节了参考光相对于物光之间的夹角，使光路处于离轴或同轴数字全息记录状态。进一步分析二号CCD10上的条纹分布，能够精确获得离轴角度的大小，实现离轴角度的实时精确监控。在现有仪器条件下，精度可以达到万分之一弧度。通过计算控制离轴角度，能够使光路处于最佳的状态。

需要说明的是，图1中只给出了透射性待测物的记录光路，本发明中的装置同样适用于反射性物体的记录光路。将检测光路加入到其他任何反射型物体数字全息记录光路，都可以完成实时精密检测的功能。

下面给出了利用本发明进行离轴角度测量的具体过程：

1、最大离轴角度计算

在同轴光路中，经过二号合束器5后参考光束与物光束平行重合。保持二号分束器3、二号反射镜7和一号合束器4固定，三号反射镜8的微小倾斜角度θ会使进入二号合束器5的参考光发生θ角度的倾斜，先后被三号反射镜8、一号合束器4反射进入二号CCD10的参考光也发生同样的倾斜θ。先后被二号反射镜7反射和一号合束器4透射的参考光与先后被三号反射镜8和一号合束器4反射的参考光之间产生夹角θ，在二号CCD10的芯片上出现明显的干涉条纹。二号CCD10捕捉到的干涉图案的直条纹间距为：

d＝λ/[2sin(θ/2)] (1)

式中，λ为激光波长。干涉条纹宽度可以用二号CCD10的芯片尺寸除以条纹总数加以计算。一般情况下，倾斜角度很小。尤其是对数字全息，其离轴角度一般在2度左右，可计算出条纹宽度约为29个波长。如果激光波长是0.532微米，二号CCD10的芯片尺寸是0.5厘米，则会有几百条条纹。可采用对干涉图进行傅立叶变换，寻找条纹频率对应坐标，获得条纹间距的方法计算条纹宽度d。计算出条纹间距d后，即可得到离轴角度：

θ＝2arcsin[λ/(2d)] (2)

记录时的条纹间距至少是像素尺寸Δl的两倍，即：

θ＝2arcsin[λ/(4Δl)] (3)

如果Δl取6微米，波长取0.532微米，可以计算出最大离轴角度约为2.5度。

当记录面上只有一个条纹，二号CCD10芯片的尺寸为1厘米，可得离轴角度为0.00005弧度或千分之三度。

由上述计算结果可以看出，本发明中记录装置的精度可以达到万分之一弧度。

2、最小离轴角度计算

在离轴全息中，能够使原物像分离的最小记录角度由记录激光波长和记录物体的分辨率决定，有关系式：

θ_min＝arcsin(3λ/Δx) (4)

式中，λ为记录激光波长，Δx是物体的分辨率，即能分辨的最小尺寸。

假设物体的分辨率是50微米，激光波长是0.532微米，可以计算出最小离轴角度为1.8度。随着物体分辨率的提高，要求最小离轴角度变大。

在计算角度时，可以根据需要分别计算水平与竖直方向的角度，再根据空间方向之间的关系进行换算得到总的离轴角度。

如果利用该装置进行同轴数字全息记录时参考光与物光束存在微小离轴角度，恢复的原物光中就存在误差。对二号CCD10记录的干涉条纹数据处理得到倾斜角度值后得到两个方向的条纹分布的空间频率，代入一号CCD9记录面上的恢复物光的波前校正公式就可以自动消除这一离轴角度引起的误差。类似工作在后面的实例中有介绍和证实。

3、离轴角度监控实例

为了验证这一装置对离轴角度的监控方法，本发明使用上述数字全息记录光路进行了离轴角度的测量实验。二号CCD10中记录的干涉图对应的两束平面波的夹角大小与全息实验光路中离轴夹角是相同的，即可以用二号CCD10采集到的干涉条纹信息表示全息干涉光路中的离轴角度。

关闭一号快门14，打开二号快门15，离轴角度测量部分开始工作。用二号CCD10记录测量光路的干涉图，结果见图2所示。打开一号快门14，关闭二号快门15，一号CCD9记录参考光未倾斜时的全息干涉图，导入计算机11。再关闭一号快门14，打开二号快门15，微调三号反射镜8后面的水平调节螺丝，使二号CCD10的记录面上出现干涉条纹，记录后导入计算机11，结果见如图3所示。再打开一号快门14，关闭二号快门15，一号CCD9记录参考光倾斜时的全息干涉图，导入计算机11。在图2中几乎看不到干涉条纹，因为两束干涉光处于平行共轴状态，干涉条纹很宽。显然，图3中出现了很多干涉条纹，是由于一束光发生倾斜，两束干涉光具有微小的夹角，干涉条纹变窄。考虑水平方向上的倾斜，需要观察水平方向上的条纹数，共有16.5条。考虑竖直方向上的倾斜，观察到竖直方向上的条纹数，共有6.5条。由公式(2)可计算出水平方向离轴角度为0.001弧度，离轴角度相当于大约0.06度；竖直方向离轴角度为0.0005弧度，离轴角度相当于大约0.03度。

由图2和图3对比可知，当参考光未倾斜时，二号CCD10采集到的图像为均匀光斑，没有明显直条纹，在实际实验中需要耐心调试，直到屏幕中没有条纹为止。当参考光相对于物光有微小倾斜时，二号CCD10上会出现条纹，且伴随着倾斜角度的变大，条纹变得越来越密集直至看不见条纹，需要小心辨别看不见条纹的这两种情况。从图3中的条纹倾斜情况便可以计算出参考光的倾斜角度，提供给校正算法进行校正。

实验采用同轴的广义相移数字全息技术观察校正参考光的轻微倾斜离轴。

为了检验该测量方法的准确性，在相移数字全息技术实例中应用参考光倾斜探测方法，对将本离轴角度测量方法获得的离轴角度带入恢复物光校正公式得到的结果与未倾斜时物光重建的结果进行比对验证。

实验中使用稍微发散的球面光波作为物光波，在图1中的实验光路中，使用一号快门14和二号快门15隔离检测光路与全息记录光路之间的相互影响。

在一号CCD9所在的记录面上采集到的图像分两种情况，分别为当参考光倾斜与非倾斜时物光与参考光的两幅干涉图，分别如图4、图5和图8、图9所示。

在广义相移数字全息两步还原算法中，相移值的提取需要从两幅全息图中提取，一号CCD9记录两幅全息图(图4和图5)。两步还原算法中提取出两幅全息图之间的相移值为0.9241rad，在倾斜参考光未校正的情况下还原物光的相位图出现较大的偏移，如图6所示。为了更清晰地显示相位图的细节信息，在恢复图6中的相位图时，我们把CCD记录面的1390×1024像素零填充到1990×1990像素。明显可以看出其中相位图的圆环并不在图的中心。

由上述图6可知，当参考光发生倾斜时，不仅会对一号CCD9采集到的全息图造成误差，此误差会一直伴随物光重建过程，导致还原像相对于原始像的相位扭曲。使用参考光倾斜校正算法可以解决这个问题。

在求出倾斜角水平方向0.06度，竖直方向0.03度后，通过倾斜参考光校正算法，便可以得到校正后的还原图像，本发明将参考光倾斜时校正前图像、校正后图像与参考光不倾斜时的还原物光相位放在一起比较，可以发现校正算法可以很好的纠正因参考光倾斜造成的还原物光相位扭曲。

图7和图8、图9、图10分别是没发生倾斜时的两幅干涉图、恢复的相位、倾斜时恢复物光校正后的相位图。通过图6和图9中的相位分布可知，倾斜参考光还原图像的中央圆环较未倾斜时发生了明显的偏移，参考光倾斜时利用校正算法可以有效的消除还原物光在这方面的误差，在图中表现为图6中偏离中心的圆环被校正到图10的中央，相位分布图10与图9基本一致。由于倾斜入射时，CCD接收到的物光信息范围变小，所以校正后的相位图10中条纹范围自然会减小。可见，实验中测量出的离轴角度是正确的，理论上精度可以达到万分之一弧度。

本发明中的光路设计使用的是两束参考光平面波的干涉，干涉图是等间距分布的直条纹，既有利于计数条纹数来测量角度，也有利于对干涉图进行频谱分析。

本发明中的方法测量精度很高，测量的最大离轴角度受到二号CCD10分辨率的限制。依照公式(2)，如果Δl取5微米，激光波长取0.532微米，可以计算出最大离轴角度约为3度。提高二号CCD10的分辨率，能够大幅提高测量范围。如果两个CCD具有相同的分辨率，则完全可以用来检测数字全息的离轴角度。由于物光的衍射作用，衍射物光与参考光的干涉图的条纹密度会大于两束参考光的干涉图条纹密度。离轴角度达到二号CCD10无法分辨条纹时，一号CCD9早已不能记录全息图了。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。