本发明涉及数字全息成像技术领域，特别涉及一种紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统及方法。
背景技术：
数字全息具有动态快速、非侵入式无损成像、可实现相位成像、三维成像的优点，其中，无透镜数字全息成像方式，因为其结构简单稳定，成像结果优质，被广泛应用在生物医学成像、粒子场成像等众多透射式成像领域中。然而，因为无透镜数字全息成像是一种干涉成像方式，而激光干涉易受环境变化、振动等因素的影响，容易导致成像质量的下降，从而成像方式对环境稳定性提出了很高的要求，如何降低数字全息成像的高度环境敏感性，是亟待解决的科学技术问题。
在相关技术中，数字全息成像之所以对环境敏感，是因为经典的数字全息成像光路是基于马赫泽德或者迈克尔逊等非共光路的干涉仪光路，物光波与参考光波走不同的路径，导致了对环境敏感。因此，采用共光路干涉仪，可以减小干涉装置的环境敏感性，典型的共路干涉装置如斐索干涉仪、sagnac干涉仪等，但是，共光路的结构布置使得光路调整的灵活性下降，物光波和参考光波难以独立调节。
另外，为了在兼顾光路布置灵活性的基础上，尽量降低环境敏感性，研究人员提出将非共光路干涉仪的参考臂和测量臂尽可能靠近布置，减小两路光不同的行进路径，例如通过紧凑布置光路来减小迈克尔逊干涉仪两臂长度，马赫泽德干涉仪紧凑布置减小两臂长度等，尽管能够降低干涉臂不同路径造成的环境敏感性，但是这些工作主要是用于光纤传感等领域，对于物体成像不适用。
此外，非基于光纤的干涉光路，光路差异压缩量有限，还是会引入一定的差程干扰性，同时光路略有复杂，对光路的调节以及实用性也产生一定的影响。或者，利用劳挨镜和渥拉斯顿棱镜等光学元件对同一束光进行调制，形成两束光，实现紧凑型干涉光路，得以降低环境敏感性，然而该方法对光学元件布置的精度有着较高的要求，并且体积较大，实用性差，可靠性低，有待解决。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统，该系统可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统，包括：激光器，用于发出预设波长的激光；平面镜，用于对所述激光反射改变方向；显微物镜、针孔、准直透镜和线偏振，分别用于对所述激光进行小孔滤波、扩束准直以及线偏振片，以获取沿水平方向传播的线偏振平面波；非偏振分光棱镜和镀膜反射镜，所述非偏振分光棱镜和/或所述镀膜反射镜利用二维旋转调节架微调反射方向；像感器，在将待成像物体设置于所述非偏振分光棱镜前，在一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉后，用所述像感器采集离轴干涉全息图，其中，所述离轴干涉全息图通过照射到物体上的物光波与被所述镀膜反射镜反射的参考光波干涉得到，所述物光波和所述参考光波通过所述二维旋转调节架调节角度，再对所述离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果。
本发明实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，且镀膜反射镜和非偏振分光棱镜均可以利用二维旋转调节架微调反射方向，采集离轴干涉全息图，并对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜利用二维旋转调节架微调反射方向，直到得到清晰干涉条纹。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述干涉条纹的周期d的公式为：
其中，λ为所述预设波长，θ为所述物光波和所述参考光波的夹角。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设波长可以为532nm，但不限于某一固定波长。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面镜可以为镀银反射镜，但不限于镀银反射镜。。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述显微物镜放大倍率可以为40倍，且数值孔径可以为0.65，但不限于此参数。。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法，包括以下步骤：通过激光器发出预设波长的激光，并在平面镜反射改变方向后，经过小孔滤波、扩束准直以及线偏振后，获取沿水平方向传播的线偏振平面波；将待成像物体设置于所述非偏振分光棱镜前，在一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉；采集离轴干涉全息图，其中，所述离轴干涉全息图通过照射到物体上的物光波与被所述镀膜反射镜上反射的参考光波干涉得到，所述物光波和所述参考光波通过所述二维旋转调节架调节角度；对所述离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果。
本发明实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，且镀膜反射镜和非偏振分光棱镜均可以利用二维旋转调节架微调反射方向，采集离轴干涉全息图，并对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非偏振分光棱镜和/或所述镀膜反射镜利用二维旋转调节架微调反射方向，直到得到清晰干涉条纹，所述干涉条纹的周期d的公式为：
其中，λ为所述预设波长，θ为所述物光波和所述参考光波的夹角。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的物光波与参考光波夹角的具体描述的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统。
图1是本发明一个实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统的结构示意图。
如图1所示，该紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统100包括：激光器1、平面镜2、显微物镜3、针孔4、准直透镜5、线偏振片6、非偏振分光棱镜7、镀膜反射镜8和像感器9。
其中，激光器1用于发出预设波长的激光。平面镜2用于对激光反射改变方向。显微物镜3、针孔4、准直透镜5和线偏振片6，分别用于对激光进行小孔滤波、扩束准直以及线偏振，以获取沿水平方向传播的线偏振平面波。非偏振分光棱镜7和镀膜反射镜8，非偏振分光棱镜7和/或镀膜反射镜8利用二维旋转调节架微调反射方向。像感器9，在将待成像物体10设置于非偏振分光棱镜7前，在一部分线偏振平面波照射到待成像物体10上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到镀膜反射镜8上作为参考光波，物光波与参考光波被非偏振分光棱镜7合束，发生干涉后，用像感器9采集离轴干涉全息图，其中，离轴干涉全息图通过照射到物体上的物光波与被镀膜反射镜8上反射的参考光波干涉得到，物光波和参考光波通过二维旋转调节架调节角度，再对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果。本发明实施例的系统100可以过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，且镀膜反射镜和非偏振分光棱镜均可以利用二维旋转调节架微调反射方向，采集离轴干涉全息图，从而可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
可选地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜7和镀膜反射镜8沿光线行进方向紧凑布置，且镀膜反射镜8的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及非偏振分光棱镜7的反射面和镀膜反射镜8的反射面平行。
也就是说，本发明实施例可以沿光线前进方向，紧凑布置一个镀膜反射镜8和非偏振分光棱镜7，镀膜反射镜8的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，并且非偏振分光棱镜7的反射面与镀膜反射镜8的反射面平行。
可以理解的是，本发明实施例可以利用激光扩束准直技术，得到一束直径较大沿水平方向传播的线偏振平面波，在光的传播方向上紧凑布置一个镀膜反射镜8和非偏振分光棱镜7，镀膜反射镜8的反射面垂直与水平面，与光线行进方向成45度角；非偏振分光棱镜7的反射面与镀膜反射镜8的反射面平行，非偏振分光棱镜7前放置待成像物体10，平面波一部分照明物体后被非偏振分光棱镜7反射作为物光波，一部分直接被镀膜反射镜8反射作为参考光波，同时参考光波透过非偏振分光棱镜7与物光波合束，发生干涉，形成离轴全息图，被像感器9记录下来。发生干涉的两束光来自于同一个波前且基本共路，同时又可以分别调节，具有调节灵活性和对高稳定性的优点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜7和/或镀膜反射镜8可以利用二维旋转调节架微调反射方向，直到得到清晰干涉条纹。
可选地，在本发明的一个实施例中，干涉条纹的周期d的公式为：
其中，λ为预设波长，θ为物光波和参考光波的夹角。
具体而言，镀膜反射镜8可以利用载有镀膜反射镜的二维旋转调节架进行微调反射方向，非偏振分光棱镜7可以利用载有非偏振分光棱镜的二维旋转调节架进行微调反射方向，直到得到清晰的干涉条纹，干涉条纹的周期d取决于两束光的夹角θ，其中，周期d的公式为：
可选地，在本发明的一个实施例中，预设波长可以为532nm，但不限于某一固定波长。
可选地，在本发明的一个实施例中，平面镜2可以为镀银反射镜，但不限于镀银反射镜。
可选地，在本发明的一个实施例中，显微物镜3放大倍率可以为40倍，且数值孔径可以为0.65，但不限于此参数。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，激光器1(波长可以为532nm)出射的线偏振光经过第一反射镜2反射，然后进入针孔滤波系统的显微物镜3(放大倍率可以为40倍，数值孔径可以为0.65)被聚焦，然后进入针孔4，实现针孔滤波，同时被扩束，成为一束发散的球面波，然后进入准直透镜5，变成一束准直的平行光，通过线偏振片6后，成为一束线偏振的平面波。来自同一个平面波前的波前，一部分照射到待成像物体7上，作为物光波，然后被非偏振分光棱镜7反射，另一部分被镀膜反射镜8反射作为参考光波，同时被镀膜反射镜8反射的参考光波经过非偏振分光棱镜7合束，与物光波干涉。通过调整载有镀膜反射镜的二维旋转调节架11和载有非偏振分光棱镜的二维旋转调节架12，控制两束光干涉的夹角，离轴干涉角度选择。系统调整好之后，离轴全息图被像感器9拍摄下来，并将得到的全息图进行程序后处理，并结合算法分析，便可以得到成像结果。如图2所示，图中平面为水平面，物光波13行进方向与参考光波14行进方向可由对应的二维旋转调节架调节，形成干涉夹角θ15。
综上，激光经过准直扩束之后，成为一束平行光，再经过线偏振片6调制，成为线偏振的平行光，一部分照射待成像物体10，然后经非偏振分光棱镜7反射后作为物光波，另一部分被镀膜反射镜8反射作为参考光波，同时被镀膜反射镜8反射的参考光波也透射经过非偏振分光棱镜7，物光波和参考光波被非偏振分光棱镜7合束，发生干涉，形成离轴干涉全息图，被像感器9记录下来。通过分析全息图，经过程序后处理，便可以得到清晰的待成像物体的振幅图像和相位图像。本发明实施例可以采用准共光路设计，稳定性很好，不容易受环境波动影响；两束干涉光来自同一个波前，所以干涉条纹的对比度很高；核心干涉装置布置紧凑，所以具有良好的实用性。
根据本发明实施例提出的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，且镀膜反射镜和非偏振分光棱镜均可以利用二维旋转调节架微调反射方向，得到采集离轴干涉全息图，并对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法。
图3是本发明一个实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法的流程图。
如图3所示，该紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法包括以下步骤：
在步骤s301中，通过激光器发出预设波长的激光，并在平面镜反射改变方向后，经过小孔滤波、扩束准直以及线偏振片后，获取沿水平方向传播的线偏振平面波。
在步骤s302中，将待成像物体设置于非偏振分光棱镜前，在一部分线偏振平面波照射到待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到镀膜反射镜上作为参考光波，物光波与参考光波被非偏振分光棱镜合束，发生干涉。
在步骤s303中，采集离轴干涉全息图，其中，离轴干涉全息图通过照射到物体上的物光波与被镀膜反射镜上反射的参考光波干涉得到的，物光物光波与参考光参考光波都可以通过二维旋转调节架调节角度。
在步骤s304中，对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜和镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及非偏振分光棱镜的反射面和镀膜反射镜的反射面平行。
进一步地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜和/或镀膜反射镜利用二维旋转调节架微调反射方向，直到得到清晰干涉条纹，干涉条纹的周期d的公式为：
其中，λ为预设波长，θ为物光波和参考光波的夹角。
需要说明的是，前述对紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的紧凑型无透镜准共光路离轴数字全息成像方法，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，且镀膜反射镜和非偏振分光棱镜均可以利用二维旋转调节架微调反射方向，得到离轴干涉全息图，并对离轴干涉全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以有效提高成像的稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。