基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置的制作方法

本发明涉及非相干数字全息单发测量技术，在数字全息、三维成像、表面形貌测量和荧光显微成像等多个相关领域都有应用前景。

技术背景

非相干数字全息术摆脱了传统数字全息术对于相干光源的依赖，将全息术的应用范围扩展至非相干成像领域，因此可以进行荧光三维显微成像、彩色全息和自适应光学等应用领域。非相干全息术通过某种光学技巧将来源于空间非相干物体上同一点的光波分为两束，利用这两束光波的空间自相干性实现点源全息图的记录，所有点源全息图的非相干叠加构成物体的全息图。使用图像采集设备记录全息图，在计算机中对其进行数值再现可以恢复原始物体的三维位置信息。目前比较常用的分光器件有：空间光调制器、双折射晶体透镜和液晶梯度折射率透镜等，但是上述器件比如空间光调制器对于性能要求较高且需要程序调节控制，较为繁琐；双折射透镜对材料要求较高，不易加工且定制精度不高，除此之外所需成本较高。

偏振定向平面透镜由平面透镜与偏振液晶薄膜组成，其焦距取决于输入偏振的相位，对于右旋圆偏振光，透镜将产生某一焦距，而左旋圆偏振光将产生符号相反的焦距。非偏振光将同时产生一个正的和一个负的焦距，两个输出波均为圆偏振并且彼此正交，此特性完全可实现分光器件所达到的效果。与传统透镜相比，偏振定向平面透镜在可见光和红外光波段具有高透射率，损耗较少，其厚度小于1mm，可以当做一个理想的薄透镜，能够消除球差，在ar、相机、天文学、卫星和安全等方面均可应用。

与空间光调制器等分光器件相比，偏振定向平面透镜能完美实现波前调制和分光的功能，且具有操作简单、易于调节、成本较低等众多优点，极其适合用于非相干数字全息技术。

在非相干数字全息中，所得的全息干涉图样中不可避免的包含有直流项和共轭项，这两项在数值再现过程中会对原始像的成像质量产生干扰，目前使用最广泛的方法就是多步相移法，通过在光路中加载不同的位相值来消除直流项和共轭项的影响。然而多步相移法通常需要多次的数据采集，无法采集动态物体的全息干涉图样，在显微成像中具有很大的局限性。在本装置中我们采用平行相移法，通过偏振相机中的微偏振阵列同时采集具有四个不同位相值的全息干涉图样，可实现目标物体的单发测量。

技术实现要素：

本发明提供一种基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置，该装置利用偏振定向平面透镜的调制和分光特性以及偏振相机可同时采集具有不同位相值的全息干涉图样的功能，实现了目标物体的单发成像，具有结构紧凑、经济实用、装置搭建方便，和易于调节的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置，包括：偏振定向平面透镜，聚焦元件，带小孔的二分之一波片和偏振成像相机；

入射光经过偏振定向平面透镜和聚焦元件分为聚焦和平行，或聚焦和发散的两束偏振不同的圆偏振光，即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，其中聚焦的一束经过带小孔的二分之一波片的小孔，平行或发散的一束光则经过带小孔的二分之一波片，使得两束光在带小孔的二分之一波片后偏振一致，都变为左旋或右旋圆偏振激光，所述的圆偏振光在偏振成像相机中重叠得到记录物体信息的干涉图样。

所述的偏振定向平面透镜具有波前调制和分光的特性。

所述的带小孔的二分之一波片具有改变圆偏振光旋向以及减少光强损耗的作用。

通过偏振成像相机中的微偏振阵列可同时采集具有不同位相值的全息干涉图样，利用平行相移法可实现成像物体的单发测量。

目标物体发出的非相干光经所述的偏振定向平面透镜调制分光后出射为聚焦和发散的第一左旋圆偏振光和第一右旋圆偏振光，所述的第一左旋圆偏振光和第一右旋圆偏振光经过第二聚焦元件会聚得到第二左旋圆偏振光和第二右旋圆偏振光，所述的第二左旋圆偏振光会聚透过带小孔的二分之一波片的小孔不改变旋向得到第三左旋圆偏振光，所述的第二右旋圆偏振光平行经过带小孔的二分之一波片并改变旋向得到第四左旋圆偏振光，所述的第三左旋圆偏振光和第四左旋圆偏振光在偏振相机中重叠干涉可同时采集到带有四个不同位相值的物体信息的干涉图样。在计算机中利用相移法对其进行数值再现可恢复原始物体的信息，从而实现基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置。

本发明具有如下的显著特点：

1、本发明采用偏振定向平面透镜，避免了利用空间光调制器等繁琐的调节控制过程，使得测量装置搭建简单，易于调节且显著降低了其成本。

2、本发明采用带小孔的二分之一波片改变其中右旋圆偏振光的旋向，使两束圆偏振光旋向一致进行干涉且减少了使用线偏振片所造成的光强损耗。

3、本发明采用偏振相机中的微偏振阵列可同时采集具有四个不同位相值的全息干涉图样，利用平行相移法实现了成像物体的单发测量，克服了多步相移法无法测量动态物体的局限性，可以进行单发和动态的物体成像。

附图说明

图1为本发明基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置的光路图；

图2为本发明的实施例的光路图。

图3为本发明所测量的多幅相移干涉图样，其中(a)相移为0的干涉图样；(b)相移为π/4的干涉图样；(c)相移为π/2的干涉图样；(d)相移为3π/4的干涉图样；

图4为在计算机中利用相移法对干涉图样进行数值再现得到的物体的像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置的实施实例，构成包括：非相干光源ⅰ、沿该非相干光源出射非相干光的光路方向依次设有第一聚焦元件ⅱ、成像物体ⅲ、偏振定向平面透镜1、第二聚焦元件2、带小孔的二分之一波片3、偏振成像相机4；

焦距为75mm的第一消色差双胶合透镜将中心波长为530nm，带宽30nm的非相干光源所出射的非相干光准直为平行光透过成像物体1951usaf分辨率测试靶，进入焦距为100mm的偏振定向平面透镜，分别得到会聚的第一左旋圆偏振光和发散的第一右旋圆偏振光，经过所述的焦距为100mm的第二消色差双胶合透镜得到会聚的第二左旋圆偏振光和第二右旋圆偏振光，其中偏振定向平面透镜与第二消色差双胶合透镜相距0mm,所述的第二左旋圆偏振光其焦点正好透过带小孔的二分之一波片的小孔不改变旋向并得到第三左旋圆偏振光，所述的带小孔的二分之一波片将入射的第二右旋圆偏振光改变旋向得到第四左旋圆偏振光，其中带小孔的二分之一波片的中心波长为530nm，中心小孔直径为1mm,所述的第三左旋圆偏振光和第四左旋圆偏振光在偏振相机中重叠干涉可同时采集到带有不同位相值的物体信息的干涉图样，如图3所示。在计算机中利用相移法对其进行数值再现可恢复原始物体的信息，如图4所示。从而实现基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置。

技术特征：

技术总结
一种基于偏振定向平面透镜的单发菲涅尔非相干相关数字全息装置，包括：进行波前调制和分光的偏振定向平面透镜、聚焦元件、带小孔的二分之一波片和偏振成像相机，入射光经过偏振定向平面透镜和聚焦元件将入射光分为聚焦和平行或聚焦和发散的两束偏振不同的光，其中聚焦的一束经过二分之一波片的小孔，平行或发散的一束则经过二分之一波片，使得两束光在波片后偏振一致。本发明利用偏振定向平面透镜对圆偏振光敏感的特性进行波前调制和分光，同时利用偏振相机中的微偏振阵列实现了成像物体的单发测量，具有结构紧凑，经济实用，装置搭建方便，和易于调节的特点。

技术研发人员：刘军;梁东;张球
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2018.08.13
技术公布日：2018.12.25