一种基于双波长透视式数字全息成像系统

1.本发明属于光学测量、成像技术领域，特别是一种基于双波长透视式数字全息成像系统。


背景技术：

2.全息技术记录物光的波前的复振幅和相位分布，通过再现方法可以完整的还原出被测物体的三维信息，基于全息技术的这一特点，全息技术被应用于测量领域，充分发挥了其非接触，无损高精度测量的优势。而数字全息技术是光学全息术、计算机技术及电子成像技术相结合的产物，以 ccd 器件为全息图记录介质，作为当今信息光学研究领域中的一个热点，它基于光学全息理论，以ccd摄像机等电子成像器件作记录介质获取全息图，然后通过计算机用数字方法对数字化的全息图进行再现。这一过程不仅免去了传统光学全息中化学银盐干版的湿处理，从而可以连续记录运动物体的各个瞬间过程，有利于实现实时在线全息记录，而且还能通过计算机对数字全息图与数字再现图像进行定量分析。
3.数字全息技术由于其数字再现方式提供的再现像光场复振幅分布是直接以数字形式描述的，可以进行定量测量分析，因此，数字全息在光测量等领域具有重大的应用价值，目前数字全息术已广泛的运用于显微观测、信息加密、变形振动测量，粒子场测量等方面。
4.随着数字全息研究热点的高涨，数字全息技术的发展与图像器件的性能有密切的关系，目前ccd图像记录面积小，像元尺寸大，动态范围不足，限制了物体高频信息和强度分布信息的记录，这些限制使得数字全息术的分辨率难以提高，因此在现有的设备技术条件下提高数字全息分辨率，扩大数字全息记录的孔径和记录物体的视场，是数字全息技术发展和应用中的关键问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于双波长透视式数字全息成像系统，采用了双波长数字全息技术，使用两个不同波长的激光同时照射待测样品，并用ccd中可以同时采集到两幅全息干涉图。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双波长透视式数字全息成像系统，包括第一激光器1a、第二激光器1b、第一偏振片2a、第二偏振片2b、第一分束镜3、第一扩束准直系统4、第一平面镜5、孔径光阑6、组合锥透镜7、透镜8、第一轴锥镜9、第二轴锥镜10、样品11、显微镜12、色散棱镜13、第二分束镜13、第二扩束准直系统14、第二平面镜15、第二分束镜16、ccd采样17、计算机18。
7.第一激光器1a经过第一偏振片2a后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第二激光器1b经过第二偏振片2b后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第一激光器1a和第二激光器1b发出的光波在第一分束镜3处合成新波长的光波；形成新的光波经过在第一分束镜3分束形成新的物光波和参考光波，物
光波依次经过扩束准直系统4到达第一平面镜5后反射、反射后的物光束入射孔径光阑6后到达锥镜组合系统7中，经过轴锥镜组合系统后出射到凸透镜8形成环形光，所形成的环形光入射到锥角相同的两个轴锥镜9和10后形成更小的环形光照射样品11；参考光波通过色散棱镜后，经过第二扩束准直系统14扩束后的光束入射到第二平面镜15后的光束与入射到显微镜12的物光在第二分束镜16干涉形成干涉图由ccd17记录下来。
8.优选的，本发明所有的平面镜的倾斜角度可以自由调整，其最后倾斜角使反射的参考光与物光成3-8
°
的夹角，以实现离轴干涉。
9.优选的，本发明所述轴锥镜组合7系统，轴锥镜组合系统是由正、负轴锥镜组合而成，通过控制正、负轴锥镜的底角和得到合适的并使之大于0，故正轴锥的底角为，负轴锥的底角为，组合透镜的等效底角，而角度越小的元件对加工技术和精度要求越高，组合轴锥镜的等效底角由正、负轴锥镜的底角之差决定。
10.优选的，本发明所述第一轴锥镜9和第二轴锥镜10组合产生新的局域空心光束，要求第一轴锥镜9和第二轴锥镜10的锥角要相同，并要和轴锥镜组合7等效角3
°
近似。
11.优选的，本发明所述第一激光器1a和第二激光器1b分别发出红色和绿色的激光，两束激光可选波长范围分别是。
12.优选的，本发明所述待测样品11、显微镜12与ccd17构成远心光学结构，其中待测样品11位于显微镜物镜的前焦距面位置，而显微物镜的后焦面与镜筒透镜的前焦面重合，该ccd17位于镜筒透镜的后焦面位置。
13.本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用双波长透射式数字全息技术，使用两个不同波长的激光同时照射待测样品，并用ccd采集全息干涉图，当测试一些特殊样品时，如带有弧度的微光学器件，会出现由于无法同时获取透射式数字全息显微镜的样品测试信息而导致测试结果不准确的问题。
14.（2）使用锥镜系统和透镜装置，可以获得一定角度的、具有和轴锥镜同样效果的局域空心光束，使大角度是锥镜通过不同锥镜间的组合可以达到一个小角度锥镜的效果，提供一个有效的方法。
15.（3）两个相同的轴锥镜组合后可以缩小光束或者是局域空心光束的大小，达到检测实验样品的目的。
16.（4）两个可见光波长可以等效合成大波段的波长，提高检测物体尺寸0~2 π 范围的相位信息；在数字全息技术中，用双波长等效合成大波段的波长远大于单一波长，可以拓展无相位包裹测量纵深范围；双波长技术不仅可以合成大波长以扩大测量范围，也可以反向操作合成更小的波长，使得测量精度更高。
附图说明
17.图1是本发明实施例提供的一种基于双波长透视式数字全息成像系统的结构示意图。
18.图2是本发明实施例提供的光源的一种结构的示意图。
19.图3是本发明实施例提供的光源的另一种结构的示意图。
20.图4 是本发明实施例提供的锥镜组合系统的示意图。
21.图5 是本发明实施例提供的局域空心光束产生系统的示意图。
22.图6是本发明实施例提供两个轴锥镜组合后产生尺寸小的环形光的示意图。
具体实施方式
23.为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.本发明使用迈克尔逊干涉仪结构构成了基于双波长的数字全息显微镜结构，通过二向色镜实现了将两束不同波长的光的光路分成透射式光路与反射式光路两路的目的。二向色镜又称为双色镜，用于反射一定波长的光，同时透过其他不同波长的光。例如常见的二向色镜的光学指标为透红反绿蓝、透蓝反红绿、透红绿反蓝、透蓝绿反红或反红透蓝绿。
25.实施例1参考图1，本发明实施例提供了一种基于双波长透视式数字全息成像系统，主要包括透射式数字全息显微镜光路，包括第一激光器1a、第二激光器1b、第一偏振片2a、第二偏振片2b、第一分束镜3、第一扩束准直系统4、第一平面镜5、孔径光阑6、组合锥透镜7、透镜8、第一轴锥镜9、第二轴锥镜10、样品11、显微镜12、色散棱镜13、第二分束镜13、第二扩束准直系统14、第二平面镜15、第二分束镜16、ccd采样17、计算机18。第一激光器1a经过第一偏振片2a后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第二激光器1b经过第二偏振片2b后改变偏振方向，经过所述第一分束镜3后分成偏振态垂直的光波，第一激光器1a和第二激光器1b发出的光波在第一分束镜3处合成新的光波；形成新的光波经过在第一分束镜3分束形成新的物光波和参考光波，物光波依次经过扩束准直系统4到达第一平面镜5后反射、反射后的物光束入射孔径光阑6后到达锥镜组合系统7中，经过轴锥镜组合系统后出射到凸透镜8形成环形光，所形成的环形光入射到锥角相同的两个轴锥镜9和10后形成更小的环形光照射样品11；参考光波通过色散棱镜后，经过第二扩束准直系统14扩束后的光束入射到第二平面镜15后的光束与入射到显微镜12的物光在第二分束镜16处产生干涉，并由ccd17记录。
26.作为光源，所述第一激光la、第二激光1b为两束准直扩束后的不同波长的激光，两束激光在光路中由色散棱镜13和滤波片过滤达到单一激光光路的目的。
27.图2和图3为本发明实施例提供的光源的两种不同的结构示意图；面以所述第一激光1a为例进行说明，所述第二激光1b的结构与所述第一激光la的结构相同。
28.参考图2，所述第一激光1a和第一偏正片2a产生第一束实验激光激光器发出的激光经过偏正片后入射到分束镜中，在分束后发生透射和反射；参考图3，所述第二激光2a和第二偏正片2b产生另一束实验激光激光器发出的激光经过偏正片后入射到分束镜中，在分束后发生透射和反射；参考图4，经过第一平面镜反射的光束入射到锥镜系统，轴锥镜组合系统是由正、负轴锥镜组合而成，通过控制正、负轴锥镜的底角和得到合适的并使之大于0，故正轴锥的底角为，负轴锥的底角为，组合透镜的等效底角，而角度越小的元件对加工技术和精度要求越高，组合轴锥镜的等效底角由正、负轴锥镜的底角之差决定。
29.参考图5，光束经过轴锥镜组合系统后与透镜组合，产生环形光。
30.参考图6，光束经过轴锥镜系统后与透镜组合，产生环形光的尺寸大不易于观察样
品，故再通过另外一个轴锥镜组合，产生更小，更适合观察样品的光束相比于现有的单波长数字全息显微镜，本发明实施列可提供够测试样品的厚度信息和表面轮廓信息，可测试的样品范围更广，利用获取样品的透视信息和反射信息来进行建模，获取样品的三维 结构信息更完整、更准确。此外还可以用于样品的三维形貌与厚度信息的实时测量。
31.本发明实施提供的一种基于双波长透视式数字全息成像系统，其应用领域包括半导体检测、微光学器件检测和生物样品检测。