一种双波长数字全息系统及方法

本发明涉及全息成像，具体而言，涉及一种双波长数字全息系统及方法。

背景技术：

1、数字全息显微术是一种将传统的光学显微成像技术与全息成像技术相结合，定量地获得样品相位分布的高精度光学测量技术，具有无损伤、全视场、快速、非接触、高精度等特点，被广泛应用于表面微观形貌测量和生物细胞成像。传统的数字全息显微术需要先从全息图中构造包裹相位，然后使用解包算法将包裹相位展开为连续的相位图。其缺点也很突出，解包算法计算量较大，并且当样品有过高的跳变时可能会导致解包失败。为了解决上述问题，提出了双波长数字全息。

2、双波长数字全息相较于单波长数字全息显微术的优势在于，该技术通过选择两个波长来得到更大的合成波长，理论上可测量高度更高、跳变较大的样品。并且，该技术是使用两个波长的光束对样品进行测量，可以连续记录多张不同波长下的相位信息，求出两者的相位差后即可得到等效波长的相位图。由于合成波长大于任何一个引入的波长，因此该技术可极大地提升数字全息显微术的测量范围。

3、但是，在双波长数字全息的研究领域中，为了引入合成波长，通常需要两台不同波长的激光器，成本高昂的同时，两种不同波长的相干光源也在干涉光路中带来了大量的噪声，在很大程度上影响了相位恢复的精度。另一方面，目前大部分双波长数字全息技术都是基于马赫-曾德或迈克尔逊干涉仪的非共路结构，两个光束都会受到环境干扰，这就导致系统的时间稳定性较差，条纹不稳定，产生相当大的相位误差。

4、因此，目前亟需一种架构更加简洁，并且精度更加高的双波长数字全息系统。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种双波长数字全息系统及方法，在简化系统架构的情况下，提高全息成像的精度。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种双波长数字全息系统，所述系统包括依次相连的led照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器，其中：

3、所述led照明模块出射的光经过所述起偏器调整偏正方向后，垂直入射至所述偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；

4、所述照明光波透过所述载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被所述无限远成像显微物镜收集，并通过所述镜筒透镜汇聚后，透过所述正交光栅进行衍射；

5、所述正交光栅产生的0级衍射光按照原来的路径传播并透过所述空间滤波器后作为参考光，两束+1级衍射光经过所述第一透镜汇聚后透过所述空间滤波器后分别作为两束物光；

6、经所述空间滤波器滤波后的物光与参考光经所述第二透镜汇聚到所述单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。

7、在一个实施方式中，所述偏振滤波装置包括沿光束传播方向依次设置的第一wollaston棱镜、第三透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜以及第二wollaston棱镜；

8、其中，所述第一wollaston棱镜位于所述第三透镜的前焦面，所述第二wollaston棱镜放置于所述第四透镜的后焦面上，所述第一滤光片和所述第二滤光片分布在所述第三透镜和所述第四透镜之间的不同路径上；

9、所述第一wollaston棱镜用于将所述起偏器输出的线偏振照明光波剪切开角度，所述第一滤光片和所述第二滤光片用于产生不同波长的照明光波，所述第二wollaston棱镜用于将所述不同波长的照明光波重新合束。

10、在一个实施方式中，所述第一滤光片的中心波长为590nm，所述第二滤光片的中心波长为633nm，所述第一滤光片和所述第二滤光片的半高宽均为1nm。

11、在一个实施方式中，所述空间滤波器中包括第一装置、第二装置以及第三装置，其中，所述第一装置用于将透过所述正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；所述第二装置，仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得第一物光；所述第三装置，仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得第二物光。

12、在一个实施方式中，所述led照明模块的中心波长为610nm，半高宽为50nm。

13、在一个实施方式中，所述正交光栅位于所述镜筒透镜的后焦面上，用于将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，以实现参考光与物光的波前匹配。

14、为实现上述目的，本发明另一方面还提供了一种双波长数字全息方法，所述方法包括：

15、出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波；

16、所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光；

17、0级衍射光按照原来的路径传播并形成参考光，两束+1级衍射光汇聚后被滤波为两束物光；

18、所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹。

19、在一个实施方式中，出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波包括：

20、led照明模块出射的光经过起偏器调整偏正方向后，垂直入射至偏振滤波装置，以通过所述偏振滤波装置生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波。

21、在一个实施方式中，所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光包括：

22、所述照明光波透过载物台装置上放置的待测样品，经所述待测样品散射后的成像光束被无限远成像显微物镜收集，并通过镜筒透镜汇聚后，透过正交光栅进行衍射，产生衍射光。

23、在一个实施方式中，所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹包括：

24、经空间滤波器滤波后的物光与参考光经第二透镜汇聚到单色黑白图像传感器的成像面上，并由所述单色黑白图像传感器捕捉和记录得到正交载频干涉条纹。

25、本发明的有益效果为：

26、本发明所提供的技术方案，只需使用一个部分相干光源即可实现双波长干涉测量，极大地减少了相干光源所带来的相干噪声的影响，提升了整个系统的测量精度，节约了实验成本，降低了双波长干涉测量技术的研究门槛。并且，本发明特有的共路结构使得物光路和参考光路沿着相同的路径传播，环境噪声的干扰对两束光波的影响几乎一致，极大地提高了本系统的稳定性与测量精度。此外，本发明使用宽带光源，可根据待测样品的实际情况灵活选取不同中心波长的滤光片滤出期望的波长，以实现任意两波长的双波长数字全息。

27、最后，本发明可以同时捕获两个具有正交条纹方向的离轴干涉图，使每个波长干涉条纹的重叠最少，可以很容易地选择傅里叶频谱图中不同波长的空间频率来分离不同波长下的相位信息。

技术特征：

1.一种双波长数字全息系统，其特征在于，所述系统包括依次相连的led照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振滤波装置包括沿光束传播方向依次设置的第一wollaston棱镜、第三透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜以及第二wollaston棱镜；

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一滤光片的中心波长为590nm，所述第二滤光片的中心波长为633nm，所述第一滤光片和所述第二滤光片的半高宽均为1nm。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空间滤波器中包括第一装置、第二装置以及第三装置，其中，所述第一装置用于将透过所述正交光栅的0级衍射光滤波为理想的均匀球面波并作为干涉中的参考光束；所述第二装置，仅允许沿x方向偏振的光通过，滤波后获得第一物光；所述第三装置，仅允许沿y方向偏振的光通过，滤波后获得第二物光。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述led照明模块的中心波长为610nm，半高宽为50nm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述正交光栅位于所述镜筒透镜的后焦面上，用于将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，以实现参考光与物光的波前匹配。

7.一种应用于权利要求1至6中任一所述的系统中的双波长数字全息方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，出射光经过调整偏正方向后，生成两束波长不同且偏振方向相互正交的照明光波包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述照明光波经待测样品散射后的成像光束被汇聚后，产生衍射光包括：

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物光和所述参考光汇聚到成像面上，以生成正交载频干涉条纹包括：

技术总结
本发明涉及一种双波长数字全息系统及方法，其中，所述系统包括依次相连的LED照明模块、起偏器、偏振滤波装置、载物台装置、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、正交光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜及单色黑白图像传感器。本发明提供的技术方案，在简化系统架构的情况下，提高全息成像的精度。

技术研发人员：钟丽云,李红运,柳林,韩贤信,周成鑫,吕晓旭
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13