一种双载频共路数字全息显微装置及显微方法与流程

本发明属于数字全息检测领域，具体涉及一种双载频共路数字全息显微装置及显微方法。

背景技术：

数字全息检测技术基于干涉原理，利用数字相机记录全息(干涉)图，并利用计算机数字再现物体表面形貌等，由于具有非接触、全场定量、三维成像等独特优点，已作为极其重要的测试分析手段被广泛应用于生物医学、微纳器件、光学微加工等测量领域。目前数字全息常采用分离光路和共光路两种结构。相对于分离光路结构，共光路结构因为参考光束和测量光束经过相同路径，具有非常好的抗干扰能力，因而近十年受到国内外学者广泛关注。

美国麻省理工学院的G.Popescu等(G.Popescu,T.Ikeda,R.R.Dasari,M.S.Feld.Diffraction phase microscopy for quantifying cell structure and dynamics.Opt.Lett.2006,31,775-777)提出了一种共路离轴载频数字全息显微技术，其在4f光学系统基础上，利用入射面光栅分光技术和频谱面针孔滤波技术，将通过待测物体的光波衍射分成具有一定夹角的物光和参考光发生干涉，利用形成的单幅载频干涉图获取待测物体的位相信息，从而适合用于运动物体或动态过程的实时测量，但因为采用离轴结构分离实像和共轭像及直流项，该方法不能充分利用相机的空间带宽积，分辨力受限；同时需精确调整针孔滤波器阵列中心间距与光栅周期以及透镜焦距的匹配关系，以使物光和参考光能有效通过针孔滤波器阵列，从而造成装置调整困难。

为了提高装置调整的简便性，本发明人申请发明专利“一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法(201510756850.9)”，在4f光学系统的频谱空间上将光栅离焦分光技术和孔阵列滤波技术相结合获取载频干涉图，在保证系统的实时性基础上，利用光栅离焦量微调物光和参考光与针孔滤波器阵列的空间匹配关系，精确且易行，但该方法仍不能充分利用相机的空间带宽积。

为了提高相机的空间带宽积，本发明人提出了系列基于光栅离焦的双窗口共路轻离轴干涉检测方法与装置，如ZL 201210424239.2“基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法”，将4f光学系统的入射面分成两个窗口，其中一个用于放置待测物体，另一个用于参考窗口，并在频谱空间光栅离焦分光技术引入载波，获得两幅载波干涉图，进而利用两幅干涉图相减消除直流项以提高相机的空间带宽积利用率，实现高分辨力实时测量，但是因为入射面分成两个窗口，不仅检测窗口利用率只有1/2，而且待测物体尺寸受限。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，将光栅离焦分光技术和三孔阵列滤波技术相结合，一种双载频共路数字全息显微装置。

本发明的目的还在于提供一种双载频共路数字全息显微方法

本发明的目的是这样实现的：

双载频共路数字全息显微装置，包括光源、准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校正物镜、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、图像传感器和计算机，该装置还设有三孔阵列，其中λ为光源发射光束的光波长，光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜和矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列滤波形成参考光和两束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器(11)的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f₁，第二透镜的焦距都为f₂，第一透镜和第二透镜组成4f光学系统；矩形窗口位于第一透镜的前焦面上；一维周期光栅位于第一透镜的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量，且0<Δf<f₁；一维周期光栅的周期为d与矩形窗口沿光栅周期方向的宽度D_G之间满足关系d＝2λf₁/D_G；三孔阵列位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，含有两个大孔A和一个针孔B，其中两个大孔A与针孔B的中心距均为Δfλ/d，针孔B直径为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度，两个大孔A让±1级衍射光全部通过形成两束物光，针孔B让0级衍射光滤波衍射放大通过形成参考光。

双载频共路数字全息显微方法，包括如下步骤：

①.调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅；

②.经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列滤波形成一束参考光和两束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的参考光和两束物光在图像传感器上同步产生干涉，生成两幅载频大小相等、方向相反的干涉图，被图像传感器采集并被计算机处理，获得待测物体的相位为

其中，HT为希尔伯特变换，I₊、I_-为两幅干涉图的强度分布，表示为

I₊(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)+βx]

I_-(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)-βx]

其中，I_b(x,y)为干涉图的平均强度，γ(x,y)为干涉条纹的调制度，β＝2πΔf/f₁d为载频量。

双载频共路数字全息显微方法有以下特点和有益效果：

1.在光栅离焦共路结构基础上，引入三孔阵列滤波技术，通过一次曝光获得生成两幅载频大小相等、方向相反的干涉图，并利用两幅干涉图相减消除直流项，不仅可充分利用相机的空间带宽积，实现高分辨力实时稳定测量，而且光利用率高，方法简单易行，不需任何相移操控或偏振元件，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.两幅载频干涉图对比度相同，不需载频信息实现相位快速再现，且在消除背景噪声的同时，可避免相移引入的误差，以提高测量精度，进而更适合高精度实时测量，这是区别于现有技术的创新点之二；

3.系统载频映射关系简单，可通过光栅离焦量线性控制，进而线性优化系统的测量视场和空间分辨力，而检测窗口又不受限，这是区别于现有技术的创新点之三。

本发明的装置有如下显著特点：

1.本发明装置结构简单，系统定位复杂度要求低，且调整方便，也不需任何偏振元件等特殊光学元件；

2.本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。

附图说明

图1为双载频共路数字全息显微装置结构示意图；

图2为三孔阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

双载频共路数字全息显微装置与方法属于数字全息检测领域，本发明为解决现有技术的不足之处。本发明包括光源、准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校正物镜、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、图像传感器和计算机，调整光源，使光源发射的光束依次经准直扩束系统、待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅，经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列滤波形成一束参考光和两束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的参考光和两束物光在图像传感器上同步产生干涉，生成两幅载频大小相等、方向相反的干涉图，通过计算获得待测物体的相位。

如图1、2所示，1 光源，2 准直扩束系统，3 待测物体，4 显微物镜，5 校正物镜，6 矩形窗，7 第一透镜，8 一维周期光栅，9 三孔阵列，10 第二透镜，11 图像传感器，12 计算机。

本发明包括波长为λ光源、准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校正物镜、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、图像传感器和计算机，其特征是：该装置还设有三孔阵列。光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜和矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列滤波形成参考光和两束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器(11)的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f₁，第二透镜的焦距都为f₂，第一透镜和第二透镜组成4f光学系统；矩形窗口位于第一透镜的前焦面上；一维周期光栅位于第一透镜的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量，且0<Δf<f₁；一维周期光栅的周期为d与矩形窗口沿光栅周期方向的宽度D_G之间满足关系d＝2λf₁/D_G；三孔阵列位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，含有两个大孔A和一个针孔B，其中两个大孔A与针孔B的中心距均为Δfλ/d，针孔B直径为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度，两个大孔A让±1级衍射光全部通过形成两束物光，针孔B让0级衍射光滤波衍射放大通过形成参考光。

一种双载频共路数字全息显微方法，包括如下步骤：

①.调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后，依次经过待测物体、显微物镜和校正物镜入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束射向一维周期光栅，其特征是：

②.经过一维周期光栅的汇聚光束分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列滤波形成一束参考光和两束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的参考光和两束物光在图像传感器上同步产生干涉，生成两幅载频大小相等、方向相反的干涉图，被图像传感器采集并被计算机处理，获得待测物体的相位为

其中，HT为希尔伯特变换，I₊、I_-为两幅干涉图的强度分布，表示为

I₊(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)+βx]

I_-(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)-βx]

其中，I_b(x,y)为干涉图的平均强度，γ(x,y)为干涉条纹的调制度，β＝2πΔf/f₁d为载频量。

本发明的装置包括：光源1、准直扩束系统2、待测物体3、显微物镜4、校正物镜5、矩形窗口6、第一透镜7、一维周期光栅8、三孔阵列9、第二透镜10、图像传感器11和计算机12，其中光源1为波长632.8nm激光器；第一透镜5和第二透镜8的焦距均为200mm；光栅周期d＝50μm，离焦量Δf＝150μm；孔阵列大孔A和针孔B的中心间距均为1.9mm，针孔B的直径为10μm。

本发明的检测方法的具体实施方式如下：光源1发射的光束经准直扩束系统2后形成扩束的光束，该光束依次经过待测物体3、显微物镜4、校正物镜5和矩形窗口6后入射至第一透镜7，经第一透镜7汇聚后的出射光束通过一维周期光栅8后分成0级衍射光和±1级衍射光，经三孔阵列9滤波形成参考光和两束物光射向第二透镜10，经第二透镜10透射后的汇合光束在图像传感器11上同步产生干涉，生成两幅载频大小相等、方向相反的干涉图I₊和I_-，被图像传感器11采集并被计算机12处理。

采集获得的两幅干涉图I₊和I_-的强度分布可表示为

I₊(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)+βx]

I_-(x,y)＝I_b(x,y)+γ(x,y)cos[φ(x,y)-βx]

其中，I_b(x,y)为干涉图的平均强度，γ(x,y)为干涉条纹的调制度，β＝2πΔf/f₁d为载频量。

从而利用计算机12计算获得待测物体的相位为

其中，HT为希尔伯特变换。