基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法

本发明涉及物体形貌检测，具体涉及一种基于凹面镜的无透镜傅里叶变换数字全息技术与光学检测技术对物体形貌进行检测的数字全息物体形貌测量装置及方法。

背景技术：

1、数字全息技术因其非接触、全场测量、高精度的特点，在物体表面微观形貌测量中发挥了重要的作用。但是在实验过程中，受到衍射回传至物平面，所需时间就延长，很多动态样品在变化过程中的重要信息会丢失掉。

2、现有传统的无透镜傅里叶变换数字全息成像系统中需要使用光纤头、透镜或者显微物镜形成球面参考光束，并且成像系统中使用的光学元件较多，使得成像光路结构复杂，系统测量时易受外界环境干扰。

3、因此，急需开发一种克服上述缺陷的基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有无透镜数字全息检测裝置中系统稳定性不够，结构复杂和测量精度不够高等问题。由此本发明提供一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量方法，其中，包括：

2、平行光波获取步骤：通过分束镜将激光器发出的激光分为两束平行光波；

3、物光波采集步骤：通过一束平行光波对被测样品进行照射获得物光波；

4、参考光波采集步骤：通过另一束平行光波照射对凹面镜进行照射获得参考光波；

5、数字全息图获取步骤：使所述物光波与所述参考光波在探测器的靶面发生干涉后，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

6、形貌特征获取步骤：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

7、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述平行光波获取步骤包括：

8、衰减步骤：通过衰减片对所述激光的激光束能量进行衰减；

9、扩束准直步骤：通过扩束准直单元对衰减后的所述激光进行处理后获得沿一设定方向传播一束平行光波；

10、分束步骤：通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

11、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述扩束准直步骤包括：

12、通过扩束模块对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

13、通过准直模块将扩束后的所述激光转换为沿所述设定方向传播的所述平行光波。

14、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述参考光波采集步骤包括：

15、通过所述凹面镜将另一束平行光波转换为球面参考光波，所述探测器采集所述球面参考光波，其中，所述球面参考光波的焦点与所述被测样品至所述探测器的距离相同。

16、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述参考光波采集步骤还包括：

17、通过调节所述凹面镜控制所述球面参考光波与所述物光波的夹角。

18、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述形貌特征获取步骤包括：

19、+1级像获得步骤：对所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换及频谱滤波获得+1级像；

20、相位信息获取步骤：对所述+1级像的复振幅分布进行处理获得再现像的复振幅分布，根据再现像的所述复振幅分布获得所述被测样品的所述相位信息；

21、形貌高度获取步骤：根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度，相位与光程的关系式为：

22、；

23、其中，h为被测样品的形貌高度，△n为被测样品的折射率与周围介质折射率之差，λ是波长。

24、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述相位信息获取步骤还包括：

25、对再现像的复振幅分布取反正切计算获得第一相位信息；

26、对所述第一相位信息进行判断；

27、若所述第一相位信息的起伏处于预设范围内，则根据所述第一相位信息执行所述形貌高度获取步骤；

28、若所述第一相位信息的起伏超出所述预设范围，则对所述第一相位信息进行解包裹运算，获得第二相位信息后，根据所述第二相位信息执行所述形貌高度获取步骤。

29、上述的数字全息物体形貌测量方法，其中，所述形貌特征获取步骤还包括：

30、校正步骤：将所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图进行逆傅里叶变换再现出平行于所述探测器平面的像平面；将再现的所述像平面围绕y轴旋转一定角度至校正后的倾斜平面；根据所述像平面和校正后的所述倾斜平面获得校正后的复振幅分布。

31、本发明还提供一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置，其中，应用上述中任一项所述的数字全息物体形貌测量方法，所述数字全息物体形貌测量装置包括：

32、激光器，用以输出激光；

33、平行光波获取单元，包括分束镜，所述分束镜将所述激光分为两束平行光波后，通过一束平行光波对被测样品进行照射获得物光波；

34、凹面镜，通过另一束平行光波照射对所述凹面镜进行照射获得参考光波，所述参考光波为一球面参考光波；

35、探测器，所述物光波与所述参考光波在所述探测器的靶面发生干涉后，通过所述探测器记录干涉产生的无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；

36、形貌特征获取单元：根据所述无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得所述被测样品的相位信息，根据所述相位信息通过相位与光程的关系式获得所述被测样品的形貌高度。

37、上述的数字全息物体形貌测量装置，其中，所述平行光波获取单元还包括：

38、衰减片，对所述激光的激光束能量进行衰减；

39、扩束模块，对衰减后的所述激光进行扩束，以扩大所述激光的光斑直径；

40、准直模块，将扩束后的所述激光转换为沿设定方向传播的所述平行光波后，通过所述分束镜将所述平行光波分为相互垂直的两束平行光波。

41、本发明相对于现有技术其功效在于：本发明不仅具有结构紧凑，稳定性好，便于操作，而且能够获得更高的系统分辨能力；其次，根据被测量物体的形貌，可灵活选择合适的系统分辨率和放大倍率进行观测。此外，本发明只需采集单幅全息图即可获得微小物体的表面信息，且能够实现动态测量。

42、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述平行光波获取步骤包括：

3.如权利要求2所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述扩束准直步骤包括：

4.如权利要求1所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述参考光波采集步骤包括：

5.如权利要求4所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述参考光波采集步骤还包括：

6.如权利要求1所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述形貌特征获取步骤包括：

7.如权利要求6所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述相位信息获取步骤还包括：

8.如权利要求6所述的数字全息物体形貌测量方法，其特征在于，所述形貌特征获取步骤还包括：

9.一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置，其特征在于，应用上述权利要求1-8中任一项所述的数字全息物体形貌测量方法，所述数字全息物体形貌测量装置包括：

10.如权利要求9所述的数字全息物体形貌测量装置，其特征在于，所述平行光波获取单元还包括：

技术总结
本发明公开了一种基于凹面镜的数字全息物体形貌测量装置及方法，属于光电检测技术领域。本发明包括步骤：激光器发出的激光经过扩束准直系统后变为平行光，通过分束镜将分为两束平行光波；其中一束平行光波被待测样品反射携带物信息变为物光波；过另一束平行光波被凹面镜反射变为球面参考光波；物光波与参考光波在探测器的靶面发生干涉后，通过探测器记录无透镜傅里叶变换离轴数字全息图；经过计算机处理无透镜傅里叶变换离轴数字全息图获得被测样品的相位信息，通过相位与光程的关系式获得被测样品的形貌高度。本发明系统结构简单，测量速度快，抗环境噪声能力强。

技术研发人员：张娅雅
受保护的技术使用者：山西科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17