一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字全息檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微 裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字全息檢測技術(shù)基于干涉原理，利用C⑶或CMOS等圖像傳感器記錄全息（干 涉）圖，并利用計算機(jī)數(shù)字再現(xiàn)物體表面形貌等，由于具有非接觸、全場定量、三維成像等 獨(dú)特優(yōu)點，已作為極其重要的測試分析手段被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、微納器件、光學(xué)微加工 等測量領(lǐng)域。傳統(tǒng)的數(shù)字全息系統(tǒng)采用邁克遜、馬赫-曾德爾等分離光路干涉，其參考光束 和測量光束經(jīng)過不同路徑，易受外界振動、溫度起伏等影響，抗干擾能力差。相對于分離光 路結(jié)構(gòu)，共光路結(jié)構(gòu)因為參考光束和測量光束經(jīng)過相同路徑，具有非常好的抗干擾能力，因 而近十年受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。
[0003]美國麻省理工學(xué)院的G.Popescu等（G.Popescu,T.Ikeda,R.R.Dasari,M.S.Feld. Diffractionphasemicroscopyforquantifyingcellstructureanddynamics.Opt. Lett. 2006, 31，775-777)提出了一種共路點衍射載波全息技術(shù)，在4f光學(xué)系統(tǒng)的入射面放 置光柵，將通過待測物體的光波衍射分成多個衍射級次，并在頻譜面放置空間孔陣列，選取 零級光作為參考光并選取+1級光作為物光，進(jìn)而通過曝光采集獲得載波全息圖，該技術(shù)因 為采用共路結(jié)構(gòu)抗干擾能力強(qiáng)，但對空間針孔濾波器陣列中心間距、光柵周期以及透鏡焦 距相互之間匹配要求較高，且需精確調(diào)整，才能保證獲得理想全息圖。
[0004] 為提高系統(tǒng)抗干擾能力，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明人提出系列基于光柵離焦的雙窗 口共路干涉檢測方法與裝置，如ZL201210424239. 2"基于同步載頻移相的共光路干涉檢測 裝置與方法"，將4f光學(xué)系統(tǒng)的入射面分成兩個窗口，其中一個用于放置待測物體，另一個 用于參考窗口，并在4f光學(xué)系統(tǒng)的頻域離焦處放置光柵引入載波，進(jìn)而獲得載波全息圖， 但是因為入射面分成兩個窗口，不僅檢測窗口利用率只有1/2,而且待測物體尺寸受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種簡單易行，調(diào)整方便的，基于光柵離焦的共路數(shù)字全息 顯微裝置。本發(fā)明的目的還包括提供一種能夠降低確定系統(tǒng)載波頻率的復(fù)雜度并提高相位 恢復(fù)算法效率的，一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微方法。
[0006] -種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微裝置，包括光源1、待測物體2、顯微物鏡 3、校正物鏡4、第一透鏡5、第二透鏡8、圖像傳感器9和計算機(jī)10,還包括一維周期光柵6 和孔陣列7,其中λ為光源1發(fā)射光束的光波長；
[0007] 光源1發(fā)射的光束經(jīng)待測物體2、顯微物鏡3和校正物鏡4后入射至第一透鏡5， 經(jīng)第一透鏡5匯聚后的出射光束通過一維周期光柵6后分成0級衍射光和+1級衍射光，經(jīng) 孔陣列7濾波形成參考光和物光射向第二透鏡8,經(jīng)第二透鏡8透射后的匯合光束由圖像 傳感器9的光接收面接收，圖像傳感器9的圖像信號輸出端連接計算機(jī)10的圖像信號輸入 端；
[0008] 第一透鏡5的焦距為，第二透鏡9的焦距都為f2;
[0009] -維周期光柵6的周期為d，位于第一透鏡5的后焦Α-Δf處并且位于第二透鏡 8的前焦f2+Af處，其中Af為離焦量；
[0010] 孔陣列7上含有中心間距為Δfλ/d的大孔A和針孔B，孔陣列7位于第一透鏡6 和第二透鏡8的共輒焦平面上，其中針孔B的直徑為< 1. 22f2λ/D，D為圖像傳感器的視場 寬度。
[0011] 本發(fā)明一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微裝置，還包括：
[0012] 1、一維周期光柵（6)為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光 柵。
[0013] 2、孔陣列（7)的大孔Α讓0級衍射光全部通過形成物光，針孔Β讓+1級衍射光濾 波通過形成參考光，
[0014] 或者：大孔A讓+1級衍射光全部通過形成物光，針孔B讓0級衍射光濾波通過形 成參考光。
[0015] -種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微方法，包括以下步驟，
[0016] 步驟一：調(diào)整光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)過待測物體、顯微物鏡和校正物鏡入射至 第一透鏡，經(jīng)第一透鏡匯聚后的出射光束射向一維周期光柵；
[0017] 步驟二：經(jīng)過一維周期光柵的匯聚光束分成0級衍射光和+1級衍射光，經(jīng)孔陣列 濾波形成參考光和物光射向第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的匯合光束成一幅干涉圖I，被圖 像傳感器采集到計算機(jī)并被計算機(jī)處理；
[0018] 步驟三：計算待測物體的復(fù)振幅c(x,y):
[0019] c(x,y) =IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)} ·LF}
[0020] 其中，LF表示低通濾波，F(xiàn)T表示傅里葉變換，IFT表示逆傅里葉變換，Rr(x，y)為 數(shù)字參考波，
[0021]
[0022] 步驟四：得到待測物體的復(fù)振幅:
[0023]
[0024] 有益效果：
[0025] 本發(fā)明的裝置有如下顯著特點：
[0026] 1.本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)定位復(fù)雜度要求低，且調(diào)整方便，也不需任何偏振元 件等特殊光學(xué)元件；
[0027] 2.本發(fā)明裝置采用反射式點衍射構(gòu)成共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。
[0028] 基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微方法有以下特點：
[0029] 1.在共路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將光柵離焦分光技術(shù)和孔陣列濾波技術(shù)相結(jié)合，通過一次 曝光獲得載波全息圖，不僅保證系統(tǒng)干擾能力和檢測的實時性，而且方法簡單易行，調(diào)整方 便，且待測物體尺寸不受限，可充分利用檢測窗口視場，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之 ，
[0030] 2.全息圖載波頻率映射關(guān)系簡單，確定容易，可通過光柵離焦精確控制，從而極大 降低確定系統(tǒng)載波頻率的復(fù)雜度并提高相位恢復(fù)算法效率，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點 之二。
【附圖說明】
[0031] 圖1為基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2為孔陣列示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，將光柵離焦分光技術(shù)和孔陣列濾波技 術(shù)相結(jié)合，提出一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微裝置與方法。
[0035] 本發(fā)明屬于數(shù)字全息檢測領(lǐng)域，特別涉及一種基于光柵離焦的共路數(shù)字全息顯微 裝置與方法?；诠鈻烹x焦的共路數(shù)字全息顯微裝置光源、顯微物鏡校正物鏡、第一透鏡、 一維周期光柵、孔陣列、第二透鏡、圖像傳感器和計算機(jī)。本發(fā)明簡單易行，調(diào)整方便，且 待測物體尺寸不受限，充分利用檢測窗口視場；全息圖載波頻率映射關(guān)系簡單，確定容易， 可通過光柵離焦精確控制，可極大降低確定系統(tǒng)載波頻率的復(fù)雜度并提高相位恢復(fù)算法效 率。
[0036] 圖1中標(biāo)號說明：光源1，待測物體2,顯微物鏡3,校正物鏡4,第一透鏡5, 一維周 期光柵6,孔陣列7,第二透鏡8,圖像傳感器9,計算機(jī)10。
[0037] 本發(fā)明包括波長為λ光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、顯微物鏡、校