[发明专利]一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量及图像显示技术领域，特别涉及一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用。

背景技术

观察及显示纯位相物体的方法有多种，主要有相衬法、暗场法、纹影法、刀口法等，这些方法在光学信息处理、生物医学、材料检测及科学研究等领域有广泛应用，但这些方法多用于定性观察，难以实现纯位相物体的定量位相分布测量。目前，位相物体的定量测量方法主要有双点源干涉扫描成像法、微分干涉相衬法、相移干涉法等，这些方法各有优缺点，有些不能进行实时测量，有些光学元件较多，光路调节比较复杂。虽然双点源干涉扫描成像法可以实现位相物体位相分布的测量与重构成像，但成像时间较长，不能用于实时成像或观察。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种位相物体位相分布的定量测量方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述位相物体位相分布的定量测量方法的装置。

本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种位相物体位相分布的定量测量方法，包括以下步骤：

（1）由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理，得到一束平行光；

（2）步骤（1）得到的平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像；

步骤（1）中所述的光束处理机构包括沿着光束前进方向依次共轴排列的扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜；

步骤（2）中所述的成像透镜优选为凸透镜；

步骤（2）中所述的滤波器优选为高通滤波器；

步骤（2）中所述的利用图像处理技术分析明场像和暗场像的具体步骤为：分析位相物体的明场像和暗场像上的光强分布，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像；

所述的位相物体的位相分布为其中，I(x,y)为暗场像面光强分布，I₀(x,y)为明场像面光强分布；

一种实现上述位相物体位相分布的定量测量方法的装置，包含光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、面阵光电探测器和用于放置位相物体的装置；其中，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜之间；

各部件由光具座或光学平台固定，各部件之间的距离是可调的；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含计算机，计算机与面阵光电探测器连接；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置优选含有两块成像透镜，此时，该装置的结构为：光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜I、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、成像透镜II和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜I之间；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含屏蔽罩，屏蔽罩设置于所有部件的外部，优选设置于成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器的外部；屏蔽罩有利于降低环境光、杂散光对测量光强的影响；

所述的光源优选为单色光源，更优选为各种小功率连续波激光器，如He-Ne激光器及半导体激光器；

所述的光源为复色光源时，所述的装置还包含滤色片，滤色片位于光源和扩束透镜之间；

所述的成像透镜优选为凸透镜；

所述的用于吸收位相物体零级频谱的滤波器优选为高通滤波器；

所述的装置用于实时定量检测位相物体，具体包括以下步骤：

（1）打开光源，如果经过准直透镜的光不是光斑均匀的平行光，则需微调扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜，最终得到一束光斑均匀的平行光；

（2）移开用于吸收位相物体零级频谱的滤波器，将位相物体置于用于放置位相物体的装置中，调节成像透镜与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器的受光面上，得到位相物体的明场像；