[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

说明书

技术领域

本发明属于数字全息检测领域，尤其涉及一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法。

背景技术

数字全息检测技术基于干涉原理，利用CCD或CMOS等图像传感器记录全息(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。传统的数字全息系统采用迈克逊、马赫-曾德尔等分离光路干涉，其参考光束和测量光束经过不同路径，易受外界振动、温度起伏等影响，抗干扰能力差。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.Diffractionphasemicroscopyforquantifyingcellstructureanddynamics.Opt.Lett.2006,31,775-777)提出了一种共路点衍射载波全息技术，在4f光学系统的入射面放置光栅，将通过待测物体的光波衍射分成多个衍射级次，并在频谱面放置空间孔阵列，选取零级光作为参考光并选取+1级光作为物光，进而通过曝光采集获得载波全息图，该技术因为采用共路结构抗干扰能力强，但对空间针孔滤波器阵列中心间距、光栅周期以及透镜焦距相互之间匹配要求较高，且需精确调整，才能保证获得理想全息图。

为提高系统抗干扰能力，简化系统结构，本发明人提出系列基于光栅离焦的双窗口共路干涉检测方法与装置，如ZL201210424239.2“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4f光学系统的频域离焦处放置光栅引入载波，进而获得载波全息图，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行，调整方便的，基于光栅离焦的共路数字全息显微装置。本发明的目的还包括提供一种能够降低确定系统载波频率的复杂度并提高相位恢复算法效率的，一种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法。

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，包括光源1、待测物体2、显微物镜3、校正物镜4、第一透镜5、第二透镜8、图像传感器9和计算机10，还包括一维周期光栅6和孔阵列7，其中λ为光源1发射光束的光波长；

光源1发射的光束经待测物体2、显微物镜3和校正物镜4后入射至第一透镜5，经第一透镜5汇聚后的出射光束通过一维周期光栅6后分成0级衍射光和+1级衍射光，经孔阵列7滤波形成参考光和物光射向第二透镜8，经第二透镜8透射后的汇合光束由图像传感器9的光接收面接收，图像传感器9的图像信号输出端连接计算机10的图像信号输入端；

第一透镜5的焦距为f₁，第二透镜9的焦距都为f₂；

一维周期光栅6的周期为d，位于第一透镜5的后焦f₁-Δf处并且位于第二透镜8的前焦f₂+Δf处，其中Δf为离焦量；

孔阵列7上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，孔阵列7位于第一透镜6和第二透镜8的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f₂λ/D，D为图像传感器的视场宽度。

本发明一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置，还包括：

1、一维周期光栅(6)为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

2、孔阵列(7)的大孔A让0级衍射光全部通过形成物光，针孔B让+1级衍射光滤波通过形成参考光，

或者：大孔A让+1级衍射光全部通过形成物光，针孔B让0级衍射光滤波通过形成参考光。

一种基于光栅离焦的共路数字全息显微方法，包括以下步骤，

步骤一：调整光源，使光源发射的光束经过待测物体、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；

步骤二：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，经孔阵列滤波形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器采集到计算机并被计算机处理；

步骤三：计算待测物体的复振幅c(x,y)：

c(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)Rr(x,y)}·LF}