[发明专利]基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置，其特征在于：包括光源、准直扩束系统、第一透镜、非偏振分光棱镜、平面反射镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，所述光源发射的光束依次经所述准直扩束系统和待测物体后入射至所述第一透镜，经所述第一透镜聚焦后的光束，被所述非偏振分光棱镜分成一束物光和一束参考光；物光照射在所述平面反射镜上，参考光照射在所述小孔反射镜上；经过反射的物光和参考光，再次经过所述非偏振分光棱镜后汇合成一束光束后，经所述第二透镜后生成全息图，同时被所述图像传感器采集到计算机中；

所述第一透镜和所述第二透镜焦距相等；

所述平面反射镜位于距离所述第一透镜和所述第二透镜的共焦平面Δf处，其中Δf为离焦距离，所述小孔反射镜位于所述第一透镜和第二透镜的共焦平面上；

所述平面反射镜可进行轴向的移动以产生不同离焦距离；

所述小孔反射镜在傅里叶平面产生的艾里斑直径为d_p≤1.22λf/D，其中，λ为所述光源的波长，f为所述第一透镜的焦距，D为所述图像传感器的视场宽度。

2.根据权利要求1所述的基于改进迈克尔逊结构的圆载频数字全息检测装置，其特征在于：从待测物体到所述第一透镜之间的光路上依次配置有显微物镜和校正物镜。

3.一种基于权利要求1所述圆载频数字全息检测装置的数字全息检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成物光和参考光，物光和参考光分别被平面反射镜和小孔反射镜反射后共同经过非偏振分光棱镜和第二透镜形成全息图，被图像传感器采集传输到计算机中；

(2)平面反射镜被驱动产生轴向离焦距离Δf，引入圆载频，图像传感器采集待测物体圆载频全息图I₁，在不放入待测物体时，图像传感器采集背景圆载频全息图I₂，I₁和I₂的强度分布为

其中，(x,y)为笛卡尔坐标系下的点坐标，λ为光源的波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距，a(x,y)和b(x,y)分别为笛卡尔坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，为待测物体的相位分布；

(3)确定所述圆载频全息图的条纹中心，对所述圆载频全息图I₁和I₂分别进行二次极坐标变换，公式为

其中，(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的条纹中心点坐标，(ρ,θ)为(x,y)在极坐标系下的点坐标；

(4)得到对应的坐标转换后的线性载频全息图I₁′、I₂′，其强度分布为

I₂′(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)cos[2πf_cρ]

其中，a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为极坐标系下的全息图平均强度和条纹调制度，f_c为相应的线性载频，为极坐标系下待测物体的相位分布；

(5)计算极坐标系下的复振幅r₁(ρ,θ)和r₂(ρ,θ)；

r₁(ρ,θ)＝IFT{FT[I₁′(ρ,θ)]×BPF}

r₂(ρ,θ)＝IFT{FT[I₂′(ρ,θ)]×BPF}

其中，BPF表示带通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

(6)计算极坐标系下的待测物体的相位

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部；

(7)对获得的极坐标系下的待测物体相位进行二次极坐标逆变换，由极坐标系变换为笛卡尔坐标系，求得最终相位分布