双波长共路正交载频数字全息检测装置及检测方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种数字全息检测装置及检测方法，特别涉及一种双波长共路正交载频数字全息检测装置与方法。
背景技术
[0002] 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。但由于干涉条纹的正余弦函数分布性质，通过反正切函数再现的物体
相位分布是分布在[-π,π]之间的包裹相位。当待测物体的实际相位跃变超出2π时，将发生
混叠现象，需要进行解包裹处理才能获得待测物体的真实相位分布。虽然目前相位解包裹
算法相对比较成熟，但这些算法多较为复杂、耗时，且受测量情况限制，往往只能解决特定问题。作为相位恢复的另一种方法，双波长照明法利用两束照明光合成一个大于被测样品厚度的等效波长，可获得较大的测量范围，且无须复杂的相位解包裹运算，因而近年受到广泛关注。
[0003] 北京工业大学的江竹青等(王羽佳,江竹青,高志瑞,蔡文苑,伍江涛.双波长数字全息相位解包裹方法研究.光学学报.2012,38(10):78-83)使用两个不同的波长分别记录数字全息图，分别数值再现获得每个波长对应的包裹相位图，再求得两者的
相位差得到等效波长的相位图，进而获得连续的相位分布以消除相位包裹。但因为需要分别记录两个波长的全息图，实时性差。随后，江竹青等公开发明
专利“双波长偏振复用数字全息成像系统及方法”(公开号为CN 104834201A)，将两个不同波长光束调节为具有相互正交偏振态并将两个光束合束后，入射到所配置的离轴双波长数字全息偏振复用记录光路中共路传输，并利用偏振片筛选分离出两对不同波长的物光和参考光，同时记录两幅数字全息图，进而通过双波长形成“合成波长”，实现了对被测样品的无包裹实时观测，但该系统结构复杂，需要级联两个
马赫泽德干涉仪。
[0004] 西安光机所的姚保利等(J.Min,B.Yao,P.Gao,R.Guo,B.Ma,J.Zheng,M.Lei,S.Yan,D.Dan,T.Duan,Y.Yang,and T.Ye.Dual-wavelength slightly off-axis digital holographic microscopy.Applied Optics.2012,51(2):191-196)提出一种双波长轻离轴数字全息技术，分别微调两束正交偏振的参考光以改变其在全息图上干涉条纹的空间载波的
频率和方向，并利用Bayer彩色CCD滤光片的波长选择特性，从一次记录的正交载频彩色全息图中分离出两幅单一波长的全息图，进而完成待测物体实时观测。但是该装置需采用多个偏振元件，同时因为采用分离光路结构，抗干扰能
力有待于进一步提高。
[0005] 韩国D.Y.Kim等(Mohammad Reza Jafarfard,Sucbei Moon,Behnam Tayebi,and Dug Young Kim.Dual-wavelength diffraction phase microscopy for simultaneous measurement of refractive index and thickness.Optics Letters.2014,39(10):2908-2911)提出一种双波长共路离轴点衍射全息技术，在4f光学系统的入射面放置光栅，将双波长待测光波衍射分成多个衍射级次，并在
频谱面放置空间针孔
滤波器阵列，选取零级光作为参考光并分别选取+1级和+2级作为物光，进而通过一次曝光采集含有不同载波的彩色全息图，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要求较高，且因为采用不同衍射级次，获得的各波长全息图
对比度差异较大，需要复杂的算法进行归一化处理。
[0006] 为提高系统抗干扰能力，简化系统结构，本发明的
发明人层提出系列反射式点衍射共路干涉检测方法与装置，如专利公开号CN 103322912A的专利文件中公开的“一种反射式点衍射离轴同步移相干涉检测装置与检测方法”和专利公开号CN 103245285A的专利文件中公开的“一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置及检测方法”，在反射式点衍射干涉系统出射面引入偏振分光棱镜，通过一次曝光获得两幅正交载频干涉图完成实时检测；专利公开号CN 104165582A的专利文件中公开的“一种基于反射光栅的
相移点衍射干涉检测装置及方法”在反射式点衍射干涉系统频谱面引入反射光栅，通过一次曝光获得三幅相移干涉图完成实时检测，但这些方法均采用单波长照明。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种将二向分光技术和载波点衍射干涉技术相结合的双波长共路正交载频数字全息检测装置。本发明的目的还在于提供一种双波长共路正交载频数字全息检测方法。
[0008] 本发明的双波长共路正交载频数字全息检测装置包括波长为λa的
光源、波长为λb的光源、第一非偏振分光棱镜、
准直扩束系统、第一透镜、第二非偏振分光棱镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，λa>λb，还包括二向色镜、第一反射镜和第二反射镜，两个光源发射的光束经过第一非偏振分光棱镜汇合成一束后，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和第二非偏振分光棱镜后，分成反射的参考光和透射的物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过二向色镜后分成双波长物光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上并被反射，再次经过二向色镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜形成一幅正交载频全息图，被图像传感器采集到计算机中；所述的小孔反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且反射面大小与波长λb在傅里叶平面产生的
艾里斑直径大小d一致，其中d<1.22λf/D、f为第一透镜的焦距、D为图像传感器的视场宽度；第一反射镜和第二反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且第一反射镜的法线在
水平方向与光轴成θa
角，第二反射镜的法线在垂直方向与光轴成θb角，或第一反射镜的法线在垂直方向与光轴成θa角，第二反射镜的法线在水平方向与光轴成θb角；所有参数的下标参数与光源波长的下标参数对应。
[0009] 本发明的双波长共路正交载频数字全息检测装置还可以包括：
[0010] 1、二向色镜与光轴法平面成45°。
[0011] 2、待测物体和第一透镜之间依次放置显微物镜和校正物镜，该方法可应用于显微测量中。
[0012] 本发明的双波长共路正交载频数字全息检测方法包括如下步骤：
[0013] (1)调整两光源，使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过第一非偏振分光棱镜汇合一束后，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和第二非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过二向色镜后分成双波长物光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上并被反射，再次经过二向色镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜；调整第一反射镜和第二反射镜，使λa和λb的载频方向调节至正交，形成一幅正交载频全息图I，并被图像传感器采集到计算机中；
[0014] (2)计算待测物体的复振幅ci(x,y)：
[0015] ci(x,y)＝IFT{FT[I(x,y)]×Fi}
[0016] 其中，i＝a、b，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；
[0017] (3)计算单波长的待测物体包裹相位：
[0018]
[0019] 其中，Im和Re分别表示取
虚部和
实部；2πfix为载波相位，fi＝sin2θi/λi为干涉条纹
载波频率；
[0020] (4)计算待测物体的相位为:
[0021] 双波长共路正交载频数字全息检测方法有以下特点和有益效果：
[0022] 1.在反射式载波点衍射共路结构
基础上，引入双波长照明技术和二向分光技术，通过一次曝光采集一幅双波长载频正交的全息图，并通过频域分离完成待测相位恢复，在保证抗干扰能力和无包裹实时检测同时，方法简单易行，不需要任何偏振元件、空间滤波器阵列等特殊光学元件，这是区别于
现有技术的创新点之一；
[0023] 2.通过二向色镜分离双波长，只需利用双反射镜偏转不同方向即可在全息图中引入双波长正交载频，不仅双波长全息图对比度相同，而且只需黑白图像传感器记录全息图，并通过简单算法完成双波长全息图分离，这是区别于现有技术的创新点之二。
[0024] 本发明的装置有如下显著特点：
[0025] 1.本发明装置结构简单，成本低，不需任何偏振元件、空间滤波器阵列等特殊光学元件；
[0026] 2.本发明装置采用反射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，
稳定性好；
[0027] 3.本发明装置在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何实验器件，操作方便灵活，系统复杂性低。
附图说明
[0028] 图1为双波长共路正交载频数字全息检测装置结构示意图；
[0029] 图2为双波长共路正交载频数字全息显微检测装置结构示意图；
[0030] 图3为待测物体的相位；
[0031] 图4为双波长正交载频的全息图；
[0032] 图5为双波长正交载频的全息图的频谱
[0033] 图6为利用波长λa的全息图恢复的待测物体的包裹相位分布；
[0034] 图7为利用波长λb的全息图恢复的待测物体的包裹相位分布；
[0035] 图8为利用双波长解包裹算法恢复的待测物体的解包裹相位分布。
具体实施方式
[0036] 图1所示的为一种双波长共路正交载频数字全息检测装置。包括波长为λa的光源1和波长为λb的光源2、第一非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、待测物体5、第一透镜6、第二非偏振分光棱镜7、小孔反射镜8、第二透镜12、图像传感器13，还设有二向色镜9、第一反射镜10和第二反射镜11。两个光源发射的光束经过第一非偏振分光棱镜汇合一束后，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和第二非偏振分光棱镜后，分成反射的参考光和透射的物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过二向色镜后分成双波长物光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上并被反射，再次经过二向色镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜形成一幅正交载频全息图，被图像传感器采集到计算机中；所述的小孔反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且反射面大小与较短波长在傅里叶平面产生的艾里斑大小一致；第一反射镜和第二反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且第一反射镜的法线在水平方向与光轴成θa角，第二反射镜的法线在垂直方向与光轴成θb角，或第一反射镜的法线在垂直方向与光轴成θa角，第二反射镜的法线在水平方向与光轴成θb角。
[0037] 二向色镜按照与光轴法平面成45°夹角放置。
[0038] 图2所示的为双波长共路正交载频数字全息显微检测装置。它是在图1所示的双波长共路正交载频数字全息检测装置的基础上，在待测物体和第一透镜之间依次放置显微物镜和校正物镜，该装置可应用于显微测量中。
[0039] 一种双波长共路正交载频数字全息检测方法，包括如下步骤：
[0040] (1)调整两光源使两光源分别发射波长为λa和λb光束，经过第一非偏振分光棱镜汇合一束后，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和第二非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过二向色镜后分成双波长物光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上并被反射，再次经过二向色镜后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜；调整第一反射镜和第二反射镜，使λa和λb的载频方向调节至正交，形成一幅正交载频全息图I，并被图像传感器采集到计算机中；
[0041] (2)计算待测物体的复振幅ci(x,y)：
[0042] ci(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)}·Fi}
[0043] 其中，i＝a、b，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换。
[0044] (3)计算单波长的待测物体包裹相位：
[0045]
[0046] 其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；2πfix为载波相位，fi＝sin2θi/λi为干涉条纹载波频率。
[0047] (4)计算待测物体的相位为:
[0048] 下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。
[0049] 本发明的装置包括：光源1、光源2、非偏振分光棱镜3、准直扩束系统4、待测物体5、第一透镜6、非偏振分光棱镜7、小孔反射镜8、二向色镜9、第一反射镜10、第二反射镜11、第二透镜12、图像传感器13，其中光源1为波长632.8nm
激光器；光源2为波长514nm激光器；待测物体5位于第一透镜6的前焦面上；小孔反射镜8、第一反射镜10和第二反射镜11位于第一透镜6第二透镜12的共轭焦平面上；第一透镜6和第二透镜12的焦距均为f＝200mm；图像传感器13位于第二透镜12的后焦面上；小孔反射镜8的反射区域直径为dp≤1.22λf/D(λ为双波长中较短波长，D为窗口直径)。待测物体5和第一透镜6之间还可以依次放置显微物镜14和校正物镜15，该方法可应用于显微测量中。
[0050] 本发明的检测方法的具体实施方式如下：光源1和2分别发射的光束经第一非偏振分光棱镜3汇合一束后，依次经过准直扩束系统4、待测物体5、第一透镜6和第二非偏振分光棱镜7后，分成反射的参考光和透射的物光；参考光照射在小孔反射镜8上并被反射；物光经过二向色镜9后分成双波长物光，分别照射在第一反射镜10和第二反射镜11上并被反射，再次经过二向色镜8后合成一束物光；经过反射的参考光和物光经非偏振分光棱镜7汇合成一束后通过第二透镜12形成一幅正交载频全息图，被图像传感器13采集到计算机中。
[0051] 被图像传感器13采集到的干涉图像可表示为I，被测物体的复振幅：
[0052] ci(x,y)＝IFT{FT{I(x,y)}·Fi}
[0053] 其中，i＝a、b，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换。
[0054] 计算单波长的待测物体包裹相位：
[0055]
[0056] 其中，Im和Re分别表示取虚部和实部；2πfix为载波相位，fi＝sin2θi/λi为干涉条纹载波频率。
[0057] 计算待测物体的相位为:
[0058] 此实施实例具有非常好的稳定性，相位恢复仅需要一幅干涉全息图，在保证抗干扰能力和无包裹实时检测同时，方法简单易行，不需要任何偏振元件、空间滤波器阵列等特殊光学元件，系统的复杂度进一步降低了。
