一种可柔性变倍的离轴数字全息测量装置的制作方法

本发明涉及一种可柔性变倍的离轴数字全息测量装置，属于激光数字全息与光学检测技术领域。

背景技术：

数字全息术与传统光学全息原理一致，区别在于前者的记录介质是光电转换器件ccd或cmos，代替了传统的全息银盐干板。记录的全息图以数字图像形式存入计算机，然后根据数字全息原理模拟全息图的衍射过程，数值再现得到物光波的复振幅分布。与传统的光学全息相比，数字全息的显著特点是不需要显影、定影与漂白等化学处理过程，对装置的稳定性要求不高，并可以根据复振幅分布同时获得物体定量的强度及相位信息，还可以方便地运用数字图像处理技术对全息图和再现像进行滤波等处理，以提高成像质量。因此，数字全息更有助于进行精确的定量分析与检测。

无透镜数字全息测量是在普通数字全息技术上的改进，简化了记录全息图时所用的成像光路，在被测物体与成像设备之间不再使用透镜。无透镜数字全息成像的一个热门的应用方向是细胞和微结构观测，它相比显微镜成像具有很大的成本优势，结构简单、分辨率高、非接触，并且操作更加的简便。国内诸多高校展开过相应的研究，也取得了一定的成果。硕士论文《无透镜数字全息成像观测实验系统的研制》中，利用自行研制的无透镜全息成像系统对血细胞等进行过研究，硕士论文《数字全息显微成像理论及算法的研究》中设计了一款数字全息显微镜并进行了验证实验，取得了较好的成像结果。专利（公开号cn105954994a）介绍了一种在无透镜数字全息显微成像中采用领域均值滤波算法以及偏微分方程对噪声进行抑制的图像增强方法。目前无透镜数字全息显微测量装置基本存在以下问题：一方面灵活性欠佳，即装置一旦搭建完毕，系统分辨率、数值孔径和放大倍率就唯一确定，可测量对象范围也相应确定且十分有限，操作者无法根据具体测量条件与具体对象进行调节；另一方面工作距离小，因为系统搭建时往往需要以极大地减小工作距离为代价以获得较大的系统分辨能力，在实际应用中弊端突出。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统无透镜数字全息检测装置中系统分辨率、放大倍率与数值孔径单一，操作性差和工作距离小，以及机械移动繁琐和不精确等问题，提出一种可柔性变倍的离轴数字全息测量装置。该系统具有结构简单和稳定、检测成本低、精度高、同时系统分辨率、放大倍率、数字孔径可以根据被测物体需要进行灵活调整等特点。

为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

本发明的一种可柔性变倍的离轴数字全息测量装置，其特征在于，包括激光器1、第一反射镜2、扩束准直单元3、第二反射镜4、电控可变焦透镜5、显微物镜6、分光镜7、平面镜8、成像设备10以及计算机10；

所述电控可变焦透镜5、显微物镜6、分光镜7、平面镜8构成同轴光学系统；被测物体9中心、分光镜7的中心和成像设备10的中心在同一垂直线上。

所述电控可变焦透镜5和显微物镜6组成的光学系统具备将平行光转换成会聚球面光波的能力。

本发明的一种可柔性变倍的离轴数字全息测量装置，包括如下步骤：

利用激光器1产生激光，激光通过第一反射镜2射入至扩束准直单元3；经扩束准直单元3后形成的平行光经第二反射镜4再次反射后，先后通过电控可变焦透镜5和显微物镜6，此后光波经过分光镜7被分裂成两束光波；其中一束光波经平面镜8反射后作为参考光进入成像设备10；另一束光波经被测物体9表面反射后作为物光进入成像设备10；调节平面镜8来控制参考光与物光的夹角，使物光与参考光干涉产生一幅离轴数字全息图并由成像设备10记录；最终通过数值重构算法计算得到被测物体的相位信息。

有益效果：

本发明的一种柔性可变倍的离轴数字全息装置不仅结构紧凑，稳定性好，操作方便，而且能够获得更高的系统分辨能力；其次，根据被测量物体的形貌，通过控制电控可变焦透镜可灵活选择合适的系统分辨率和放大倍率、数字孔径进行观测；此外，操作过程无需机械移动，具有准确、响应速度快速、操作方便的特点。本发明只需采集单幅全息图即可获得微小物体的表面信息，能够实现动态测量。

附图说明

图1为本发明中的实施例装置结构示意图；

图2为本发明的实施例装置在具备较高系统分辨率和放大倍率时的情形之一；

图3为本发明的实施例装置在具备较低系统分辨率和放大倍率时的情形之一；

图4为采用zemax光学设计软件仿真显微物镜6与电控柔性变焦透镜5距离10mm处系统数值孔径变化的仿真光路；

图5为采用zemax光学设计软件仿真显微物镜6与电控柔性变焦透镜5不同距离处，系统数值孔径na值变化情况。

其中，1-激光器、2-第一反射镜、3-扩束准直单元、4-第二反射镜、5-电控可变焦透镜、6-显微物镜、7-分光镜、8-平面镜、9-被测物体、10-成像设备（ccd或者cmos）、11-计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示是实施例装置结构示意图，本装置包括激光器1、第一反射镜2、扩束准直单元3、第二反射镜4、电控可变焦透镜5、显微物镜6、分光镜7、平面镜8、成像设备10以及计算机11组成。具体实施过程中，调整激光器1、第一反射镜2、扩束准直单元3、第二反射镜4、可变焦透镜5、分光镜7、平面镜8构成同轴光学系统；被测物体9、分光镜7和成像设备10的中心在同一竖直线上；调节平面镜8的前后位置，使其到分光镜7的距离和被测物体9到分光镜7的距离相等；调节成像设备10的位置，使其充分靠近分光镜7；通过调节平面镜8的倾斜程度，使得经被测物体9反射回来的物光和经平面镜8反射回来的参考光之间的夹角小于4度；激光器1作为光源产生激光束，并经第一反射镜2反射后进入准直扩束单元3的输入端；激光束进入扩束准直单元3后形成平行光，并传播至第二反射镜4反射入电控可变焦透镜5后产生一束会聚球面光波；根据具体测量需要，直接通过改变变焦透镜4的焦距，无需机械移动即可快速方便实现系统分辨率和放大倍率的连续可调。

图2所示是本发明的实施例装置在具备较高系统分辨率和放大倍率时的情形之一：通过控制电控变焦透镜5进行调焦，使得光束经过电控变焦透镜5和显微物镜6后产生的会聚球面光波经过分光镜7后分成两束会聚球面波，其中一束会聚球面光波在聚焦后变成一束发散球面波，并经平面镜8反射后作为参考光；参考光经过分光镜7后照射到成像设备10上；另一束会聚球面光波在聚焦后变成一束发散球面波，并垂直照射到被测物体9表面，发生反射后作为物光；物光经过分光镜7后照射到成像设备10，并在成像设备10的成像面上发生干涉，由此获得一幅离轴数字全息图。

图3所示是本发明的实施例装置在具备较低系统分辨率和放大倍率时的情形之一：通过控制电控可变焦透镜5进行调焦，此时光束经过电控可变焦透镜5产生的会聚球面光波在聚焦后产生一束发散球面波；发散球面波经过分光镜7后分成两束发散球面波；其中一束发散球面波经平面镜8反射后作为参考光；参考光经过分光镜7后照射到成像设备10上；另一束发散球面波垂直照射到被测物体9表面，发生反射后作为物光；物光经过分光镜7后照射成像设备10，并在成像设备10成像面上与参考光发生干涉，由此获得一幅离轴数字全息图。

图4为采用zemax光学设计软件仿真显微物镜6与电控柔性变焦透镜5距离10mm处系统数值孔径变化的仿真光路。图5给出了显微物镜6与电控柔性变焦透镜5距离不同位置处，系统数值孔径na值变化情况。通过实际需求，固定显微物镜6与电控柔性变焦透镜5之间的相对位置。