基于分光瞳的反射式共路数字全息装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置与方法，属于数字全息检测领域。平行光束经过第一透镜、分光瞳的入射光瞳和物镜后，平行斜入射在待测物体上，经待测物反射后依次经过物镜、分光瞳的出射光瞳后，经反射光栅反射并衍射分光后，经过掩膜板滤波后形成物光和参考光，经果第二透镜后两光束汇合后形成载波干涉图，被图像传感器采集并上传计算机中，利用计算机计算待测物体相位。该发明专利技术结构简单，无需三维扫描机构，更适合散射物体三维定量、高分辨实时测量，采用共光路结构，增强了结构的抗干扰能力。

Reflection type common path digital holography device and method based on pupil

The invention relates to a reflective common-path digital holographic device and method based on a spectroscopic pupil, belonging to the field of digital holographic detection. After passing through the pupil of the first lens, the incident pupil of the splitter and the objective lens, the parallel beam obliquely incident on the object to be measured. After reflecting through the pupil of the objective lens and the splitter in turn, the parallel beam is reflected by the reflecting grating, diffracted and splitted. After filtering through the mask plate, the object light and the reference light are formed. Carrier interferogram is formed after the beam converges. The interferogram is collected by image sensor and uploaded to computer. The phase of the object to be measured is calculated by computer. The invention has the advantages of simple structure, no need of three-dimensional scanning mechanism, more suitable for three-dimensional quantitative and high-resolution real-time measurement of scattering objects, adopting common light path structure, and enhancing the anti-interference ability of the structure.

【技术实现步骤摘要】
基于分光瞳的反射式共路数字全息装置与方法
本专利技术属于光学干涉检测领域，特别涉及一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置与方法。
技术介绍
数字全息是一种非接触、高精度的全场定量三维测量方法，被广泛的应用于光学表面形变、厚度以及细胞测量。数字全息基于干涉原理，常采用离轴法、时间相移法及同步相移法等。相移法通过物光和参考光同轴干涉，可充分利用图像传感器的空间带宽，但时间相移法需记录时间序列的多幅相移干涉图，实时性差，无法测量动态物体，同时易引入随机相位噪声；同步相移法通过一次曝光采集多幅相移干涉图，实时性强，但图像传感器的视场利用率低，或者需要多个相机。离轴干涉法，通过在物光和参考光之间引入倾角，使干涉图产生载波，从而将恢复相位所需的项与干扰项分离，利用一幅干涉图即可恢复出待测物体的相位，具有较强的实时性。根据光路结构，数字全息技术可以分为分光路结构和共光路结构。分光路结构利用分光元件将光束分成两束，一束光到达被测物体形成物光，而另一束直接作为参考光，两束光在不同的光路中传播，这样由环境噪声、振动等的干扰对两束光的影响不同，使得干涉误差较大；共光路结构采用特殊的元件和装置，使得物光和参考光能够在相同的光路中传播，消除了外界干扰对干涉结果的影响，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。根据被测物的不同，数字全息技术又可分为反射式和透射式。反射式结构主要用来测量不透明的物体，透射式结构主要用来测量透明物体。随着工业化的发展，集成化、微型化已经成为发展趋势，反射式数字全息技术引起了广泛关注。但测量光在物体表面发生反射时，由于物体表面形貌复杂，在测量的同时常引入一些杂散光，严重影响着待测物体的成像测量质量。北京理工大学的赵维谦等提出一种基于分光瞳的共焦显微装置，如ZL201310404307.3“一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法与装置”，利用分光瞳分割物镜窗口，分别作为入射光瞳和出射光瞳，使光束斜聚焦于待测物体，有效的抑制了待测样品的表面杂散光。但该装置采用光聚焦点测量结构，在完成三维测量时，不仅结构复杂、成本高，而且实时性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述技术的不足之处，提供一种可抑制杂散光的基于分光瞳的反射式共路数字全息装置，且还提供一种满足和适用上述装置的基于分光瞳的反射式共路数字全息方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置，包括光源、准直扩束系统，该装置还包括第一透镜、分光瞳、物镜、反射光栅、掩膜板、第二透镜、图像传感器和计算机；光源发射的光束经准直扩束系统后，依次经过第一透镜、分光瞳、物镜斜入射在待测物体上，经待测物体反射后，再依次经过物镜、分光瞳后，被反射光栅反射并衍射分光后，依次经过掩膜板和第二透镜后，由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的后焦面与物镜的前焦面共平面，物镜的共轭前焦面与第二透镜前焦面共平面；分光瞳紧邻物镜的入射口平面；待测物体在物镜的后焦面放置；反射光栅与光轴方向成45°角倾斜放置，且在物镜与掩膜板之间放置；掩膜板在第二透镜的前焦平面放置；图像传感器在第二透镜的后焦平面放置。本专利技术还包括：1.分光瞳分为入射光瞳A和出射光瞳B，且入射光瞳A与第一透镜共光轴，出射光瞳B与第二透镜共光轴。2.反射光栅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。3.掩膜板的大孔C让0级衍射光全部通过形成物光，针孔D让+1或-1级衍射光滤波通过形成参考光，或者大孔C让+1或-1级衍射光全部通过形成物光，针孔D让0级衍射光滤波通过形成参考光。一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置的全息方法，包括如下步骤：调整光源，使光源发射的光束经过准直扩束系统准直扩束后形成平行光，依次经过第一透镜、分光瞳的入射光瞳和物镜后，平行斜入射在待测物体上，经待测物体反射后，依次经过物镜、分光瞳的出射光瞳，被反射光栅反射并衍射形成多级衍射光，经过掩膜板后形成物光和参考光，经过第二透镜后两光束汇合形成载波干涉图，被图像传感器采集并上传到计算机中；利用载波恢复算法恢复待测物体的三维形貌。基于分光瞳的反射式共路数字全息方法有以下特点和有益效果：1.相对于数字全息技术，本专利技术利用分光瞳，将入射光束由垂直入射变换成斜入射，有效抑制样品表面的杂散光，从而更适合散射物体测量，这是区别于现有技术的创新点之一；2.相对于分光瞳共焦技术，本专利技术将斜入射聚焦光束替换为斜入射平行光束，并引入干涉技术，通过一次曝光完成三维定量测量，不仅测量效率高，而且结构简单、成本低，这是区别于现有技术的创新点之二。本专利技术的装置有如下显著特点：1.本专利技术装置适合散射物体全场定量三维测量；2.本专利技术装置结构简单，无需三维扫描机构。3.本专利技术装置为共光路结构。附图说明图1为一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置结构图；图2为分光瞳结构示意图；图3为掩膜板结构示意图；图4为载波干涉图；图5为待测物体恢复相位图。具体实施方式图中件号说明：1光源、2准直扩束系统、3第一透镜、4分光瞳、5物镜、6待测物体、7反射光栅、8掩膜板、9第二透镜、10图像传感器、11计算机。图1所示一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置，包括光源、准直扩束系统、第一透镜、分光瞳、物镜、反射光栅、掩膜板、第二透镜、图像传感器和计算机。按照光的路径描述，光源发射的激光光束经过准直扩束系统后形成平行光，经过第一透镜、分光瞳和物镜后，平行斜入射在待测物体上，经过待测物体反射后，再依次经过物镜和分光瞳后，被反射光栅反射并衍射分光后，依次经过掩膜板和第二透镜，由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的后焦面与物镜的前焦面共平面，物镜的共轭前焦面与第二透镜前焦面共平面；分光瞳紧邻物镜的入射口平面；待测物体在物镜的后焦面放置；反射光栅与光轴方向成45°倾斜放置，且在物镜与掩膜板之间放置；掩膜板在第二透镜的前焦平面放置；图像传感器在第二透镜的后焦平面放置。分光瞳分为入射光瞳A和出射光瞳B，且入射光瞳A与第一透镜共光轴，出射光瞳B与第二透镜共光轴。反射光栅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。掩膜板的大孔C让0级衍射光全部通过形成物光，针孔D让+1(或-1)级衍射光滤波通过形成参考光，或者大孔C让+1(或-1)级衍射光全部通过形成物光，针孔D让0级衍射光滤波通过形成参考光。一种基于分光瞳的反射式共路数字全息方法，包括如下步骤：调整光源，使光源发射的光束经过准直扩束系统准直扩束后形成平行光，依次经过第一透镜、分光瞳的入射光瞳和物镜后，平行斜入射在待测物体上，经待测物体反射后，依次经过物镜、分光瞳的出射光瞳，被反射光栅反射并衍射形成多级衍射光，经过掩膜板后形成物光和参考光，经过第二透镜后两光束汇合形成载波干涉图，被图像传感器采集并上传到计算机中；利用载波恢复算法恢复待测物体的三维形貌。下面结合附图对本专利技术的实施实例作详细说明。本专利技术的装置包括：光源1、准直扩束系统2、第一透镜3、分光瞳4、物镜5、反射光栅7、掩膜板8、第二透镜9、图像传感器10和计算机11。其中光源为波长632.8nm的He-Ne激光；第一透镜3、物镜5和第二透镜9的焦距均为f＝20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置，包括光源(1)、准直扩束系统(2)，其特征在于：该装置还包括第一透镜(3)、分光瞳(4)、物镜(5)、反射光栅(7)、掩膜板(8)、第二透镜(9)、图像传感器(10)和计算机(11)；光源(1)发射的光束经准直扩束系统(2)后，依次经过第一透镜(3)、分光瞳(4)、物镜(5)斜入射在待测物体(6)上，经待测物体(6)反射后，再依次经过物镜(5)、分光瞳(4)后，被反射光栅(7)反射并衍射分光后，依次经过掩膜板(8)和第二透镜(9)后，由图像传感器(10)的光接收面接收，图像传感器(10)的图像信号输出端连接计算机(11)的图像信号输入端；所述的第一透镜(3)的后焦面与物镜(5)的前焦面共平面，物镜(5)的共轭前焦面与第二透镜(8)前焦面共平面；分光瞳(4)紧邻物镜(5)的入射口平面；待测物体(6)在物镜(5)的后焦面放置；反射光栅(7)与光轴方向成45°角倾斜放置，且在物镜(5)与掩膜板(8)之间放置；掩膜板(8)在第二透镜(9)的前焦平面放置；图像传感器(10)在第二透镜(9)的后焦平面放置。

【技术特征摘要】
1.一种基于分光瞳的反射式共路数字全息装置，包括光源(1)、准直扩束系统(2)，其特征在于：该装置还包括第一透镜(3)、分光瞳(4)、物镜(5)、反射光栅(7)、掩膜板(8)、第二透镜(9)、图像传感器(10)和计算机(11)；光源(1)发射的光束经准直扩束系统(2)后，依次经过第一透镜(3)、分光瞳(4)、物镜(5)斜入射在待测物体(6)上，经待测物体(6)反射后，再依次经过物镜(5)、分光瞳(4)后，被反射光栅(7)反射并衍射分光后，依次经过掩膜板(8)和第二透镜(9)后，由图像传感器(10)的光接收面接收，图像传感器(10)的图像信号输出端连接计算机(11)的图像信号输入端；所述的第一透镜(3)的后焦面与物镜(5)的前焦面共平面，物镜(5)的共轭前焦面与第二透镜(8)前焦面共平面；分光瞳(4)紧邻物镜(5)的入射口平面；待测物体(6)在物镜(5)的后焦面放置；反射光栅(7)与光轴方向成45°角倾斜放置，且在物镜(5)与掩膜板(8)之间放置；掩膜板(8)在第二透镜(9)的前焦平面放置；图像传感器(10)在第二透镜(9)的后焦平面放置。2.根据权利要求1所述的一种基于分光瞳的反射式共路数字全...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟志，赵鸿洁，单明广，刘彬，张雅彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23