基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统及方法，该系统包括光学成像子系统和用于控制光学成像子系统工作的同步控制子系统，光学成像子系统包括依次设置的脉冲激光器、激光衰减器、转向装置、光束传递装置和全息成像装置；同步控制子系统包括工控主机和同步控制器；该方法包括步骤：一、搭建全息显微成像系统；二、脉冲激光器与数字相机的同步控制；三、获取全息图数据；四、试样表面三维形貌全息图像显示。本发明专利技术设计新颖，通过对脉冲激光器和数字相机的同步控制，获取高频微振动试样全息图，利用四个分束镜完成光路干涉，避免了光路中由自身部件引起反射杂散光进入全息图，全息图质量高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字全息显微成像
，具体涉及一种基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统及方法。
技术介绍
随着计算机和数字相机技术的进步而迅速发展起来的数字全息技术，不仅继承了全息技术可以记录、再现光场相位的优点，而且实现了光场记录、存储和再现的全数字化，因而应用广泛。其中全息技术与显微技术交融形成的数字全息显微术，其应用已涵盖了形貌测量、微电路检测、粒度分析、生物细胞观测、变形和振动测量，以及零部件缺陷检测等领域，并取得了一些成果；其中反射式数字全息显微成像技术主要应用于微小物体表面的三维形貌测量，由于通过精确的三维形貌测量，可以得到比如物体结构特征、表面面型、球面圆度、表面粗糙度、表面平整度及波纹度等多项重要的指标同时由于数字全息显微成像技术具有的独特优势，可以测量具有一定深度甚至微米级深度的形貌等。但是，当需要拍摄或者观测的是变化频率较快的微振动或者波动时，普通连续的激光器就无法满足对动态的捕捉，另外，目前的数字全息显微应用的最大难度是如何有效地提高数字再现图像质量，数字图像的噪声主要来源于图像的获取和传输过程，现有的研究针对各种数字图像的噪声进行分析时，提出了相应的算法对数字图像的噪声进行消除，过程复杂。因此需要一种可以实现测量高频微振动物体的表面形貌的反射式数字全息显微成像系统及方法，通过用脉冲激光器来弥补由于数字相机的曝光时间过长无法捕捉其相对瞬态全息图以及曝光时间相对短时进光量又不够的问题，同时改变传统全息成像装置，增加分束镜完成光路干涉，减少光路中由自身部件引起反射杂散光进入全息图，降低全息图数据重构前原始数据带来的噪声。专利技术内容本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其设计新颖合理，结构简单，利用四个分束镜完成光路干涉，避免了光路中由自身部件引起反射杂散光进入全息图，全息图质量高，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：包括光学成像子系统和用于控制所述光学成像子系统工作的同步控制子系统，所述光学成像子系统包括依次设置的脉冲激光器、激光衰减器、转向装置、光束传递装置和全息成像装置，所述全息成像装置包括第一分束镜、设置在第一分束镜物光光路上的第二分束镜和设置在第一分束镜参考光光路上的第三分束镜，物光经过第二分束镜和显微物镜照射在高频微振动的固体试样上，试样安装在试样固定台上，参考光经过第三分束镜照射在与参考光光束相垂直设置的第一反射镜上，试样上反射回第二分束镜的物光与第一反射镜上反射回第三分束镜的参考光经第四分束镜合束进行干涉形成全息图，第四分束镜合束的光路上设置有用于采集所述全息图的数字相机；所述同步控制子系统包括工控主机和与工控主机输出端相接的同步控制器，数字相机的输入端和脉冲激光器的输入端均与同步控制器的输出端相接，数字相机的输出端与工控主机的输入端相接。上述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜和第四分束镜均与光束延伸方向倾斜设置，第一分束镜与第四分束镜相平行设置，第二分束镜和第三分束镜相平行设置，第一分束镜与第二分束镜相垂直设置。上述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述第一分束镜采用透射光与反射光的分束比为9：1的分束镜。上述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述激光衰减器包括依次设置在脉冲激光器的光源延伸方向的半波片和格兰棱镜。上述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述转向装置由可调节光束方向的第二反射镜和第三反射镜组成。上述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述光束传递装置包括依次设置的扩束镜和准直镜。同时，本专利技术还公开了一种方法步骤简单、设计合理的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、搭建全息显微成像系统：调整试样检测表面，在光学平台上安装所述光学成像子系统对试样表面进行全息成像，将脉冲激光器和数字相机连接同步控制器，同时将数字相机与工控主机连接，初始化所述同步控制子系统；步骤二、脉冲激光器与数字相机的同步控制，过程如下：步骤201、采用工控主机设置数字相机的曝光时间，采用同步控制器设置脉冲激光器的第一延时时间和数字相机的第二延时时间；步骤202、打开脉冲激光器预热使脉冲激光器闪光，同时数字相机延时待工作，脉冲激光器预热的过程中消耗步骤201中设置的第一延时时间，数字相机延时待工作的过程中消耗步骤201中设置的第二延时时间；步骤203、同步控制器控制脉冲激光器的激光束达到脉冲宽度时发射激光束，同时控制数字相机进行一次曝光；步骤三、获取全息图数据，过程如下：步骤301、激光衰减器对步骤203中脉冲激光器发射的激光束进行旋转并衰减，衰减后的激光束由转向装置调整激光束的传播方向，再经光束传递装置达到第一分束镜；步骤302、第一分束镜将接收到的激光束分成物光和参考光，物光经过第二分束镜，一束透射后经显微物镜照射在试样上，另一束反射到光路外；参考光经过第三分束镜，一束透射后经第一反射镜反射，另一束反射到光路外；试样反射回的物光经过合束作用的第四分束镜，一束反射向数字相机与第一反射镜反射回的参考光干涉，另一束物光透射到光路外；步骤303、数字相机对步骤302中干涉后形成的全息图进行记录，并将记录的全息图数据传输至工控主机；步骤四、试样表面三维形貌全息图像显示：首先，工控主机采用菲涅耳变换重建法对数字相机采集回来的全息图数据进行重构，获取全息图的幅值和相位数据；然后，工控主机采用相位解包裹和相位补偿的算法再现全息图平面相位分布；最后，通过工控主机显示试样表面三维形貌全息图像。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术采用的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，结构简单，设计合理，实现方便。2、本专利技术采用的全息成像装置利用四个分束镜完成光路，与传统的反射式显微全息光路中只用三个分束镜相比，避免了光路中由自身部件引起的来回反射的杂散光进入数字相机，减少了数字相机采集的全息图数据噪声，提高了全息图的质量，使用效果好。3、本专利技术采用的全息成像装置在参考光路中采用第一反射镜补偿参考光的光程，增加了激光的相干效率，解决了脉冲激光器相干距离短的问题。4、本专利技术采用的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像方法，步骤简单，通过同步控制器对脉冲激光器和数字相机的同步控制，获取高频微振动固体样品表面瞬态不同时刻的全息图，然后通过工控机重构微振动试样全息图的相位和幅值，以及再现全息图平面相位分布，三维形貌全息图像显示，测量精度高。综上所述，本专利技术设计新颖合理，通过对脉冲激光器和数字相机的同步控制，获取高频微振动试样全息图，利用四个分束镜完成光路干涉，避免了光路中由自身部件引起反射杂散光进入全息图，全息图质量高，便于推广使用。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术采用的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统的结构示意图。图2为现有技术中反射式数字全息显微成像系统的结构示意图。。图3为本专利技术基于脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：包括光学成像子系统和用于控制所述光学成像子系统工作的同步控制子系统，所述光学成像子系统包括依次设置的脉冲激光器(1)、激光衰减器、转向装置、光束传递装置和全息成像装置，所述全息成像装置包括第一分束镜(8)、设置在第一分束镜(8)物光光路上的第二分束镜(9)和设置在第一分束镜(8)参考光光路上的第三分束镜(13)，物光经过第二分束镜(9)和显微物镜(10)照射在高频微振动的固体试样(11)上，试样(11)安装在试样固定台(12)上，参考光经过第三分束镜(13)照射在与参考光光束相垂直设置的第一反射镜(14)上，试样(11)上反射回第二分束镜(9)的物光与第一反射镜(14)上反射回第三分束镜(13)的参考光经第四分束镜(15)合束进行干涉形成全息图，第四分束镜(15)合束的光路上设置有用于采集所述全息图的数字相机(16)；所述同步控制子系统包括工控主机(18)和与工控主机(18)输出端相接的同步控制器(17)，数字相机(16)的输入端和脉冲激光器(1)的输入端均与同步控制器(17)的输出端相接，数字相机(16)的输出端与工控主机(18)的输入端相接。...

【技术特征摘要】
1.基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：包括光学成像子系统和用于控制所述光学成像子系统工作的同步控制子系统，所述光学成像子系统包括依次设置的脉冲激光器(1)、激光衰减器、转向装置、光束传递装置和全息成像装置，所述全息成像装置包括第一分束镜(8)、设置在第一分束镜(8)物光光路上的第二分束镜(9)和设置在第一分束镜(8)参考光光路上的第三分束镜(13)，物光经过第二分束镜(9)和显微物镜(10)照射在高频微振动的固体试样(11)上，试样(11)安装在试样固定台(12)上，参考光经过第三分束镜(13)照射在与参考光光束相垂直设置的第一反射镜(14)上，试样(11)上反射回第二分束镜(9)的物光与第一反射镜(14)上反射回第三分束镜(13)的参考光经第四分束镜(15)合束进行干涉形成全息图，第四分束镜(15)合束的光路上设置有用于采集所述全息图的数字相机(16)；所述同步控制子系统包括工控主机(18)和与工控主机(18)输出端相接的同步控制器(17)，数字相机(16)的输入端和脉冲激光器(1)的输入端均与同步控制器(17)的输出端相接，数字相机(16)的输出端与工控主机(18)的输入端相接。2.按照权利要求1所述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述第一分束镜(8)、第二分束镜(9)、第三分束镜(13)和第四分束镜(15)均与光束延伸方向倾斜设置，第一分束镜(8)与第四分束镜(15)相平行设置，第二分束镜(9)和第三分束镜(13)相平行设置，第一分束镜(8)与第二分束镜(9)相垂直设置。3.按照权利要求1或2所述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述第一分束镜(8)采用透射光与反射光的分束比为9：1的分束镜。4.按照权利要求3所述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述激光衰减器包括依次设置在脉冲激光器(1)的光源延伸方向的半波片(2)和格兰棱镜(3)。5.按照权利要求3所述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述转向装置由可调节光束方向的第二反射镜(4)和第三反射镜(5)组成。6.按照权利要求3所述的基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统，其特征在于：所述光束传递装置包括依次设置的扩束...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宏伟，王星，张广明，王豆豆，董明，张一澍，王浩添，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61