一種可柔性變倍的離軸數字全息測量裝置的制作方法

本發明涉及一種可柔性變倍的離軸數字全息測量裝置，屬于激光數字全息與光學檢測技術領域。

背景技術：

數字全息術與傳統光學全息原理一致，區別在于前者的記錄介質是光電轉換器件ccd或cmos，代替了傳統的全息銀鹽干板。記錄的全息圖以數字圖像形式存入計算機，然后根據數字全息原理模擬全息圖的衍射過程，數值再現得到物光波的復振幅分布。與傳統的光學全息相比，數字全息的顯著特點是不需要顯影、定影與漂白等化學處理過程，對裝置的穩定性要求不高，并可以根據復振幅分布同時獲得物體定量的強度及相位信息，還可以方便地運用數字圖像處理技術對全息圖和再現像進行濾波等處理，以提高成像質量。因此，數字全息更有助于進行精確的定量分析與檢測。

無透鏡數字全息測量是在普通數字全息技術上的改進，簡化了記錄全息圖時所用的成像光路，在被測物體與成像設備之間不再使用透鏡。無透鏡數字全息成像的一個熱門的應用方向是細胞和微結構觀測，它相比顯微鏡成像具有很大的成本優勢，結構簡單、分辨率高、非接觸，并且操作更加的簡便。國內諸多高校展開過相應的研究，也取得了一定的成果。碩士論文《無透鏡數字全息成像觀測實驗系統的研制》中，利用自行研制的無透鏡全息成像系統對血細胞等進行過研究，碩士論文《數字全息顯微成像理論及算法的研究》中設計了一款數字全息顯微鏡并進行了驗證實驗，取得了較好的成像結果。專利（公開號cn105954994a）介紹了一種在無透鏡數字全息顯微成像中采用領域均值濾波算法以及偏微分方程對噪聲進行抑制的圖像增強方法。目前無透鏡數字全息顯微測量裝置基本存在以下問題：一方面靈活性欠佳，即裝置一旦搭建完畢，系統分辨率、數值孔徑和放大倍率就唯一確定，可測量對象范圍也相應確定且十分有限，操作者無法根據具體測量條件與具體對象進行調節；另一方面工作距離小，因為系統搭建時往往需要以極大地減小工作距離為代價以獲得較大的系統分辨能力，在實際應用中弊端突出。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決傳統無透鏡數字全息檢測裝置中系統分辨率、放大倍率與數值孔徑單一，操作性差和工作距離小，以及機械移動繁瑣和不精確等問題，提出一種可柔性變倍的離軸數字全息測量裝置。該系統具有結構簡單和穩定、檢測成本低、精度高、同時系統分辨率、放大倍率、數字孔徑可以根據被測物體需要進行靈活調整等特點。

為達到上述目的，本發明通過如下技術方案實現：

本發明的一種可柔性變倍的離軸數字全息測量裝置，其特征在于，包括激光器1、第一反射鏡2、擴束準直單元3、第二反射鏡4、電控可變焦透鏡5、顯微物鏡6、分光鏡7、平面鏡8、成像設備10以及計算機10；

所述電控可變焦透鏡5、顯微物鏡6、分光鏡7、平面鏡8構成同軸光學系統；被測物體9中心、分光鏡7的中心和成像設備10的中心在同一垂直線上。

所述電控可變焦透鏡5和顯微物鏡6組成的光學系統具備將平行光轉換成會聚球面光波的能力。

本發明的一種可柔性變倍的離軸數字全息測量裝置，包括如下步驟：

利用激光器1產生激光，激光通過第一反射鏡2射入至擴束準直單元3；經擴束準直單元3后形成的平行光經第二反射鏡4再次反射后，先后通過電控可變焦透鏡5和顯微物鏡6，此后光波經過分光鏡7被分裂成兩束光波；其中一束光波經平面鏡8反射后作為參考光進入成像設備10；另一束光波經被測物體9表面反射后作為物光進入成像設備10；調節平面鏡8來控制參考光與物光的夾角，使物光與參考光干涉產生一幅離軸數字全息圖并由成像設備10記錄；最終通過數值重構算法計算得到被測物體的相位信息。

有益效果：

本發明的一種柔性可變倍的離軸數字全息裝置不僅結構緊湊，穩定性好，操作方便，而且能夠獲得更高的系統分辨能力；其次，根據被測量物體的形貌，通過控制電控可變焦透鏡可靈活選擇合適的系統分辨率和放大倍率、數字孔徑進行觀測；此外，操作過程無需機械移動，具有準確、響應速度快速、操作方便的特點。本發明只需采集單幅全息圖即可獲得微小物體的表面信息，能夠實現動態測量。

附圖說明

圖1為本發明中的實施例裝置結構示意圖；

圖2為本發明的實施例裝置在具備較高系統分辨率和放大倍率時的情形之一；

圖3為本發明的實施例裝置在具備較低系統分辨率和放大倍率時的情形之一；

圖4為采用zemax光學設計軟件仿真顯微物鏡6與電控柔性變焦透鏡5距離10mm處系統數值孔徑變化的仿真光路；

圖5為采用zemax光學設計軟件仿真顯微物鏡6與電控柔性變焦透鏡5不同距離處，系統數值孔徑na值變化情況。

其中，1-激光器、2-第一反射鏡、3-擴束準直單元、4-第二反射鏡、5-電控可變焦透鏡、6-顯微物鏡、7-分光鏡、8-平面鏡、9-被測物體、10-成像設備（ccd或者cmos）、11-計算機。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發明。

如圖1所示是實施例裝置結構示意圖，本裝置包括激光器1、第一反射鏡2、擴束準直單元3、第二反射鏡4、電控可變焦透鏡5、顯微物鏡6、分光鏡7、平面鏡8、成像設備10以及計算機11組成。具體實施過程中，調整激光器1、第一反射鏡2、擴束準直單元3、第二反射鏡4、可變焦透鏡5、分光鏡7、平面鏡8構成同軸光學系統；被測物體9、分光鏡7和成像設備10的中心在同一豎直線上；調節平面鏡8的前后位置，使其到分光鏡7的距離和被測物體9到分光鏡7的距離相等；調節成像設備10的位置，使其充分靠近分光鏡7；通過調節平面鏡8的傾斜程度，使得經被測物體9反射回來的物光和經平面鏡8反射回來的參考光之間的夾角小于4度；激光器1作為光源產生激光束，并經第一反射鏡2反射后進入準直擴束單元3的輸入端；激光束進入擴束準直單元3后形成平行光，并傳播至第二反射鏡4反射入電控可變焦透鏡5后產生一束會聚球面光波；根據具體測量需要，直接通過改變變焦透鏡4的焦距，無需機械移動即可快速方便實現系統分辨率和放大倍率的連續可調。

圖2所示是本發明的實施例裝置在具備較高系統分辨率和放大倍率時的情形之一：通過控制電控變焦透鏡5進行調焦，使得光束經過電控變焦透鏡5和顯微物鏡6后產生的會聚球面光波經過分光鏡7后分成兩束會聚球面波，其中一束會聚球面光波在聚焦后變成一束發散球面波，并經平面鏡8反射后作為參考光；參考光經過分光鏡7后照射到成像設備10上；另一束會聚球面光波在聚焦后變成一束發散球面波，并垂直照射到被測物體9表面，發生反射后作為物光；物光經過分光鏡7后照射到成像設備10，并在成像設備10的成像面上發生干涉，由此獲得一幅離軸數字全息圖。

圖3所示是本發明的實施例裝置在具備較低系統分辨率和放大倍率時的情形之一：通過控制電控可變焦透鏡5進行調焦，此時光束經過電控可變焦透鏡5產生的會聚球面光波在聚焦后產生一束發散球面波；發散球面波經過分光鏡7后分成兩束發散球面波；其中一束發散球面波經平面鏡8反射后作為參考光；參考光經過分光鏡7后照射到成像設備10上；另一束發散球面波垂直照射到被測物體9表面，發生反射后作為物光；物光經過分光鏡7后照射成像設備10，并在成像設備10成像面上與參考光發生干涉，由此獲得一幅離軸數字全息圖。

圖4為采用zemax光學設計軟件仿真顯微物鏡6與電控柔性變焦透鏡5距離10mm處系統數值孔徑變化的仿真光路。圖5給出了顯微物鏡6與電控柔性變焦透鏡5距離不同位置處，系統數值孔徑na值變化情況。通過實際需求，固定顯微物鏡6與電控柔性變焦透鏡5之間的相對位置。