專利名稱：雙ccd鏡像重疊調(diào)節(jié)及單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字全息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙CXD鏡像重疊調(diào)節(jié)及單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置。
背景技術(shù)：
數(shù)字全息技術(shù)是融合了傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)和現(xiàn)代計算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)的一種新興相干成像技術(shù)。數(shù)字全息技術(shù)的突出優(yōu)點是可以通過簡單的硬件系統(tǒng)，利用光的干涉原理來獲取被測物體波前的復(fù)振幅，從而進(jìn)行對物體非接觸實時地三維立體成像和測量。因此，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于顯微觀測、微電子機(jī)械和微光學(xué)分析、微生物相襯顯微成像、振動形變測量與信息加密等。在實際檢測應(yīng)用中，特別是用于觀測活體細(xì)胞和微生物檢測中，往往要求數(shù)字全息要有很高的分辨率，并且能夠?qū)崟r地在線測量。在數(shù)字全息技術(shù)中，采用同軸數(shù)字全息記錄光路能夠較好地滿足采樣條件并且充分利用CCD的采樣空間，有效提高檢測結(jié)果的分辨率和精度。但是，由于同軸數(shù)字全息本身的系統(tǒng)特性，通過數(shù)字直接再現(xiàn)的像往往被系統(tǒng)的直透光場和共軛像覆蓋，無法直接得到清晰的檢測結(jié)果。為了解決這一問題，實現(xiàn)同軸數(shù)字全息的實時記錄和再現(xiàn)，目前已有研究人員提出了兩種單曝光相移同軸數(shù)字全息的方案。一種方案是利用空分復(fù)用的原理，在參考光路中插入一個相位從O、3i/2、3T、3 3i/2成周期分布的陣列相移器，使入射參考光的波面在不同像素位置同時產(chǎn)生不同的相移，然后由成像透鏡將相移后的參考光波面成像到CXD上與物光進(jìn)行干涉記錄，最后通過數(shù)字處理，分別提取出四幅不同相移的全息圖。該技術(shù)的不足之處是，改相移器件制作困難，價格昂貴，且通用性較差，另外它對光路的調(diào)節(jié)要求很苛刻，需要使相移器件的每個像素通過成像透鏡成像后要與CCD的像素一一對準(zhǔn)，同時也沒有考慮到參考光經(jīng)相移器件避免調(diào)制的衍射效應(yīng)和成像透鏡引入的光學(xué)畸變等。另一種是采用偏振復(fù)用的原理，在參考光路中放置1/4波片是參考光變?yōu)橄辔幌嗖?2的兩束正交偏正光同時與物光干涉，然后用相鄰像素上貼有正交檢波片的偏振檢波CCD來記錄全息圖，這樣一次記錄就能得到兩幅相位相差n/2的全息圖。該技術(shù)的缺點是需要使用特殊的CCD，給實驗帶來困難，且只能得到兩幅相移全息圖，在解相移方程是條件不充分，因此只能記錄物光強(qiáng)度均勻分布的物體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前已有技術(shù)的缺陷，提供一種基于雙CCD的單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，用于實現(xiàn)對活體細(xì)胞、微生物等相位物體的非接觸式、無損傷、無預(yù)處理的實時三維顯示和測量。該裝置只需要通過兩個CCD同時曝光記錄兩幅相位相差/2的全息圖，就能實像同軸數(shù)字全息的實時記錄和再現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種雙C⑶鏡像重疊調(diào)節(jié)裝置，包括激光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束器、平面反射鏡、平面反射鏡、擴(kuò)束透鏡、分束器、第一 CCD相機(jī)、第二 CCD相機(jī)、計算機(jī)；激光光源發(fā)出線偏振相干光，通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直為平面光，經(jīng)分束器分成兩束平面光，用這兩束平面光作為參考光和物光分別通過參考光光路和物光光路；參考光光路由平面反射鏡構(gòu)成；物光光路由平面反射鏡和擴(kuò)束透鏡構(gòu)成，參考光經(jīng)平面反射鏡反射后通過擴(kuò)束透鏡變?yōu)榍蛎娌?；最后物光和參考光通過分束器合波干涉，分別照射到第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)上；兩CCD通過并行圖像采集卡與計算機(jī)連接；上述光學(xué)元件均通過可調(diào)支架固定；調(diào)節(jié)分束器讓物光和參考光有一定的夾角，使兩CCD記錄得到的數(shù)字全息圖為離軸數(shù)字全息圖；整個光學(xué)系統(tǒng)放置在光學(xué)隔振平臺上。優(yōu)選地，參考光為平面波，物光為球面波，采用離軸數(shù)字全息記錄光路；兩個CCD相機(jī)分別相對于分束器近似鏡像布置，分束器的鏡面與兩個CCD相機(jī)的光敏面呈45°，兩個CCD相機(jī)的光敏面互相垂直；第二 CCD相機(jī)通過三維光學(xué)調(diào)整平臺固定在光學(xué)隔振平臺上，可上下、左右、前后精確調(diào)節(jié)；兩個CCD相機(jī)參數(shù)一致；兩個CCD相機(jī)安放的上下面方向—致。優(yōu)選地，計算機(jī)通過并行圖像采集卡實時讀取兩個CXD相機(jī)的離軸數(shù)字全息圖；由于兩個CCD相機(jī)分別相對于分束器近似鏡像布置,在數(shù)字處理時需先對其中一個CCD相機(jī)上記錄得到全息圖的數(shù)據(jù)矩陣作左右轉(zhuǎn)換處理，使兩幅全息圖的矩陣坐標(biāo)方向一致；利用Matlab軟件程序?qū)煞鶖?shù)字全息圖作頻域濾波提取出兩個球面波的復(fù)振幅，然后將這兩個球面波作數(shù)字干涉疊加，并實時顯示出干涉條紋；根據(jù)實時顯示的干涉條紋，先調(diào)節(jié)第二 CCD相機(jī)前后移動直到干涉條紋為直條紋，此時說明兩個CCD相機(jī)相對分束器的距離相等；上下、左右調(diào)節(jié)第二 CCD相機(jī)使直條紋變寬，直到變?yōu)榘咨珗D像，此時說明兩個CCD相機(jī)相對于分束器鏡像重疊位置調(diào)節(jié)完成。雙CXD鏡像重疊的調(diào)節(jié)方法本發(fā)明中兩個CXD的空間方位相對分束器呈鏡像重疊布置，參照邁克爾遜干涉儀的原理，將光路中的兩個CCD看作是兩個平面反射鏡，而平面反射鏡之間的空間位置可以通過兩塊反射鏡反射光的干涉條紋來判斷，因此可以采用數(shù)字全息的方法對CCD上記錄到的光進(jìn)行數(shù)字干涉來判斷兩個CCD的位置調(diào)節(jié)情況。在光路調(diào)節(jié)時，采用球面波作為物波，平面波作為參考波，在物光和參考光夾角保持一致的條件下，分別記錄下兩CCD上的全息圖，然后通過數(shù)字濾波提取兩個CCD上的球面波光場，再進(jìn)行數(shù)字干涉疊加，觀測干涉條紋的分布情況，若兩個CCD相對分束器的距離相等，則干涉條紋是直條紋，若兩CCD相對分束器的空間方位一致，則條紋的寬度會很寬很稀，最理想的情況就是一個均勻白色圖像，此時說明兩個C⑶相對分束器已經(jīng)調(diào)節(jié)至鏡像重疊位置。一種雙CXD單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，包括激光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束器(4)、平面反射鏡、1/2波片、中性濾光片、平面反射鏡、被測透明相位物體、分束器、偏振檢偏器、兩個CCD相機(jī)、1/4波片、偏振檢偏器、計算機(jī)；激光光源發(fā)出線偏振相干光，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直為平面光，經(jīng)分束器分成兩束平面光，其中一束經(jīng)平面反射鏡反射，經(jīng)1/2波片后光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，再經(jīng)分束器分束后作為參考光；另一束平面光經(jīng)中性濾光片光強(qiáng)衰減，經(jīng)平面反射鏡反射后垂直照射被測透明相位物體，再經(jīng)分束器分束后作為物光。經(jīng)分束器反射的參考光和透射的物光，經(jīng)偏振檢偏器檢偏后干涉，被CCD相機(jī)記錄得到未相移的全息圖；經(jīng)分束器透射的參考光和透反射的物光，此時物光和參考光的偏振方向正交，讓光路中1/4波片的快軸和慢軸的方向分別與物光和參考光的偏振方向一致，那么此時透射出的參考光的相位就發(fā)生了 /2的延遲，而物光的相位不變，最后經(jīng)偏振檢偏器檢偏后干涉，被第二 CXD相機(jī)記錄得到相移后的全息圖。第一 CXD相機(jī)和第二 CXD相機(jī)實時記錄各自的全息圖，同時由計算機(jī)通過雙通道并行圖像采集卡實時讀取和存儲全息圖，并利用倒頻譜再現(xiàn)算法實時再現(xiàn)出被測物體的三維形貌。雙CCD單曝光/2相移的實現(xiàn)方法。根據(jù)激光光源的線偏振特性，利用1/2波片使參考光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ,與物光的偏振方向正交；在其中一個CCD前放置一塊1/4波片，使參考光相位延遲n /2，而物光相位不改變，然后通過偏振檢波片使CCD記錄得到干涉條紋；另一個CCD前只放置偏振檢波片使這個CCD記錄得到干涉條紋，通過該裝置讓兩個CCD同時曝光，就能得到兩幅相位相差Ji/2的全息圖。優(yōu)選地，已知激光光源出射線偏振相干光的偏振方向；分束器和不能改變透射或反射光的偏振方向，不能使用偏振分束器；已知1/2波片的光軸方向，并使其光軸方向與入射參考光的偏振方向呈45° ;中性濾光片不能改變物光的偏振方向和相位；已知1/4波片的快軸和慢軸方向，并使其快軸和慢軸的方向分別與物光和參考光的偏振方向一致；偏振檢偏器和不能改變?nèi)肷涔獾南辔?；兩CCD相機(jī)對分束器鏡像重疊布置，兩個CCD相機(jī)的參數(shù)完全一致；計算機(jī)通過雙通道并行圖像采集卡讀取兩CCD相機(jī)上數(shù)字全息圖像的起始時間和讀取頻率一致。優(yōu)選地，倒頻譜再現(xiàn)算法的原理，該算法成立的前提條件是物光的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于參考光的強(qiáng)度。假設(shè)在一維的情況下，未放置1/4波片的第一 C⑶相機(jī)上記錄得到的全息圖的強(qiáng)度分布可表示為
權(quán)利要求
1.一種雙C⑶鏡像重疊調(diào)節(jié)裝置，包括激光光源(I)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2-3)、分束器(4)、平面反射鏡(5)、平面反射鏡(6)、擴(kuò)束透鏡(7)、分束器(8)、第一 C⑶相機(jī)(9)、第二CCD相機(jī)(10)、計算機(jī)(11);其特征在于激光光源(I)發(fā)出線偏振相干光，通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2-3)擴(kuò)束準(zhǔn)直為平面光，經(jīng)分束器(4)分成兩束平面光，用這兩束平面光作為參考光和物光分別通過參考光光路和物光光路；參考光光路由平面反射鏡(5)構(gòu)成；物光光路由平面反射鏡(6)和擴(kuò)束透鏡(7)構(gòu)成，參考光經(jīng)平面反射鏡(6)反射后通過擴(kuò)束透鏡(7)變?yōu)榍蛎娌ǎ蛔詈笪锕夂蛥⒖脊馔ㄟ^分束器(8)合波干涉，分別照射到第一 CCD相機(jī)(9)和第二C⑶相機(jī)(10)上；兩0 通過并行圖像采集卡與計算機(jī)(11)連接；上述光學(xué)元件均通過可調(diào)支架固定；調(diào)節(jié)分束器(8)讓物光和參考光有一定的夾角，使兩CCD記錄得到的數(shù)字全息圖為離軸數(shù)字全息圖；整個光學(xué)系統(tǒng)放置在光學(xué)隔振平臺上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙CCD鏡像重疊調(diào)節(jié)裝置，其特征在于參考光為平面波，物光為球面波，采用離軸數(shù)字全息記錄光路；兩個CCD相機(jī)分別相對于分束器(8)近似鏡像布置，分束器(8)的鏡面與兩個C⑶相機(jī)的光敏面呈45°，兩個C⑶相機(jī)的光敏面互相垂直；第二 C⑶相機(jī)(10)通過三維光學(xué)調(diào)整平臺固定在光學(xué)隔振平臺上，可上下、左右、前后精確調(diào)節(jié)；兩個CCD相機(jī)參數(shù)一致；兩個CCD相機(jī)安放的上下面方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙C⑶鏡像重疊調(diào)節(jié)裝置，其特征在于計算機(jī)(11)通過并行圖像采集卡實時讀取兩個CCD相機(jī)的離軸數(shù)字全息圖；由于兩個CCD相機(jī)分別相對于分束器(8)近似鏡像布置，在數(shù)字處理時需先對其中一個C⑶相機(jī)上記錄得到全息圖的數(shù)據(jù)矩陣作左右轉(zhuǎn)換處理，使兩幅全息圖的矩陣坐標(biāo)方向一致；利用Matlab軟件程序?qū)煞鶖?shù)字全息圖作頻域濾波提取出兩個球面波的復(fù)振幅，然后將這兩個球面波作數(shù)字干涉疊加，并實時顯示出干涉條紋；根據(jù)實時顯示的干涉條紋，先調(diào)節(jié)第二 CCD相機(jī)(10)前后移動直到干涉條紋為直條紋，此時說明兩個CCD相機(jī)相對分束器的距離相等；上下、左右調(diào)節(jié)第二CCD相機(jī)(10)使直條紋變寬，直到變?yōu)榘咨珗D像，此時說明兩個CCD相機(jī)相對于分束器(8)鏡像重疊位置調(diào)節(jié)完成。
4.一種雙C⑶單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，包括激光光源(I)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2-3)、分束器(4)、平面反射鏡(5)、1/2波片(6)、中性濾光片(7)、平面反射鏡(8)、被測透明相位物體(9)、分束器(10)、偏振檢偏器(11)、第一 (XD相機(jī)(12)、1/4波片(13)、偏振檢偏器(14)、第二 C⑶相機(jī)(15 )、計算機(jī)(16 );其特征在于激光光源(I)發(fā)出線偏振相干光，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2-3)擴(kuò)束準(zhǔn)直為平面光，經(jīng)分束器(4)分成兩束平面光，其中一束經(jīng)平面反射鏡(5)反射，經(jīng)1/2波片(6)后光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，再經(jīng)分束器(10)分束后作為參考光；另一束平面光經(jīng)中性濾光片(7)光強(qiáng)衰減，經(jīng)平面反射鏡(8)反射后垂直照射被測透明相位物體(9)，再經(jīng)分束器(10)分束后作為物光。經(jīng)分束器(10)反射的參考光和透射的物光，經(jīng)偏振檢偏器(11)檢偏后干涉，被第一 C⑶相機(jī)(12)記錄得到未相移的全息圖；經(jīng)分束器(10)透射的參考光和透反射的物光,此時物光和參考光的偏振方向正交，讓光路中1/4波片(13)的快軸和慢軸的方向分別與物光和參考光的偏振方向一致，那么此時透射出的參考光的相位就發(fā)生了 η/2的延遲，而物光的相位不變，最后經(jīng)偏振檢偏器(14)檢偏后干涉，被第二 C⑶相機(jī)(15)記錄得到相移后的全息圖。第一 CXD相機(jī)(12)和第二 CXD相機(jī)(15)實時記錄各自的全息圖，同時由計算機(jī)(16)通過雙通道并行圖像采集卡實時讀取和存儲全息圖，并利用倒頻譜再現(xiàn)算法實時再現(xiàn)出被測物體的三維形貌。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙CCD單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于已知激光光源(I)出射線偏振相干光的偏振方向；分束器(4)和(10)不能改變透射或反射光的偏振方向，不能使用偏振分束器；已知1/2波片(6)的光軸方向，并使其光軸方向與入射參考光的偏振方向呈45° ;中性濾光片(7)不能改變物光的偏振方向和相位；已知1/4波片(13)的快軸和慢軸方向，并使其快軸和慢軸的方向分別與物光和參考光的偏振方向一致；偏振檢偏器(11)和(14)不能改變?nèi)肷涔獾南辔?；? 相機(jī)(12)和(15)對分束器(10)鏡像重疊布置，兩個CXD相機(jī)的參數(shù)完全一致；計算機(jī)(16)通過雙通道并行圖像采集卡讀取兩CCD相機(jī)上數(shù)字全息圖像的起始時間和讀取頻率一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙CCD單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于倒頻譜再現(xiàn)算法的原理，該算法成立的前提條件是物光的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于參考光的強(qiáng)度。假設(shè)在一維的情況下，未放置1/4波片(13)的第一 C⑶相機(jī)(12)上記錄得到的全息圖的強(qiáng)度分布可表示為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙CCD的單曝光同軸數(shù)字全息記錄裝置，屬于數(shù)字全息技術(shù)領(lǐng)域，該裝置采用雙CCD鏡像重疊聯(lián)合記錄和單步相移倒頻譜技術(shù)，實現(xiàn)了同軸數(shù)字全息的實時記錄和再現(xiàn)，可用于動態(tài)地測量較小的透明相位物體，如浮游生物等。其基本原理為激光器發(fā)出激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后分為兩束，其中一束垂直照射透明相位物體形成物光，另一束光經(jīng)1/2波片后偏振方向旋轉(zhuǎn)90°為參考光，此時參物光偏振方向正交；經(jīng)分束器合波，其中一束經(jīng)檢偏器檢偏后干涉被第一CCD相機(jī)記錄，另一束經(jīng)1/4波片后參考光相位延遲π/2，物光相位不變，經(jīng)檢偏器檢偏后干涉被第二CCD相機(jī)記錄；計算機(jī)實時讀取再現(xiàn)出被測物體的三維形貌。
文檔編號G03H1/12GK103034109SQ201210540610
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者潘衛(wèi)清, 潘云, 范玉峰, 朱勇建, 王宇 申請人:浙江科技學(xué)院