本發(fā)明涉及一種可柔性變倍的離軸數(shù)字全息測(cè)量裝置，屬于激光數(shù)字全息與光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

數(shù)字全息術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)全息原理一致，區(qū)別在于前者的記錄介質(zhì)是光電轉(zhuǎn)換器件ccd或cmos，代替了傳統(tǒng)的全息銀鹽干板。記錄的全息圖以數(shù)字圖像形式存入計(jì)算機(jī)，然后根據(jù)數(shù)字全息原理模擬全息圖的衍射過程，數(shù)值再現(xiàn)得到物光波的復(fù)振幅分布。與傳統(tǒng)的光學(xué)全息相比，數(shù)字全息的顯著特點(diǎn)是不需要顯影、定影與漂白等化學(xué)處理過程，對(duì)裝置的穩(wěn)定性要求不高，并可以根據(jù)復(fù)振幅分布同時(shí)獲得物體定量的強(qiáng)度及相位信息，還可以方便地運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)全息圖和再現(xiàn)像進(jìn)行濾波等處理，以提高成像質(zhì)量。因此，數(shù)字全息更有助于進(jìn)行精確的定量分析與檢測(cè)。

無透鏡數(shù)字全息測(cè)量是在普通數(shù)字全息技術(shù)上的改進(jìn)，簡(jiǎn)化了記錄全息圖時(shí)所用的成像光路，在被測(cè)物體與成像設(shè)備之間不再使用透鏡。無透鏡數(shù)字全息成像的一個(gè)熱門的應(yīng)用方向是細(xì)胞和微結(jié)構(gòu)觀測(cè)，它相比顯微鏡成像具有很大的成本優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、非接觸，并且操作更加的簡(jiǎn)便。國(guó)內(nèi)諸多高校展開過相應(yīng)的研究，也取得了一定的成果。碩士論文《無透鏡數(shù)字全息成像觀測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制》中，利用自行研制的無透鏡全息成像系統(tǒng)對(duì)血細(xì)胞等進(jìn)行過研究，碩士論文《數(shù)字全息顯微成像理論及算法的研究》中設(shè)計(jì)了一款數(shù)字全息顯微鏡并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取得了較好的成像結(jié)果。專利（公開號(hào)cn105954994a）介紹了一種在無透鏡數(shù)字全息顯微成像中采用領(lǐng)域均值濾波算法以及偏微分方程對(duì)噪聲進(jìn)行抑制的圖像增強(qiáng)方法。目前無透鏡數(shù)字全息顯微測(cè)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(tǒng)分辨率、數(shù)值孔徑和放大倍率就唯一確定，可測(cè)量對(duì)象范圍也相應(yīng)確定且十分有限，操作者無法根據(jù)具體測(cè)量條件與具體對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)；另一方面工作距離小，因?yàn)橄到y(tǒng)搭建時(shí)往往需要以極大地減小工作距離為代價(jià)以獲得較大的系統(tǒng)分辨能力，在實(shí)際應(yīng)用中弊端突出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)無透鏡數(shù)字全息檢測(cè)裝置中系統(tǒng)分辨率、放大倍率與數(shù)值孔徑單一，操作性差和工作距離小，以及機(jī)械移動(dòng)繁瑣和不精確等問題，提出一種可柔性變倍的離軸數(shù)字全息測(cè)量裝置。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定、檢測(cè)成本低、精度高、同時(shí)系統(tǒng)分辨率、放大倍率、數(shù)字孔徑可以根據(jù)被測(cè)物體需要進(jìn)行靈活調(diào)整等特點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種可柔性變倍的離軸數(shù)字全息測(cè)量裝置，其特征在于，包括激光器1、第一反射鏡2、擴(kuò)束準(zhǔn)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(shè)備10以及計(jì)算機(jī)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(gòu)成同軸光學(xué)系統(tǒng)；被測(cè)物體9中心、分光鏡7的中心和成像設(shè)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(xué)系統(tǒng)具備將平行光轉(zhuǎn)換成會(huì)聚球面光波的能力。

本發(fā)明的一種可柔性變倍的離軸數(shù)字全息測(cè)量裝置，包括如下步驟：

利用激光器1產(chǎn)生激光，激光通過第一反射鏡2射入至擴(kuò)束準(zhǔn)直單元3；經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直單元3后形成的平行光經(jīng)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(jīng)過分光鏡7被分裂成兩束光波；其中一束光波經(jīng)平面鏡8反射后作為參考光進(jìn)入成像設(shè)備10；另一束光波經(jīng)被測(cè)物體9表面反射后作為物光進(jìn)入成像設(shè)備10；調(diào)節(jié)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(chǎn)生一幅離軸數(shù)字全息圖并由成像設(shè)備10記錄；最終通過數(shù)值重構(gòu)算法計(jì)算得到被測(cè)物體的相位信息。

有益效果：

本發(fā)明的一種柔性可變倍的離軸數(shù)字全息裝置不僅結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，操作方便，而且能夠獲得更高的系統(tǒng)分辨能力；其次，根據(jù)被測(cè)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(tǒng)分辨率和放大倍率、數(shù)字孔徑進(jìn)行觀測(cè)；此外，操作過程無需機(jī)械移動(dòng)，具有準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快速、操作方便的特點(diǎn)。本發(fā)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?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的實(shí)施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例裝置在具備較高系統(tǒng)分辨率和放大倍率時(shí)的情形之一；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例裝置在具備較低系統(tǒng)分辨率和放大倍率時(shí)的情形之一；

圖4為采用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)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(tǒng)數(shù)值孔徑變化的仿真光路；

圖5為采用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)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(tǒng)數(shù)值孔徑na值變化情況。

其中，1-激光器、2-第一反射鏡、3-擴(kuò)束準(zhǔn)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(cè)物體、10-成像設(shè)備（ccd或者cmos）、11-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式詳細(xì)介紹本發(fā)明。

如圖1所示是實(shí)施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本裝置包括激光器1、第一反射鏡2、擴(kuò)束準(zhǔn)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(shè)備10以及計(jì)算機(jī)11組成。具體實(shí)施過程中，調(diào)整激光器1、第一反射鏡2、擴(kuò)束準(zhǔn)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(gòu)成同軸光學(xué)系統(tǒng)；被測(cè)物體9、分光鏡7和成像設(shè)備10的中心在同一豎直線上；調(diào)節(jié)平面鏡8的前后位置，使其到分光鏡7的距離和被測(cè)物體9到分光鏡7的距離相等；調(diào)節(jié)成像設(shè)備10的位置，使其充分靠近分光鏡7；通過調(diào)節(jié)平面鏡8的傾斜程度，使得經(jīng)被測(cè)物體9反射回來的物光和經(jīng)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(chǎn)生激光束，并經(jīng)第一反射鏡2反射后進(jìn)入準(zhǔn)直擴(kuò)束單元3的輸入端；激光束進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)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(chǎn)生一束會(huì)聚球面光波；根據(jù)具體測(cè)量需要，直接通過改變變焦透鏡4的焦距，無需機(jī)械移動(dòng)即可快速方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分辨率和放大倍率的連續(xù)可調(diào)。

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

圖3所示是本發(fā)明的實(shí)施例裝置在具備較低系統(tǒng)分辨率和放大倍率時(shí)的情形之一：通過控制電控可變焦透鏡5進(jìn)行調(diào)焦，此時(shí)光束經(jīng)過電控可變焦透鏡5產(chǎn)生的會(huì)聚球面光波在聚焦后產(chǎn)生一束發(fā)散球面波；發(fā)散球面波經(jīng)過分光鏡7后分成兩束發(fā)散球面波；其中一束發(fā)散球面波經(jīng)平面鏡8反射后作為參考光；參考光經(jīng)過分光鏡7后照射到成像設(shè)備10上；另一束發(fā)散球面波垂直照射到被測(cè)物體9表面，發(fā)生反射后作為物光；物光經(jīng)過分光鏡7后照射成像設(shè)備10，并在成像設(shè)備10成像面上與參考光發(fā)生干涉，由此獲得一幅離軸數(shù)字全息圖。

圖4為采用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)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(tǒng)數(shù)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(tǒng)數(shù)值孔徑na值變化情況。通過實(shí)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(duì)位置。