三向投影单幅层析全息图记录装置

摘要

本发明涉及一种三向投影单幅层析全息图记录装置。它包括一个光源照射系统和一个图像接收系统，所述光源照射系统经一个消偏振分光棱镜分光系统、一个反光镜调整光路系统、一个生成单幅层析全息图系统后，连接所述图像接受系统；所述光源照射系统出射光束，通过所述消偏振分光棱镜系统分光作用和反光镜调整光路系统调整光路作用后照射待测物体，获得三束物光，所述三束物光由所述生成单幅层析全息图系统生成单幅层析全息图，最后由图像接收系统放大成像、采集和输入计算机。本发明结构合理紧凑，操作简便，适合单幅层析全息图的记录。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三向投影单幅层析全息图记录装置。

背景技术

数字全息层析技术是数字全息技术与三维重建算法的融合，即利用数字全息技术获得被测物体的相位信息，将其作为三维重建算法的投影数据实现三维层析重建，则可获得物体内部断层折射率信息和三维结构信息。该技术兼具了数字全息非侵入、系统稳定等显著特点，在非均匀透明物质，如活体细胞、透明生物组织等三维微结构或折射率检测中有广泛的应用潜能。

数字全息层析技术需要采集被测物体一周的相位信息，为了解决这个问题，主要的方法有两种：一种方法是设计一个光路保证光束围绕被测物体一周分布，另一种方法是旋转被测物体或者使单光束绕被测物体旋转。前一种方法的缺点是系统结构复杂，后一种方法的系统结构简单，但采用了旋转方式，不能实时检测。

欠采样数字全息层析技术只需要采集被测物体几个方向的相位信息，就可以重建得到被测物体内部断层折射率信息和三维结构信息。本发明提出了一种三向投影单幅层析全息图的记录装置。它由一个光源照射系统、一个带CCD摄像机的图像接收系统、四个消偏振分光棱镜和五个反射镜组成。通过消偏振分光棱镜的分光作用以及反射镜的调整光路作用，可以将三束平行光从不同方向照射待检测物体，最后在CCD中采集到由这三束穿过物体的物光波与参考记录光波干涉生成的单幅层析全息图。本发明结构合理紧凑，操作简便，适合单幅层析全息图的记录。

发明内容

本发明装置的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种三向投影单幅层析全息图记录装置，具有结构合理紧凑、操作简单的特点。为达到上述目的，本发明的构思是：本发明采用消偏振分光镜产生多束光，最终得到四束光，同时用反射镜调整光束传播方向，使其中三束光从不同方向照射物体作为物光波，与第四束光产生干涉生成单幅层析全息图。单幅层析全息图经显微物镜放大后的像被CCD所接收，最后采用欠采样数字全息层析技术重建得到被测物体的内部断层折射率信息和三维结构信息。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种三向投影单幅层析全息图记录装置，包括一个光源照射系统和一个图像接收系统，其特征在于所述光源照射系统经一个消偏振分光棱镜分光系统、一个反光镜调整光路系统、一个生成单幅层析全息图系统后，连接所述图像接受系统；所述光源照射系统出射光束，通过所述消偏振分光棱镜系统分光作用和反光镜调整光路系统调整光路作用后照射待测物体，获得三束物光，所述三束物光由所述生成单幅层析全息图系统生成单幅层析全息图，最后由图像接收系统放大成像、采集和输入计算机。 

上述的光源照射系统的结构是：一个半导体激光器、一个准直透镜和一个可调光阑组成。半导体激光器发出的扩散光束经准直透镜后变成平行光束，可调光阑控制出射光束口径。

上述的消偏振分光棱镜分光系统的结构是：所述第一光束经一个第一消偏振分光棱镜分成第二光束和第四光束，第二光束经一个第二消偏振分光棱镜分成第三光束和第五光束，第四光束经一个第三消偏振分光棱镜分成第七光束和第十一光束。

上述的反射镜调整光路系统的结构是：所述第十一光束经一个第一反射镜反射后作为记录参考光，所述第七光束照射待测物体后经一个第二反射镜反射成为第十光束作为第一束物光；所述第五光束直接照射待测物体后作为第二束物光；所述第三光束经一个第三反射镜反射后成为第六光束，第六光束经一个第四反射镜反射后成为第八光束，照射待测物体后经一个第五反射镜反射成为第九光束作为第三束物光。

上述的生成单幅层析全息图系统的结构是：所述记录参考光、第一束物光、第二束物光和第三束物光经一个第四消偏振分光棱镜分光后成为第十二光束，在一个显微物镜的有效成像距离内干涉生成单幅层析全息图。

上述的图像接收系统的结构是：所述的单幅层析全息图经显微物镜后被放大成像，由一个CCD采集，所述的CCD与一台计算机相连。

本发明与其他数字全息层析测量装置比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：发明中利用消偏振分光棱镜的分光作用以及反射镜的调整光路作用实现三向单幅层析全息图的记录，整个记录装置的成本低；整个记录装置结构紧凑，不需要旋转被测物体，可以实现实时记录。

附图说明

    图1是三向投影单幅层析全息图记录装置的系统原理示意图。

图2是三向投影单幅层析全息图记录装置的系统三维结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图2，本三向投影单幅层析全息图记录装置，包括一个光源照射系统和一个图像接收系统，其特征在于所述光源照射系统经一个消偏振分光棱镜分光系统、一个反光镜调整光路系统、一个生成单幅层析全息图系统后，连接所述图像接受系统；所述光源照射系统出射光束，通过所述消偏振分光棱镜系统分光作用和反光镜调整光路系统调整光路作用后照射待测物体，获得三束物光，所述三束物光由所述生成单幅层析全息图系统生成单幅层析全息图，最后由图像接收系统放大成像、采集和输入计算机。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述消偏振分光棱镜分光系统的结构是：所述光源照射系统的结构是：一个半导体激光器发射的光束经一个准直透镜后成平行光束，然后经一个可调光阑控制出射光束口径成第一光束。所述消偏振分光棱镜分光系统的结构是：所述第一光束经一个第一消偏振分光棱镜分成第二光束和第四光束，第二光束经一个第二消偏振分光棱镜分成第三光束和第五光束，第四光束经一个第三消偏振分光棱镜分成第七光束和第十一光束。所述反射镜调整光路系统的结构是：所述第十一光束经一个第一反射镜反射后作为记录参考光，所述第七光束照射待测物体后经一个第二反射镜反射成为第十光束作为第一束物光；所述第五光束直接照射待测物体后作为第二束物光；所述第三光束经一个第三反射镜反射后成为第六光束，第六光束经一个第四反射镜反射后成为第八光束，照射待测物体后经一个第五反射镜反射成为第九光束作为第三束物光。所述生成单幅层析全息图系统的结构是：所述记录参考光、第一束物光、第二束物光和第三束物光经一个第四消偏振分光棱镜分光后成为第十二光束，在一个显微物镜的有效成像距离内干涉生成单幅层析全息图。所述图像接收系统的结构是：所述的单幅层析全息图经显微物镜后被放大成像，由一个CCD采集，所述的CCD与一台计算机相连。

实施例三：

参见图1和图2，半导体激光器1发出的激光经准直透镜2后成准直光束。第一消偏振分光棱镜（4）将第一光束（1’）分成第四光束（4’）和第二光束（2’），第四光束（4’）经第二消偏振分光棱镜（11）分成第十一光束（11’）和第七光束（7’），第二光束（2’）经第三消偏振分光棱镜（5）分成第五光束（5’）和第三光束（3’）。经第二消偏振分光棱镜（11）出射的第十一光束（11’）经第一反射镜（12）反射后作为记录参考光。经第二消偏振分光棱镜（11）出射的第七光束（7’）照射待测物体（9）后经第二反射镜（8）反射成为第十光束（10’）作为第一束物光。经第三消偏振分光棱镜（5）出射的第五光束（5’）直接照射待测物体（9），穿过待测物体（9）的第五光束（5’）作为第二束物光。经第三消偏振分光棱镜（5）出射的第三光束（3’）经第三反射镜（6）反射后成为第六光束（6’），第六光束（6’）经第四反射镜（10）反射后成为第九光束（9’）照射待测物体（9），穿过待测物体（9）的第九光束（9’）经第四反射镜（7）反射后成为第八光束（8’）作为第三束物光。记录参考光（11’）、第一束物光（10’）、第二束物光（5’）和第三束物光（8’）经第四消偏振分光棱镜（13）后在显微物镜14的有效成像距离合成三束光干涉光束（12’），经显微物镜（14）成放大的像，即被放大的单幅层析全息图，由CCD（15）接收。CCD（15）将采集的数据传输至计算机（16）进行数据处理。

在计算机中进行数据处理方法：

本发明需要将采集到的单幅层析全息图中包含的三向物波信息进行分离，基于参考光的倾斜量可以将物光的频谱载波到其他频率处，在单幅层析全息图的频谱中能分离得到三向物波信息。在数字全息记录过程中，全息面上记录参考光与物光相干迭加后，光强分布为：

式中，和分别是物光的振幅和到达全息面时的相位分布，和分别是参考光的振幅和到达全息面时的相位分布。

根据直流信号和余弦函数的频移特性，对上式进行傅里叶变换，有:

式中，为对物波频谱的载波项，与记录参考光与物光之间的夹角相关。

系统的调整方法：

系统调整的目的是保证三束物光在同一水平面，并且相互之间的夹角为120度。以图2三向投影单幅层析全息图记录装置的系统三维结构示意图为例：

1、调整空间滤波器（2）和准直透镜（3）将第一光束（1’）调整为水平光束，同时可调光阑（3）的口径调到最小； 

2、平移消偏振分光棱镜11，使第七光束（7’）穿过被测物体（9），调整消偏振分光棱镜（11）的水平角度，是第七光束（7’）和第五光束（5’）的夹角为120°；

3、平移反射镜（10），使第八光束（8’）穿过被测物体（9），调整反射镜（10）的水平角度，使第八光束（8’）和第五光束（5’）的夹角为120°；

4、调整显微物镜（14）的位置，使单幅层析全息图的放大像被CCD（15）采集；

5、调整可调光阑口径，获得有效直径的平面光束。