两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准系统和方法

摘要

本发明涉及一种两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准系统和方法。该方法为：搭建马赫‑泽德双光束平面准同轴全息光路系统，在物光路和参考光路各加入一块标准玻璃载玻片；在物光路中加入一汇聚透镜，与参考光路的平面波汇合形成球面干涉条纹；球面干涉条纹截面呈Sinc函数分布，微调旋转平台，使得Sinc函树分布曲线的中心处于最大值；继续微调旋转平台，使得抽样函树分布曲线的中心处于最小；移去物光路中的汇聚透镜，放入被测样本，根据旋转平台的两次刻度值标记，即可采集具有90°相移的两幅全息图。本发明方法所涉及的记录装置光学元件少、结构简单，操作简便，调节精度高，成本便宜，可实现两步相移同轴全息技术中90°相移及校准。

说明书

技术领域

本发明涉及一种两步相移同轴全息技术中实现90°相移及校准系统和方法。

背景技术

相移数字全息是将移相的技术与数字全息技术融合而发展来的一种数字全息技术。在全息图的记录过程中改变参考光相对于物光的相位，记录多幅相移全息图，然后利用相应的相移算法和数字重建算法对记录的全息图进行处理和数值重建，还原被测物体的复振幅分布并实现定量观测。通过相移操作，相移数字全息可以在同轴记录的情况下有效地解决全息重建时零级和共轭像的干扰问题，提高 CCD 空间带宽积的利用率，降低装置的调节难度和精度要求，改善重建质量。

实现相移的方法各种各样，例如压电陶瓷驱动法、偏振相移法、光栅相移法、声光调制法、涡旋相位法、变波长相移法等等。每种方法都有其优点与缺点。目前在相移同轴全息记录过程中使用较多的是压电陶瓷驱动法、偏振相移法和光栅相移法。

目前两步相移同轴全息技术中90°相移及校准方法未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足提供一种两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准系统和方法，其具有光学元件少、结构简单紧凑、操作方便、成本便宜的特点。

1、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准系统，包括一个激光器、一个扩束准直器、第一和第二两个分光棱镜、第一和第二两个反射镜、第一和第二两个载玻片、一个透镜、一个CCD的图像接收系统和一个计算机，其特征在于构成的光路是：所述激光器发出的光束经扩束准直器和第一分光棱镜后分为两路：一路经第一反射镜和第一载玻片到达第二分光棱镜，另一路经第二载玻片、第二反射镜和透镜到达第二分光棱镜，第二分光棱镜的输出光束到达CCD的图像接收系统，CCD的图像接收系统的输出连接到计算机。

一种两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准方法，采用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：

一、搭建马赫-泽德干涉系统，在光路中的第一束平行光波作为参考光波中加入第一载玻片，在光路中的第二束平行光波作为物光波中加入第二载玻片，所加入的载玻片为2mm厚度的、标准玻璃载玻片，要求载玻片平面完全垂直于光轴，以保证两束光路光程差不改变；

二、参考光路中的第一载玻片固定在高精度旋转平台上，要求第二载玻片中心在旋转平台的旋转轴线上，在物光路中加入透镜，使平面波形成球面波；

三、透过第一载玻片的第一束平面光波与透过透镜的第二束球面光波在第二分光棱镜的分界面上汇合，形成球面干涉条纹图，该干涉条纹图被带CCD的图像接收系统采集到并传输至计算机；

四、所述的球面干涉条纹截面呈Sinc函数分布，观察计算机上实时显示的干涉条纹截面图，连续均匀地微调固定第一载玻片的旋转台，使得Sinc函树分布曲线的中心处于最大值如附图3所示，附图3下面的两幅小图分别是球面干涉条纹图在虚线位置的截面图，左边的代表X轴的截面图，右边代表Y轴截面图。记下旋转平台的刻度值；

五、观察计算机上实时显示的干涉条纹截面图，继续连续均匀地微调固定载玻片的旋转台，改变参考光路相位，即改变两束光路的光程差，使得抽样函树分布曲线的中心处于最小如附图4所示，附图4下面的两幅小图分别是球面干涉条纹图在虚线位置的截面图，左边的代表X轴的截面图，右边代表Y轴截面图。记下旋转平台的刻度值；

六、移去物光路中的透镜，放入被测样本，利用干涉条纹图的变化特征，根据旋转平台的两次刻度值标记，即可采集具有90°相移的两幅全息图。

优选地，所述带CCD的图像接收系统对干涉图的记录实现实时记录。

优选地，所述为载玻片为2mm厚度的、标准玻璃载玻片，光路中要求载玻片平面完全垂直于光轴。

优选地，所述载玻片固定在高精度旋转平台上，光路中要求载玻片中心在旋转平台的旋转轴线上，旋转平台可以实现高精度的调节。

优选地，所述基于马赫-泽德干涉系统的记录光路满足双光束平面准同轴全息光路系统。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明的光学元件少、结构简单，操作简便，调节精度高，可实现两步相移同轴全息技术中90°相移及校准，进而记录质量较高的两幅相移全息图。本发明采用旋转载玻片的角度来改变两束光路中的光程差实现相移角。首先在物光路和参考光路各加入一块2mm厚度的、标准玻璃载玻片，要求载玻片平面完全垂直于光轴，以保证两束光路光程差不改变；参考光路中的载玻片固定在高精度旋转平台上，要求载玻片中心在旋转平台的旋转轴线上；在物光路中加入一汇聚透镜，使平面波形成球面波，与参考光路的平面波汇合形成球面干涉条纹；球面干涉条纹截面呈Sinc函数分布，微调旋转平台，观察带CCD的图像接收系统采集到的干涉条纹截面图，使得Sinc函树分布曲线的中心处于最大值，记下旋转平台的刻度值；继续微调旋转平台，改变参考光路相位，即改变两束光路的光程差，观察带CCD的图像接收系统采集到的干涉条纹截面图的变化，使得抽样函树分布曲线的中心处于最小，记下旋转平台的刻度值；移去物光路中的汇聚透镜，放入被测样本，根据旋转平台的两次刻度值标记，即可采集具有90°相移的两幅全息图。

该相移及校准方法所涉及到的记录装置结构简单紧凑，所需光学元件少，成本便宜，且精度高。

附图说明

图1是两步相移同轴全息技术90°相移及校准方法系统结构示意图。

图2是两步相移同轴全息相移及校准方法中所用载玻片产生移相的原理示意图。

图3是球面干涉条纹图及其截面图中心为最大值的示意图。

图4是球面干涉条纹图及其截面图中心为最小值的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及优选实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例一：

参见图1-图4，本两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准系统，包括一个激光器(1)、一个扩束准直器(2)、第一和第二两个分光棱镜(3、9)、第一和第二两个反射镜(4、5)、第一和第二两个载玻片(7、8)、一个透镜(6)、一个CCD的图像接收系统(10)和一个计算机(11)，其特征在于构成的光路是：所述激光器(1)发出的光束经扩束准直器(2)和第一分光棱镜(3)后分为两路：一路经第一反射镜(4)和第一载玻片(7)到达第二分光棱镜(9)，另一路经第二载玻片(8)、第二反射镜(5)和透镜(6)到达第二分光棱镜(9)，第二分光棱镜(9)的输出光束到达CCD的图像接收系统(10)，CCD的图像接收系统(10)的输出连接到计算机(11)。

实施例二：

2、本两步相移同轴全息技术实现90°相移及校准方法，采用上述系统进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

一、搭建马赫-泽德干涉系统，在光路中的第一束平行光波(1)作为参考光波中加入第一载玻片(7)，在光路中的第二束平行光波(3)作为物光波中加入第二载玻片(8)，所加入的载玻片(7、8)为2mm厚度的标准玻璃载玻片，要求载玻片平面完全垂直于光轴，以保证两束光路光程差不改变；

二、所述参考光路中的第一载玻片(7)固定在高精度旋转平台上，要求第一载玻片(7)中心在旋转平台的旋转轴线上，在所述物光路中加入透镜(6)，使平面波形成球面波；

三、透过第一载玻片(7)的第一束平面光波(2)与透过透镜(6)的第二束球面光波(4)在第二分光棱镜(9)的分界面上汇合，形成球面干涉条纹图，该干涉条纹图被带CCD的图像接收系统(10)采集到并传输至计算机(11)；

四、所述的球面干涉条纹截面呈Sinc函数分布，观察计算机上(11)实时显示的干涉条纹截面图，连续均匀地微调固定第一载玻片(7)的旋转台，使得Sinc函树分布曲线的中心处于最大值，记下旋转平台的刻度值；

五、观察计算机(11)上实时显示的干涉条纹截面图，继续连续均匀地微调固定载玻片的旋转台，改变参考光路相位，即改变两束光路的光程差，使得抽样函树分布曲线的中心处于最小值，记下旋转平台的刻度值；

六、移去物光路中的透镜(6)，放入被测样本(12)，利用干涉条纹图的变化特征，根据旋转平台的两次刻度值标记，即可采集具有90°相移的两幅全息图。

实施例三：

如图1所示，该实施例主要包括激光器、扩束准直器、两个反射镜、两个分光棱镜、二片载玻片、一个透镜、带CCD（Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件）的图像接收系统、计算机，其中：

激光器1，发出激光光源；

扩束准直器2，接收激光器发出的光束并将其转变成平行光；

第一分光棱镜3，由扩束准直器2出来的平行光到达第一分光棱镜3后被分成两束等强度的平行光(1)和(3)。第一束平行光(1)作为参考光继续传播。第二束平行光(3)作为物光继续传播；

第一反射镜4，用于将第一束平行光(1)传播来的参考光反射到载玻片7上；

第二反射镜5，用于将第二束平行光(3)透过用于补偿光程的载玻片8传播来的物光反射到透镜6上；

第一载玻片7，第一束平行光(1)的参考光经第一反射镜4反射后，入射并透射过第一载玻片7，第一载玻片7是固定在高精度旋转平台上的，要求第一载玻片7中心在旋转平台的旋转轴线上，通过微调旋转台可以改变第一载玻片7的法线方向与光轴方向的夹角，从而改变光程，进而改变参考光相位；

透镜6，第二束平行光(3)的物光经第二反射镜5反射后，透过透镜6，形成球面波，在透镜6的后焦点上汇聚；

第二分光棱镜9，接收垂直入射到透镜6上并在透镜后焦点上汇聚的球面波物光，接收透射过载玻片的第一束平行光的参考光，球面波物光和平面波参考光在第二分光棱镜的分界面上汇合形成球面干涉条纹；

带CCD的图像接收系统10，接收球面干涉条纹图的像，并传输至计算机11；

计算机11，对带CCD的图像接收系统10采集到的数据进行处理。

激光器1发出的激光光源经扩束器2形成平行光。经过第一分光棱镜3被分成两束等强度的平行光波继续传播。第一束平行光波作为参考光(1)经过第一反射镜4的反射作用，传播至第一载玻片7的入射表面，透射过第一载玻片7出射的平行光束(2)传播到第二分光棱镜9的分界面上。第二束平行光波作为物光(3)传播至第二载玻片8的入射表面，透射过用于补偿光程的第二载玻片8经过第二反射镜5的反射作用，传播至透镜6的入射表面，由于透镜6的汇聚作用，从透镜6的出射面出射的光波转变成球面光波(4)，球面光波(4)继续传播到达第二分光棱镜9的分界面上。平行光束参考光波(2)与球面光波物光波(4)在第二分光棱镜的分界面上汇合形成球面干涉条纹图。CCD图像接收系统10将采集到的干涉条纹图传输至计算机11进行显示。

所述带CCD的图像接收系统10对干涉条纹图的记录能实现实时记录以观察。结合附图3，附图4所示，在计算机11显示屏上观察到球面干涉条纹截面图，球面干涉条纹截面呈Sinc函数分布，开始微调固定第一载玻片7的旋转台的手柄，连续均匀地微调手柄，使得Sinc函树分布曲线的中心处于最大值，记下旋转平台的刻度值；继续连续均匀地微调固定第一载玻片7的旋转台的手柄，改变参考光路相位，即改变两束光路的光程差，使得抽样函树分布曲线的中心处于最小，记下旋转平台的刻度值；移去物光路中的透镜6，放入被测样本12，根据旋转平台的两次刻度值标记，就能确定参考光波实现90°相移角时所对应的旋转台的旋转角度及第一载玻片7的倾斜角度，即可采集具有90°相移的两幅全息图。

以上所述的具体实施例，对本发明方法的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明方法的具体实施例而已，并不用于限制本发明方法，凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明方法的保护范围之内。