[发明专利]基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法

权利要求书

1.一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特征在于,包括光源(1)、分束器(2)、涡旋聚焦透镜(3)、针孔(4)、第一聚焦透镜(5)、第一反射镜(6)、合束器(7)、第一三维平移台(8)、固定在该第一三维平移台(8)上的成像探测器(9)、第二反射镜(10)、扩束器(11)、供被测物体(13)放置的第二三维平移台(12)、第二聚焦透镜(14)、分束光栅(15)、第三聚焦透镜(16)和计算机(17)；

所述的光源(1)发出的光脉冲经过所述的分束器(2)分为透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；

所述的参考光束经过所述的涡旋聚焦透镜(3)和针孔(4)到达所述的第一聚焦透镜(5)，经第一聚焦透镜(5)准直后的光束经过所述的第一反射镜(6)反射后到达所述的合束器(7)，并通过合束器(7)反射进入所述的成像探测器(9)；

所述的物光束经所述的第二反射镜(10)反射后到达所述的扩束器(11)，经扩束器(11)扩束后的光束入射到所述的被测物体(13)，经该被测物体(13)透射后，依次经所述的第二聚焦透镜(14)、分束光栅(15)和第三聚焦透镜(16)后到达所述的合束器(7)，并透过合束器(7)进入所述的成像探测器(9)；经所述的扩束器(11)扩束后的光束能够覆盖所述的被测物体(13)；

所述的涡旋聚焦透镜(3)、针孔(4)和第一聚焦透镜(5)构成第一4f系统，且所述的针孔(4)放置在该第一4f系统的频谱面上；

所述的第二聚焦透镜(14)、分束光栅(15)和第三聚焦透镜(16)构成第二4f系统，且所述的分束光栅(15)放置在该第二4f系统的频谱面上，所述的被测物体(13)放置于该第二4f系统的物面上，所述的成像探测器(9)放置于该第二4f系统的像面后方光路上；

所述的成像探测器(9)的输出端与所述的计算机(17)的输入端连接；

所述的计算机(17)具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录干涉全息图与数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特征在于，所述的涡旋聚焦透镜(3)为具有所需拓扑荷的圆涡旋聚焦透镜或椭圆涡旋聚焦透镜，用于产生不同拓扑荷和离心率的涡旋参考光束。

3.根据权利要求1所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特征在于，所述的成像探测器(9)为CCD探测器、CMOS图像传感器或热电阵列相机。

4.根据权利要求1所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特征在于，所述的被测物体(13)为分辨率板或生物样品。

5.利用权利要求1所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置对被测物体(13)复振幅图像的重构方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)开启光源(1)，所述的光源(1)发出的光脉冲经所述的分束器(2)透射的光束作为参考光束，由涡旋聚焦透镜(3)、针孔(4)和第一聚焦透镜(5)构成第一4f系统，所述的参考光束透过该第一4f系统后形成涡旋光束，该涡旋光束经所述的第一反射镜(6)反射后到达所述的合束器(7)，并通过合束器(7)反射后进入成像探测器(9)形成涡旋光束，称为涡旋参考光束R(x,y)；

将被测物体(13)放置在所述的第二三维平移台(12)上；

所述的光源(1)发出的光脉冲经分束器(2)反射的光束作为物光束，该物光束经第二反射镜(10)反射后到达扩束器(11)，经该扩束器(11)扩束后的光束到达所述的被测物体(13)，由第二聚焦透镜(14)、分束光栅(15)和第三聚焦透镜(16)构成的第二4f系统，移动第二三维平移台(12)使被测物体(13)位于该第二4f系统的物面上，经被测物体(13)透射的光束透过该第二4f系统后形成若干个相同的出射光束，从第二4f系统的像面出射的光束称为被测物体(13)的复振幅分布O(x₀,y₀)；该被测物体(13)的复振幅分布O(x₀,y₀)衍射后到达成像探测器(9)，并得到的衍射光波O(x,y,d)，其中，(x₀,y₀)和(x,y)分别为该第二4f系统的像面和成像探测器(9)表面的空间坐标分布，d是所述的第二4f系统的像面和所述的成像探测器(9)的距离，且满足条件:d＞0；所述的衍射光波O(x,y,d)与涡旋参考光束R(x,y)相互作用形成干涉全息图，并由所述的成像探测器(9)记录该干涉全息图；

2)从所述的干涉全息图中提取n个干涉区域和m个非干涉区域用于相移数字全息技术，则干涉区域表示为I₁(x₁,y₁,θ₁)、I₂(x₂,y₂,θ₂)…I_n(x_n,y_n,θ_n)，非干涉区域表示为I_1r(x_1r,y_1r,θ_1r)、I_2r(x_2r,y_2r,θ_2r)…I_mr(x_mr,y_mr,θ_mr)，n和m为正整数，(x_n,y_n)和(x_mr,y_mr)为干涉区域和非干涉区域的空间坐标分布，θ_n和θ_mr为涡旋参考光束R(x,y)不同位置对应的相移；

3)根据干涉理论，计算被测物体(13)的衍射光波O(x,y,d)，具体如下：

其中，j是虚数单位，*是共轭符号；

4)计算被测物体(13)的复振幅分布O(x₀,y₀)，公式如下：

其中,是角谱传输函数，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，f_X和f_Y是空间频率，λ为光源(1)的波长。