共軸數(shù)字全息顯微成像裝置及檢測玻璃亞表面缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字全息(Digital Holography, DH)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種共軸數(shù)字全息顯微成像裝置及檢測玻璃亞表面缺陷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字全息(Digital Holography, DH)成像是一種基于傳統(tǒng)全息術(shù)的非接觸，非損傷成像技術(shù)。1976年，Goodman和Lawrence明確提出數(shù)字全息，到1994年，Schnars和Jueptner第一次用電荷親合器(charge coupled devices, CCD)接收全息圖像，通過計算機(jī)對采集到的信號數(shù)字重建。數(shù)字全息術(shù)的優(yōu)勢在于，用CCD記錄全息圖像，簡化了操作步驟，大大降低了全息成像的操作時間；用計算機(jī)完成數(shù)字重建，同時得到樣品的幅值和相位信息；無需機(jī)械掃描，只需單次曝光，就可重建出樣品的三維信息。
[0003]數(shù)字全息系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為共軸數(shù)字全息和離軸數(shù)字全息。共軸數(shù)字全息結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，但只適用于對粒子場或是結(jié)構(gòu)較簡單的樣品成像，多利用壓電陶瓷進(jìn)行移相，采用多次曝光的移相法重建獲取圖像，因此，增加了系統(tǒng)的成本，阻礙了實時成像。為了降低對樣品的要求，獲得高質(zhì)量的重建圖像，研宄者們改進(jìn)共軸數(shù)字全息結(jié)構(gòu)，得到離軸數(shù)字全息系統(tǒng)。所謂離軸數(shù)字全息成像，就是采用兩臂干涉的方法，參考臂和樣品臂，用電荷耦合器件接收干涉圖像，再用電腦對信號進(jìn)行數(shù)字處理的過程。目前大多采用這樣的離軸系統(tǒng)定性的測量表面形貌，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且不穩(wěn)定，由于各級像的分離限制了空間帶寬，從而影響分辨率。
[0004]為了進(jìn)一步提高成像分辨率，Edwin Malkiel等人提出了數(shù)字全息顯微成像(Digital Holography Microscopy, DHM),在DH系統(tǒng)的樣品前加上顯微物鏡得到該系統(tǒng)。不僅包含上述DH系統(tǒng)的優(yōu)勢，DHM系統(tǒng)還有高分辨率和大成像深度的特點，其對微結(jié)構(gòu)，微小形變等檢測有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0005]亞表面缺陷是在光學(xué)元件加工過程中引入的殘留斷裂層，該缺陷隱藏在光學(xué)元件表面下1-100 μ m，缺陷尺寸可達(dá)亞微米量級。其對光學(xué)零件的性質(zhì)，成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性等有著嚴(yán)重的影響，因此，在加工過程對亞表面缺陷的評估是一項重要技術(shù)。而傳統(tǒng)的方法是根據(jù)表面粗糙度，磨料大小等的參數(shù)，與亞表面缺陷深度的關(guān)系，計算出其深度，再用磁流變拋光技術(shù)等將缺陷層移除，但缺陷的實際深度往往大于該計算值，導(dǎo)致該方法的不精確估計；近年來，國內(nèi)外研宄者們提出全內(nèi)反射鏡顯微成像，低相干斷層成像，共聚焦顯微成像等技術(shù)，得到亞表面缺陷截面或深度圖像，但由于各自的局限性，在分辨率或深度上均很難達(dá)到檢查亞表面缺陷的要求，且都需要通過機(jī)械掃描得到樣品三維圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種快速、高效的共軸數(shù)字全息顯微成像裝置及檢測玻璃亞表面缺陷的方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，且只需CCD的單次采集全息圖像，通過計算機(jī)處理就可重建出樣品的三維信息，分辨率可達(dá)亞微米量級，成像深度可達(dá)mm量級。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種共軸數(shù)字全息顯微成像裝置，該裝置基于雙光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光軸設(shè)置的He-Ne激光器、準(zhǔn)直透鏡、樣品、顯微物鏡和電荷耦合器，其中電荷耦合器的信號輸出端接入計算機(jī)，其中He-Ne激光器發(fā)出激光后，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡得到準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束直接照射在樣品上，經(jīng)樣品后產(chǎn)生的散射光為樣品光、未發(fā)生散射的光為參考光，樣品光和參考光在顯微物鏡的工作面上相遇疊加后形成全息圖，顯微物鏡將該全息圖成像到電荷耦合器上，電荷耦合器對接收到的全息圖進(jìn)行放大后輸入計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)接收到的放大全息圖重建樣品不同深度的圖像。
[0008]一種基于所述共軸數(shù)字全息顯微成像裝置的檢測玻璃亞表面缺陷的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟I，He-Ne激光器發(fā)出的單色光照射在準(zhǔn)直物鏡上，調(diào)節(jié)使得準(zhǔn)直物鏡的出射光均勻的照射在樣品上；
[0010]步驟2，透射出樣品的光束，一部分是經(jīng)樣品散射的作為樣品光，另一部分未發(fā)生散射作為參考光，樣品光和參考光在顯微物鏡的工作面上相遇疊加后形成全息圖；
[0011]步驟3，顯微物鏡將該全息圖成像到電荷耦合器上，電荷耦合器對接收到的全息圖進(jìn)行放大后輸入計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)接收到的放大全息圖重建樣品不同深度的圖像。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于:(1)成像分辨率高，可達(dá)亞微米量級，可探測深度較大，可達(dá)毫米量級，從而實現(xiàn)對亞表面缺陷的定量測量；(2)實現(xiàn)高速成像，無需機(jī)械掃描，只需采集一幅全息圖，便可數(shù)字重建出樣品的三維結(jié)構(gòu)；(3)數(shù)字重建對算法的適應(yīng)性高，可根據(jù)對重建圖像的要求，改進(jìn)算法來得到相應(yīng)的重建結(jié)果；(4)共軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明共軸數(shù)字全息顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明檢測玻璃亞表面缺陷的方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]結(jié)合圖1，本發(fā)明共軸數(shù)字全息顯微成像裝置，該裝置基于雙光束干涉原理成像，包括沿光路方向依次共光軸設(shè)置的He-Ne激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、樣品3、顯微物鏡5和電荷親合器6，其中電荷親合器6的信號輸出端接入計算機(jī)7，其中He-Ne激光器I發(fā)出激光后，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2得到準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束直接照射在樣品3上，經(jīng)樣品3后產(chǎn)生的散射光為樣品光、未發(fā)生散射的光為參考光，樣品光和參考光在顯微物鏡5的工作面4上相遇疊加后形成全息圖，顯微物鏡5將該全息圖成像到電荷耦合器6上，電荷耦合器6對接收到的全息圖進(jìn)行放大后輸入計算機(jī)7，計算機(jī)7根據(jù)接收到的放大全息圖重建樣品不同深度的圖像。
[0017]結(jié)合圖2，本發(fā)明基于上述共軸數(shù)字全息顯微成像裝置的檢測玻璃亞表面缺陷的方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1，He-Ne激光器I發(fā)出的單色光照射在準(zhǔn)直物鏡2上，調(diào)節(jié)使得準(zhǔn)直物鏡2的出射光均勻的照射在樣品3上；
[0019]步驟2，透射出樣品3的光束，一部分是經(jīng)樣品散射的作為樣品光，另一部分未發(fā)生散射作為參考光，樣品光和參考光在顯微物鏡5的工作面4上相遇疊加后形成全息圖。該全息圖包含樣品的三維信息，所述全息圖的光強(qiáng)i(x，y)表示如下:
[0020]i ( X , y ) = o(x,y)+r(x,y) |2= o(x,y)o(x,y) *+r (