CN102393569B - 偏振光学扫描器 - Google Patents

Abstract

一种偏振光学扫描器，由扫描部分和接收部分组成，扫描部分包括激光器、偏振分束器、第一光路光阑、第一光路透镜、第二光路光阑、第二光路透镜、偏振合束器、2-D光束扫描器、物体；接收部分包括偏振分束器、两个半波片、2×4 90°光学桥接器、两个平衡探测器、数据采集卡和计算机。本发明使用偏振器件和2×4 90°光学桥接器的光学方法，获得三维物体的正弦全息和余弦全息；计算机将所述的正弦全息和余弦全息复数化成为复数全息，再通过匹配滤波算法对该复数全息信号进行处理，重构出三维物体的再现图像，没有孪生像噪声。本发明不需要使用复杂的电子调制和解调系统，具有结构简单，速度快的优点。

Description

偏振光学扫描器

技术领域

本发明涉及光学扫描全息技术，特别是一种偏振光学扫描器。

背景技术

光学扫描全息术，使用一束平面波和一束球面波，其中一路光束经声光调制器调制，引入时间频率上的频移，两路光束干涉合成的光斑对物体进行二维扫描，扫描光束经物体反射或透射后由光电探测器接收并转化为电信号。该电信号再经滤波、放大、解调等复杂的电子系统的处理得到数字的正弦全息信号和余弦全息信号，送入计算机内进行匹配滤波或送入电寻址空间光调制器经衍射重构出物体图像。使用正弦全息信号和余弦全息信号复数合成的复数全息信号重构物体，可以消除孪生像的存在。但是，由于采用了声光调制以及滤波、正弦拍频和余弦拍频解调得到正弦全息信号和余弦全息信号以实现复数全息信号的合成，这种光学扫描全息方法的电子系统特别复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光学方法获得复数全息的光学扫描全息成像装置，不需要复杂的电子系统，具有结构简单，速度快的优点。

本发明的基本思想是：利用同轴但偏振正交的一束平面波和一束球面波通过二维扫描方式照明三维物体，物体的反射或透射光由2×4 90°光学桥接器平衡接收并转化为正弦全息时间流电信号和余弦全息时间流电信号，再复数化合成为复数全息，最后通过匹配滤波算法重构出三维物体。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振光学扫描器，由扫描部分和接收部分组成，特点在于所述的扫描部分包括：激光器、第一偏振分束器、第一光路光阑、第二光路光阑、第一光路透镜、第二光路透镜、偏振合束器和2-D光束扫描器，所述的接收部分包括第二偏振分束器、第一半波片、第二半波片、2×4 90°光学桥接器、A路平衡探测器，B路平衡探测器、数据采集卡和计算机，上述部件的位置关系如下：

所述激光器输出的光束经过第一偏振分束器分为等光强且偏振正交的两路光束，第一路光束经过第一光路光阑和第一光路透镜后变换成球面波，第二路光束经过第二光路光阑和第二光路透镜后变换成平面波，第一光路光阑和第二光路光阑分别位于第一光路透镜、第二光路透镜的前焦面，第一光路透镜和第二光路透镜的焦距相同，均为f，两透镜后的两路光经所述的偏振合束器合成为偏振正交的同轴光束，该同轴光束经2-D光束扫描器后投射到物体上并对物体进行二维扫描，该物体面上的扫描光斑由所述的偏振正交的一束平面波和一束球面波组成；

所述扫描光束被所述物体反射或透射的光由第二偏振分束器按偏振方向分成两路，再分别经过第一半波片和第二半波片后进入2×4 90°光学桥接器，输出四束组合光束，其中两束光束由消直流的A路平衡探测器接收并转化为时间流电信号，另外两路光束由消直流的B路平衡探测器接收并转化为时间流电信号，所述的两路时间流电信号经数据采集卡处理成A路数字信号和B路数字信号，该两路数字信号送入所述的计算机，所述的A路数字信号和B路数字信号分别是物体反射或透射的正弦全息信号和余弦全息信号，经所述的计算机处理为复数全息信号，然后用匹配滤波算法对该复数信号进行处理，重构出所述物体的再现图像，所述的计算机控制上述相关部件协调工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的偏振光学扫描器使用偏振器件和2×4 90°光学桥接器的光学方法获得三维物体的正弦全息和余弦全息，经计算机复数化成为复数全息，用匹配滤波算法对该复数全息信号进行处理，重构出三维物体的再现图像，没有孪生像噪声。

本发明与普通的光学扫描全息成像装置相比，不需要使用复杂的电子调制和解调系统，具有结构简单，速度快的优点。

附图说明

图1为本发明偏振光学扫描器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围，

图1给出了本发明的偏振光学扫描器的结构原理图。如图所示，本发明偏振光学扫描器的实施例由下列元部件组成：激光器1，第一偏振分束器2，第一光路光阑3，第二光路光阑4，第一光路透镜5，第二光路透镜6，偏振合束器7，2-D光束扫描器8，物体9，第二偏振分束器10，第一半波片11，第二半波片12，2×4 90°光学桥接器13，A路平衡探测器14，B路平衡探测器15，数据采集卡16和计算机17。上述部件的位置关系如下：所述激光器1输出的光束经过第一偏振分束器2分为等光强且偏振正交的两路光束，第一路光束经过第一光路光阑3后照射到第一光路透镜5上变换成球面波，第二路光束经过第二光路光阑4后照射到第二光路透镜6上变换成平面波，第一光路光阑3和第二光路光阑4分别位于第一光路透镜5、第二光路透镜6的前焦面，第一光路透镜5和第二光路透镜6的焦距相同，均为f，两透镜后的两路光经偏振合束器7合成为偏振正交的同轴光束，该同轴光束经2-D光束扫描器8后投射到物体9上并对物体进行二维扫描，该物体9面上的扫描光斑由所述的偏振正交的一束平面波和一束球面波组成，所述扫描光束被所述物体9反射或透射的光由第二偏振分束器10按偏振方向分成两路，再分别经过第一半波片11和二半波片12后进入2×4 90°光学桥接器13，输出四束组合光束，其中两束光束由消直流的A路平衡探测器14接收并转化输出一路时间流电信号，另外两路光束由消直流的B路平衡探测器15接收并转化输出另一路时间流电信号，所述的两路时间流电信号经数据采集卡16处理成A路和B路数字信号，该两路数字信号送入计算机17，所述的的A路数字信号和B路数字信号分别是物体9的正弦全息信号和余弦全息信号，在计算机17内将两路全息信号复数化成为复数全息信号，然后用匹配滤波算法对该复数信号进行处理，重构出所述物体9的再现图像18，所述的计算机17控制上述所有硬件和软件协调工作。

本发明偏振光学扫描器的工作原理和基本过程如下：

定义坐标系统为：以平行于光轴的方向为z轴，x轴由水平面和z轴的垂直面确定，令所述的第一光路透镜5和第二光路透镜6的后焦面处z＝0。

将物体9看成是一系列x′-y′平面薄片在z轴上的叠加，范围为z_min～z_max，且有z_max-z_min＝d，d为物体在z方向上的厚度，位于z处的一个平面薄片的振幅透过率为T(x，y；z)。

下面考察物体9位于z处的一个x′-y′平面：

在面向扫描光束物体9的面上，扫描光斑由偏振正交的一束平面波和一束球面波组成，表示为：

$\stackrel{\→}{E}(x,y;z)=\left[\begin{array}{c}{P}_1(x,y;z)\\ P_2(x,y;z)\end{array}\right]\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(1\right)$

其中，ω是激光的角频率，P_i(x，y；z)是所述两光束的复振幅，表达式如下：

$P_i(x,y;z)=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\πf}}\exp (-2\mathrm{jkf})F\{p_i{(x^{\′},y^{\′})}_{\frac{\mathrm{kx}}{f},\frac{\mathrm{ky}}{f}}\⊗h(x,y;z),i=\mathrm{lor}2---\left(2\right)$

其中，

λ为激光波长，p_i(x′，y′)是两光路的光瞳函数，第一路光束中放置第一光路光阑，该光阑的光瞳函数为p₁(x′，y′)＝1，在第一光路透镜5后的光场内产生一束球面波，第二路光束中放置第二光路光阑，该光阑为小孔光阑，光瞳函数为p₂(x′，y′)＝δ(x′，y′)，在第二路透镜6后的光场内产生一束平面波，符号

是二维卷积操作符，定义为 $g_1(x,y)\⊗g_2(x,y)={\∫\∫g}_1(x^{\′},y^{\′})g_2(x-x^{\′},y-y^{\′}){\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′},$

对p_i(x′，y′)进行傅里叶变换得：

$F{\left\{p_i(x^{\′},y^{\′})\right\}}_{k_x,k_y}={\∫\∫p}_i(x^{\′},y^{\′})\exp ({\mathrm{jk}}_x{x}^{\′}+{\mathrm{jk}}_y{y}^{\′}){\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}$

另外， $h(x,y;z)=\frac{\mathrm{jk}}{2\mathrm{\πz}}\exp (-\mathrm{jkz})\exp (-\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2z})$ 是傅里叶光学中的自由空间响应函数。

在背向扫描光束的面上，透过该平面的扫描光斑表示为：

${\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{scan}}(x,y;z)=T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\·\stackrel{\→}{E}(x,y;z)=\left[\begin{array}{c}T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\·P_1(x,y;z)\\ T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\·P_2(x,y;z)\end{array}\right]\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(3\right)$

其中：x′＝x′(t)，y′＝y′(t)是t时刻扫描光斑中心位于该x′-y′平面上的瞬时坐标。

物体9后z＞z_maz的光场，是z_min～z_max范围内上述所有x′-y′平面薄片后光场

的迭加和传播。

随后，扫描光束被所述物体9反射或透射的光由第二偏振分束器10按偏振方向分成两路，再分别经过第一半波11和第二半波片12后进入2×4 90°光学桥接器13作为输入光束和

仍先考察物体9位于z处的单个平面薄片，最后的光场可通过沿z轴的积分得到，此时有

${\stackrel{\→}{E}}_S=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right]P_1(x,y;z)\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(4a\right)$

${\stackrel{\→}{E}}_L=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right]P_2(x,y;z)\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(4b\right)$

2×4 90°光学桥接器13输出四束偏振光束

为：

${\stackrel{\→}{E}}_{A1}=\left[\begin{array}{c}{P}_{A1}\\ 0\end{array}\right]\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(5a\right)$

${\stackrel{\→}{E}}_{A2}=\left[\begin{array}{c}0\\ P_{A2}\end{array}\right]\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(5b\right)$

${\stackrel{\→}{E}}_{B1}=\left[\begin{array}{c}{P}_{B1}\\ 0\end{array}\right]\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(5c\right)$

${\stackrel{\→}{E}}_{B2}=\left[\begin{array}{c}0\\ P_{B2}\end{array}\right]\·T(x+x^{\′},y+y^{\′};z)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---\left(5d\right)$

$P_{A1}=\frac{1}{2}\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)\{P_2(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)\exp (-\mathrm{j\π}/4)+P_1(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\}$

$P_{A2}=\frac{1}{2}\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\{P_2(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)\exp (-\mathrm{j\π}/4)-P_1(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\}$

$P_{B1}=\frac{1}{2}\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)\{P_1(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)+P_2(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\exp (\mathrm{j\π}/4)\}$

$P_{B2}=\frac{1}{2}\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\{P_1(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_1\right)-P_2(x,y;z)\exp \left(j{\mathrm{\τ}}_2\right)\exp (\mathrm{j\π}/4)\}$

其中，τ₁和τ₂分别表示所述的2×4 90°光学桥接器13对不同方向偏振光的相位延迟，在具体实施例中有τ₁＝τ₂。

光束

和

作为A路平衡探测器14的输入，输出的时间流电信号为：

$i_A=\∫({\left|P_{A1}\right|}^2-{\left|P_{A2}\right|}^2)\⊕{\left|T\right|}^2\mathrm{dz}---\left(6a\right)$

符号表示二维相关，定义为

光束

和

作为B路平衡探测器15的输入，输出时间流电信号为：

$i_B=\∫({\left|P_{B1}\right|}^2-{\left|P_{B2}\right|}^2)\⊕{\left|T\right|}^2\mathrm{dz}---\left(6b\right)$

从上述P_m的具体表达式(m＝A1，A2，B1，B2)可以得到：

其中

分别是P₁、P₂的位相，又从(2)式可得

代入(6a)、(6b)得到：

$i_A=\∫\mathrm{Re}\left[{P_2}^{*}{P}_1\exp (\mathrm{j\π}/4)\right]\⊕{\left|T\right|}^2\mathrm{dz}$

$=\∫\frac{k}{2\mathrm{\πz}}\sin [k\frac{x^2+y^2}{2z}-\frac{\mathrm{\π}}{4}]\⊕{\left|T(x,y;z)\right|}^2\mathrm{dz}---\left(8a\right)$

$=H_{\sin }(x,y)$

$i_B=\∫\mathrm{Im}\left[{P_2}^{*}{P}_1\exp (\mathrm{j\π}/4)\right]\⊕{\left|T\right|}^2\mathrm{dz}$

$=\∫\frac{k}{2\mathrm{\πz}}\cos [k\frac{x^2+y^2}{2z}-\frac{\mathrm{\π}}{4}]\⊕{\left|T(x,y;z)\right|}^2\mathrm{dz}---\left(8b\right)$

$=H_{\cos }(x,y)$

其中H_sin(x，y)和H_cos(x，y)分别称为正弦全息和余弦全息，该两路电信号经数据采集卡16处理成A路和B路数字信号送入计算机17，通过下式复数化成为复数全息信号：

H_c(x，y)＝H_cos(x，y)±jH_sin(x，y)                    (9)

正弦全息信号H_sin(x，y)、余弦全息信号H_cos(x，y)以及复数全息信号H_c(x，y)均可用于重构物体，重构时使用匹配滤波算法

${\left|T(x,y;z)\right|}^2=H(x,y)\⊗h(x,y;z)---\left(10\right)$

其中，z是物体9上单个平面在z轴上所处的位置，重构出的再现图像19是该平面的聚焦图像。参数z使用不同的数值时(在z_min～z_max内)，可以得到物体9不同深度内的再现图像。使用复数全息信号重构时，再现图像18没有孪生像噪声。

本发明的具体实施例是一种偏振光学扫描器，可对透明的三维物体进行扫描全息成像。本偏振光学扫描器的总体设计方案为：激光波长λ＝500nm，所述的偏振分束器所分光束等光强且对两束光分别引入的位相延迟相等，第一光路光阑为全通面，第二光路光阑为小孔光阑，第一光路透镜和第二光路透镜焦距均为10cm，物体9为外表面绘有图像的透明物体，物体9置于所述的第一光路透镜和第二光路透镜的后焦面之后的光路中。

经实验表明，本发明偏振光学扫描器采用偏振器件和2×4 90°光学桥接器的光学方法获得三维物体的正弦全息和余弦全息，经计算机复数化成为复数全息，用匹配滤波算法对该复数全息信号进行处理，重构出三维物体的再现图像，没有孪生像噪声。本发明与普通的光学扫描全息成像装置相比，不需要使用复杂的电子调制和解调系统，具有结构简单，速度快的优点。

Claims (1)

1.一种偏振光学扫描器，由扫描部分和接收部分组成，特征在于所述的扫描部分包括：激光器（1）、第一偏振分束器（2）、第一光路光阑（3）、第二光路光阑（4）、第一光路透镜（5）、第二光路透镜（6）、偏振合束器（7）和2-D光束扫描器（8），所述的接收部分包括第二偏振分束器（10）、第一半波片（11）、第二半波片（12）、2×490°光学桥接器（13）、A路平衡探测器（14），B路平衡探测器（15）、数据采集卡（16）和计算机（17），上述部件的位置关系如下：

所述激光器（1）输出的光束经过第一偏振分束器（2）分为等光强且偏振正交的两路光束，第一路光束经过第一光路光阑（3）和第一光路透镜（5）后变换成球面波，第二路光束经过第二光路光阑（4）和第二光路透镜（6）后变换成平面波，第一光路光阑（3）和第二光路光阑（4）分别位于第一光路透镜（5）、第二光路透镜（6）的前焦面，第一光路透镜（5）和第二光路透镜（6）的焦距相同，均为f，两透镜后的两路光经所述的偏振合束器（7）合成为偏振正交的同轴光束，该同轴光束经2-D光束扫描器（8）后投射到物体（9）上并对物体进行二维扫描，该物体（9）面上的扫描光斑由所述的偏振正交的一束平面波和一束球面波组成；

扫描光束被所述物体（9）反射或透射的光由第二偏振分束器（10）按偏振方向分成两路，再分别经过第一半波片（11）和第二半波片（12）后进入2×490°光学桥接器（13），输出四束组合光束，其中两束光束由消直流的A路平衡探测器（14）接收并转化为时间流电信号，另外两路光束由消直流的B路平衡探测器（15）接收并转化为时间流电信号，所述的两路时间流电信号经数据采集卡（16）处理成A路数字信号和B路数字信号，该两路数字信号送入所述的计算机（17），所述的A路数字信号和B路数字信号分别是物体（9）反射或透射的正弦全息信号和余弦全息信号，经所述的计算机（17）处理为复数全息信号，然后用匹配滤波算法对该复数全息信号进行处理，重构出所述物体（9）的再现图像（18），所述的计算机（17）控制上述相关部件协调工作。

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