CN103411687B - 基于三角数字全息测量空间相干性的系统与方法 - Google Patents

Abstract

基于三角数字全息测量空间相干性的系统与方法,属光学干涉测量和非相干全息术应用领域。其在光路中采用非相干白光源照明，加入干涉滤波片进行窄带滤波，使变为准单色光。准单色光入射孔径平面，再经分束镜被分为两束，两束光波分别沿系统光路顺时针和逆时针传播，在两光束远场出射平面放置图像传感器接收干涉形成的全息图。通过波片组合改变两束光波的相位差，记录四幅全息图，叠加得到复值全息图。复值全息图的复振幅为给定平面上对应点对的互相干函数，提取互相干函数的振幅和位相描述该点对的空间相干性。使孔径平面上的小孔垂直系统光轴在写入平面内或与写入平面垂直的平面内移动，采集一系列全息图，获得光场在二维方向上的空间相干性。

Description

基于三角数字全息测量空间相干性的系统与方法

技术领域

本发明公开了一种基于三角数字全息原理测量光场空间相干性的系统与方法，属于光学干涉测量和非相干数字全息技术应用领域。

背景技术

光源的相干性包含了光场的重要信息，对于理论分析和实际应用都具有重要的研究意义。定量的测量光场的相干性一直都是光学领域一个重要的研究课题。测量光源相干性的方法最经典的就是迈克尔逊干涉仪测量时间相干性和杨氏双缝干涉测量空间相干性。杨氏双缝干涉实验原理上虽然简单，但是要测量整个光场在给定平面的空间相干性，实验上需要移动双缝改变双缝间距和轴向，测量大量数据，实现起来较为繁琐、困难。近年来发展了很多测量空间相干性的新方法。根据测量的基本原理和数据处理的方法大体可以分为干涉测量法和全息测量法。干涉测量法是指基于杨氏双缝干涉的原理演变而成的双孔或者多孔径干涉方法，通过直接分析干涉图样的特性来体现空间相干性。例如MassimoSantarsiero提出的波前逆转的杨氏双缝干涉仪，Y.MejíaandA.I.González提出的采用多孔径掩膜、二维孔径阵列和无冗余的孔径阵列测量光场的空间相干性，F.D.Kashani提出的利用利用无冗余的二维孔径阵列测量空间相干性，P.Petruck提出的采用纳米孔径阵列测量微米尺度的空间相干性等。这些基于多孔径的干涉测量的方法主要的局限在于对孔径阵列的选择和孔径间距的选择有严格要求，以保证在光场内均匀采样。同时为了得到整个光场在给定平面上的空间相干性需要旋转孔径阵列采集多幅干涉图样。

全息测量空间相干性的方法是基于全息术与干涉的相似之处。I.Weingartner提出了利用像面全息测量互相干函数，给出了像面全息光学记录、光学再现以及在重建像中体现空间相干性的原理，但是并没有给出任何的实验研究。MichaelLurie提出了利用傅里叶变换全息术测量空间相干性的方法，采用激光与旋转的毛玻璃合成部分相干光场，给出了初步的实验结果。非相干光源照明的情形下，通光适当的光学技巧将来自同一点光源的光波分为两束，利用这两束光干涉记录下来的干涉图样称为子全息图，对于实际的扩展物体，可以认为是许多点源的集合，非相干光照明下物体可以认为是许多子全息图的叠加而成的，该全息图称为非相干全息图。目前尚未有利用非相干全息术测量光场的空间相干性的方法报道。

发明内容

为了测量一般情形下光场的空间相干性，使可以通过优化或控制光场的相干性来提高成像系统性能等需求，并且保证不增加系统的复杂性、不需要额外添加和制作辅助器件获取光场的空间相干性，本发明提供了一种基于三角数字全息测量空间相干性的系统与方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于三角数字全息测量空间相干性的系统，包括依次放置的白光光源（1），会聚透镜（2），孔径光阑（3），滤波片（4），线偏振片I（5），准直透镜（6），偏振分束棱镜（7），透镜I（8），反射镜I（9）和反射镜II（10），透镜II（11），波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）和图像探测器（15）；其特征在于：由白光光源（1）发出的入射光依次通过汇聚透镜（2）、孔径光阑（3）、滤波片（4），线偏振片I（5），准直透镜（6），准单色平行光入射到偏振分束棱镜（7）的表面，透射光经透镜II（11），反射镜II（10）和反射镜I（9）并经过透镜I（8），逆时针传播返回和偏振分束棱镜（7）经分束棱镜（7）透射的光经波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）被图像传感器（15）接收；反射光经透镜I（8），反射镜I（9）和反射镜II（10）并经过透镜II（11），顺时针传播返回偏振分束棱镜（7）经分束棱镜（7）反射的光经波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）被图像传感器（15）接收，图像传感器（15）与计算机（16）进行连接。

所述光路中，孔径光阑（3）和滤波片（4）依次被装配在白光光源（1）的出射端，由孔径光阑（3）透射的光波入射到与其距离等于焦距的准直透镜（6）的前表面上，出射的准直光束与偏振分束棱镜（7）垂直；

所述的白光光源（1）为宽带扩展的非相干光源，所述会聚透镜（2）对光源成像，所述孔径光阑（3）位于会聚透镜（2）形成的光源像面附近。

所述的滤光片（4）中心波长为633nm，带宽为10nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm。

所述准直透镜（6）到透镜I（8）的距离为两个透镜焦距之和，准直透镜（6）到透镜II（11）的距离为两个透镜焦距之和。透镜I（8）和透镜II（11）需选取焦距不同的两个透镜，如透镜I（8）焦距250mm透镜II（11）焦距150mm。图像探测器（15）位于透镜I（8）和透镜II（11）后焦面。

基于三角数字全息测空间相干性的方法利用三角数字全息记录非相干光源照明情形下的全息图，结合相移技术，对全息图进行记录和重建，在重建像中体现光场的空间相干性；具体步骤如下：

1）通过改变或调换滤光片（4），控制滤波后的中心波长、带宽，控制光源的时间相干性；通过调整孔径光阑（3）的孔径大小，控制光源的空间相干性，以及在偏振分束棱镜分波表面产生的相干面积的尺寸，从而优选图像传感器（15）的记录位置，以便在图像传感器（15）上得到像面全息图；

2）孔径光阑位于光轴上，调整波片（12）和（13），使顺时针和逆时针传播的两束光波产生0、π/2、π、3π/2四个相移，用图像传感器（15）分别记录多幅相移全息图；

3）将图像传感器（15）采集的带有不同相移角度的全息图在计算机（16）中进行四步相移运算，合成为一幅包含有物光波复振幅的复值全息图；

4）利用计算机提取复值全息图的振幅和位相，即为孔径光阑（3）在光轴上时由偏振分数棱镜（7）所产生的两束光波的空间相干性。

5）建立笛卡尔坐标使x轴平行于纸面并与附图1中所示的光线传播方向垂直，y轴垂直于纸面。使孔径光阑（3）沿x轴或沿y轴在写入平面内移动，重复如方权利要求（5）中所述方法的2）～4）步，采集一系列全息图，并进行再现，可获得光场在x-y二维方向上描述空间相干性的互相干函数。

本系统与方法的主要优点在于：基于三角数字全息测量空间相干性的系统与方法不需要在光路中添加额外的孔径阵列，对光场的采样间隔要求宽松。通过结合相移技术能在再现像中直接体现光场的空间相干性。本发明能够在非相干光源照明和系统空间相干性为空间变化的情形下，定量测量整个光场内给定平面的空间相干性，全息图数值重建算法简单。

附图说明

图1三角数字全息测量光场空间相干性系统一个优选实施例的结构原理图；

图2从记录的全息图中获得的一幅相移全息图；

图3利用四步相移得到的复值全息图；

图4复值全息图的振幅；

图5复值全息图的位相；

图中：1.白光光源，2.会聚透镜，3.孔径光阑，4.滤光片，5.线偏振片I，6.准直透镜，7.偏振分束棱镜，8.透镜I，9.反射镜I，10.反射镜II，11.透镜II，12.波片I，13.波片II，14.线偏振片II，15.图像传感器，16.计算机。

具体实施方式

下面结合附图对基于三角数字全息测量空间相干性的过程进行说明：

本实施例的光路示意图如图1所示：所述全息图的拍摄光路由白光光源（1），会聚透镜（2），孔径光阑（3），滤波片（4），线偏振片I（5），准直透镜（6），偏振分束棱镜（7），透镜I（8），反射镜I（9）和反射镜II（10），透镜II（11），波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）和图像探测器（15）组成。白光光源(1）发出的入射光依次通过汇聚透镜（2）、孔径光阑（3）、滤波片（4），线偏振片I（5），准直透镜（6），准单色平行光入射到偏振分束棱镜（7）的表面，透射光经透镜II（11），反射镜II（10）和反射镜I（9）并经过透镜I（8），逆时针传播返回偏振分束棱镜（7）经分束棱镜（7）透射的光经波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）被图像传感器（15）接收；反射光经透镜I（8），反射镜I（9）和反射镜II（10）并经过透镜II（11），顺时针传播返回偏振分束棱镜（7）经分束棱镜（7）反射的光经波片I（12）和波片II（13），线偏振片II（14）被图像传感器（15）接收，顺时针和逆时针传播到图像传感器的两光束发生干涉形成全息图被图像传感器（15）接收，图像传感器（15）与计算机（16）进行连接。

若沿顺时针和逆时针传播的光波强度相等，则考虑由分束棱镜分束后分别沿顺时针和逆时针传播到图像传感器平面的两束光波干涉得到的全息图强度分布I_ccd,i为

$I_{\mathrm{ccd},i}=I(-\mathrm{\αx},-\mathrm{\αy})+I(-\frac{x}{\mathrm{\α}},-\frac{y}{\mathrm{\α}})$

$+<u(-\mathrm{\&alpha;x},-\mathrm{\&alpha;y})u^{*}(-\frac{x}{\mathrm{\&alpha;}},-\frac{y}{\mathrm{\&alpha;}};{\mathrm{\&theta;}}_i)>+<u^{*}(-\mathrm{\&alpha;x},-\mathrm{\&alpha;y})u(-\frac{x}{\mathrm{\&alpha;}},-\frac{y}{\mathrm{\&alpha;}};{\mathrm{\&theta;}}_i)>---1)$

其中I为两束光波的强度，u为两束光波的复振幅，a为沿顺时针光波的放大倍率，即透镜II（11）焦距与透镜I（8）焦距之比，^*代表复共轭，θ_i表示相移角(i=1，2，3，4)。上式中第四项项代表的是两光场的互相关函数即空间相干性。

孔径光阑位于光轴上，调整波片I（12）和波片II（13），使顺时针和逆时针传播的两束光波产生0、π/2、π、3π/2四个相移角，用图像传感器（15）分别记录四幅相移全息图；

对这些全息图应用相移算法得到恢复物光的复值全息图并且在计算机中通过数值计算后得到重建像Ips为

$I_{\mathrm{ps}}=(I_{\mathrm{ccd},1}-I_{\mathrm{ccd},3})-i(I_{\mathrm{ccd},2}-I_{\mathrm{ccd},4})=<u(-\mathrm{\&alpha;x},-\mathrm{\&alpha;y})u^{*}(-\frac{x}{\mathrm{\&alpha;}},-\frac{y}{\mathrm{\&alpha;}})>---2)$

其中Iccd,1，Iccd,2，Iccd,3，Iccd,4为对应上述四个不同相移角度θi的相移全息图。式2)中，I_ccd,1，I_ccd,,2，I_ccd,,3，I_ccd,,4分别是记录的四幅相移全息图，重建像如图3所示。

Claims (3)

1.基于三角数字全息测量空间相干性的系统，包括依次放置的白光光源(1)，会聚透镜(2)，孔径光阑(3)，滤波片(4)，线偏振片I(5)，准直透镜(6)，偏振分束棱镜(7)，透镜I(8)，反射镜I(9)和反射镜II(10)，透镜II(11)，波片I(12)和波片II(13)，线偏振片II(14)和图像传感器(15)；其特征在于：由白光光源(1)发出的入射光依次通过会聚透镜(2)、孔径光阑(3)、滤波片(4)，线偏振片I(5)，准直透镜(6)，准单色平行光入射到偏振分束棱镜(7)的表面，透射光经透镜II(11)，反射镜II(10)和反射镜I(9)并经过透镜I(8)，逆时针传播返回到偏振分束棱镜(7)，经偏振分束棱镜(7)透射的光经波片I(12)和波片II(13)，线偏振片II(14)被图像传感器(15)接收；入射到偏振分束棱镜(7)表面的反射光经透镜I(8)，反射镜I(9)和反射镜II(10)并经过透镜II(11)，顺时针传播返回偏振分束棱镜(7)经分束棱镜(7)反射的光经波片I(12)和波片II(13)，线偏振片II(14)被图像传感器(15)接收，图像传感器(15)与计算机(16)进行连接；

光路中，孔径光阑(3)和滤波片(4)依次被装配在白光光源(1)的出射端，由孔径光阑(3)透射的光波入射到与其距离等于焦距的准直透镜(6)的前表面上，出射的准直光束与偏振分束棱镜(7)垂直。

2.如权利要求1中所述的基于三角数字全息测量空间相干性的系统，其特征在于：所述的白光光源(1)为宽带扩展的非相干光源，所述会聚透镜(2)对光源成像，所述孔径光阑(3)位于会聚透镜(2)形成的光源像面附近。

3.如权利要求1中所述的基于三角数字全息测量空间相干性的系统，其特征在于：所述的滤波片(4)中心波长为633nm，带宽为10nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm。