CN104390722A - 一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置 - Google Patents

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李艳
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，属于光电检测技术领域。本装置基于单模保偏光纤传导，结合离轴数字全息和光学计算层析技术实现三维温度场的测量。为了实现三维测温，需记录多角度的数字全息图，因此将所述的三维测温装置搭建于精密电控旋转台上，电发热源固定在精密电控旋转台的中心位置，测量过程中电发热源形成的温度场位置保持不变，步进电机控制精密电控旋转台的旋转，使三维测温装置中的器件可以实现360°的旋转。该三维测温装置通过一体化的光学平台使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定，实现了温度场信息的多角度快速记录，以及时间和空间高分辨率测量。

Description

一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置。
背景技术
目前光学测温法主要有莫尔偏折法、散斑法、干涉法等。数字全息利用光敏电子成像器件CCD、CMOS等记录全息图，再用数字模拟全息图的衍射再现原理通过对全息图预处理、再现、相位畸变矫正、相位解包裹等过程，获得物光波场的定量振幅和相位信息。
为了将数字全息技术应用于三维温度场的测量，需要解决一些技术问题：(1)为了实现温度场的三维测温，需要将数字全息技术和计算层析技术相结合，而计算层析技术需要获得多角度的相位数据，但目前的数字全息技术仅限于记录单方向全息图，再现得到单方向的相位数据。(2)为提高信噪比和成像质量，在图像记录过程当中需要对物光和参考光的光强比、偏振性和入射夹角进行精确控制。(3)为避免由于旋转待测温度场而引入较大的测量误差，实验采取旋转干涉测量系统的方法以记录多角度的数字全息图，因此，实验过程中为便于整个干涉测量系统的旋转，需要合理设计光路，使其结构紧凑，稳定性好，同时便于操作和调试。
发明内容
本发明提出了一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置。本装置基于单模保偏光纤传导，结合离轴数字全息和光学计算层析技术实现三维温度场的测量。为了实现三维测温，需记录多角度的数字全息图，因此将所述的三维测温装置搭建于精密电控旋转台上，电发热源固定在精密电控旋转台的中心位置，测量过程中电发热源形成的温度场位置保持不变，步进电机控制精密电控旋转台的旋转，使三维测温装置中的第一光纤连接器、第一光束准直透镜、第二光纤连接器、第二光束准直透镜、反射镜、合光棱镜和CMOS相机可以实现360°的旋转。此外，为了便于整个三维测温装置中相应组成器件的旋转，所述的三维测温装置采用两根单模保偏光纤传输激光光源输出的光并完成空间滤波，以获得高对比度的干涉条纹。该三维测温装置通过一体化的光学平台使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定。
本发明的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，为了使结构紧凑稳定，采用笼式结构，搭建全息干涉光路于精密电控旋转台上，该精密电控旋转台可精密设置精确的旋转角度。所述三维测温装置包含有激光光源、分光单元、第一光纤耦合装置、第二光纤耦合装置、第一光束准直透镜、第二光束准直透镜、反射镜、合光棱镜和CMOS相机。所述的激光光源是采用(补充型)固体激光器，中心输出波长为532nm，功率为100mW。所述固体激光器输出的激光经过分光单元进行分光处理得到两束光；然后分开的两束光分别经过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置耦合到两根单模保偏光纤中分别进行滤波并传导。其中一束光经过第一光束准直透镜后，经过待测温度场，携带待测温度场的温度分布信息的衍射光波经过合光棱镜后照射CMOS相机靶面作为物光；另一束光经过第二光束准直透镜后，再经过反射镜，经由合光棱镜照射CMOS相机靶面作为参考光，物光和参考光以微小夹角在CMOS相机靶面相干叠加后生成干涉图样。测量过程中，通过调节反射镜来获取离轴角，并通过调节分光单元中的半波片来改变物光、参考光的光强比例，以获得对比度最高的干涉图样。通过旋转步进电机而使全息干涉光路随之旋转以获取多角度照明下的全息图，实现多角度下的温度场信息记录。
本发明的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其具有如下优点：
(1)、采用数字全息方法测量温度具有非接触的特点，对被测温度场无干扰，快速测量温度场变化过程，并且将数字全息和计算层析相结合可以实现三维全场温度场的测量；
(2)、为了记录多角度的数字全息图，三维测温装置搭建于高精度步进电机旋转平台上，电发热源固定在精密电控旋转平台的中心位置，实现了温度场信息的多角度快速记录，实现时间和空间高分辨率测量；
(3)、为便于光路的旋转，采用基于光纤传导的数字全息光路结构，采用单模保偏光纤对激光器输出的光进行空间滤波并传导，并且采用笼式结构搭建全息干涉光路，使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定。
附图说明
图1是本发明基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置的光路传输结构框图。
图2是本发明基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置的光路示意图。
图3是本发明光纤耦合装置的结构框图。
图4是本发明分光单元分光后并经光纤传导滤波的光路传输结构图。
图中：
具体实施方式
下面将结合附图1～图4对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，如图1所示，所述三维测温装置包括有激光光源1、分光单元2、第一光纤耦合装置3、第二光纤耦合装置4、第一光束准直透镜5、第二光束准直透镜6、反射镜7、合光棱镜8和CMOS相机9。其中，第一光纤耦合装置3和第二光纤耦合装置4具有相同的结构，分别包含有光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤连接器。第一光束准直透镜5和第二光束准直透镜6为同一型号的透镜。所述第一光纤耦合装置3由第一光纤耦合器3-1、第一单模保偏光纤3-2和第一光纤连接器3-3组成，第二光纤耦合装置4由第二光纤耦合器4-1、第二单模保偏光纤4-2和第二光纤连接器4-3组成，其中，第一光纤连接器3-3、第二光纤连接器4-3、第一光束准直透镜5、第二光束准直透镜6、反射镜7、合光棱镜8和CMOS相机9设置在精密电控旋转台10上，随着精密电控旋转台10的旋转而绕固定在精密电控旋转平台的中心位置的电发热源旋转。
(一)激光光源1
在本发明中，激光光源1用于提供532nm的激光1a，即光信息，该激光光源1提供了中心波长为532nm的单纵模激光，可以选用瑞典Cobolt公司生产的型号为Samba TM532nm的(补充型)固体激光器，功率为100mw。
(二)分光单元2
参见图4所示，在本发明中，分光单元2包括有可调衰减器2-1、半波片2-2和偏振分光棱镜2-3。
分光单元2用于接收从激光光源1出射的中心波长为532nm的激光1a，将其分为空间光2a和2b输出，并可调整改变两路光的光强比(一般设置光强比为1:5～5:1)。
如图4，激光1a依次经可调衰减器2-1、半波片2-2入射到偏振分光棱镜2-3上被分为两束偏振方向正交的反射光(空间光2a)和透射光(空间光2b)。在本发明中，通过旋转调整半波片2-2，可以改变空间光2a与空间光2b之间的光强比(一般为1:5～5:1)，进而改变物光5a和参考光7a的光强比(一般为1:5～5:1)，实现全息图条纹对比度的调节。
在本发明中，可调衰减器2-1可选取北京大恒光电公司的GCO-0701M型圆形可调衰减器；半波片2-2可选取北京大恒光电公司的GCL-060411型石英零级半波片；偏振分光棱镜2-3可以选取北京大恒光电公司的GCC-402102型偏振分光棱镜。
(三)光纤耦合装置(3、4)
参见图3所示，在本发明中，第一光纤耦合装置3由第一光纤耦合器3-1、第一单模保偏光纤3-2和第一光纤连接器3-3组成，第二光纤耦合装置4由第二光纤耦合器4-1、第二单模保偏光纤4-2和第二光纤连接器4-3组成；从分光单元2出来的空间光2a依次经过第一光纤耦合器3-1耦合到第一单模保偏光纤3-2中扩束并实现空间滤波，第一单模保偏光纤3-2的输出端固定在第一光纤连接器3-3上，并将从第一单模保偏光纤3-2输出的光传入空间光路中；空间光2b依次经过第二光纤耦合器4-1耦合到第二单模保偏光纤4-2中扩束并实现空间滤波，第二单模保偏光纤4-2的输出端固定在第二光纤连接器4-3上，并将从第二单模保偏光纤4-2输出的光传入空间光路中。为了提高激光耦合进光纤的效率，选用加拿大OZoptics公司生产的插座式非接触型激光光纤耦合器(包括第一光纤耦合器3-1和第二光纤耦合器4-1),耦合效率可达60％。单模保偏光纤(包括第一单模保偏光纤3-2和第二单模保偏光纤4-2)为加拿大OZoptics公司生产的的单模保偏光纤跳线。
(四)光束准直透镜(5、6)
在本发明中，如图4和图2，经过第一单模保偏光纤3-2和第二单模保偏光纤4-2滤波并扩束后的两束光3a和4a分别经过第一光束准直透镜5和第二光束准直透镜6准直为两束平行光，其中的一束平行光经过待测温度场后携带有温度场的温度分布信息，作为物光5a进入合光棱镜8；另一束平行光6a由反射镜7接收反射后形成参考光7a后进入合光棱镜8。光束准直透镜(包括第一光束准直透镜5和第二光束准直透镜6)为北京大恒光电公司生产的GCL-010147型的平凸透镜。
所述待测温度场是功率为200W的电发热源形成的稳定向上辐射的温度场，电发热源置于精密电控旋转台中心。
(五)反射镜(7)
在本发明中，反射镜7用于转折光束，可选取北京大恒光电公司的GCC-102104型反射镜。通过细微调节反射镜7在参考光路中的位置来改变反射镜7和合光棱镜8的相对位置，从而调节物光和参考光之间的夹角，以实现离轴数字全息。
(六)合光棱镜(8)
在本发明中，合光棱镜8用于将物光5a和参考光7a合成一束光，合光棱镜8可选用THORLABS公司的CM1-BS013的分光棱镜。
(七)CMOS相机(9)
CMOS9相机9用于捕获记录数字全息图，可以选取加拿大Lumenera公司的CMOS相机，其型号为LU125M-WOIR，分辨率为1280×1024像素，最高帧频15fps，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。
(八)精密电控旋转台10
精密电控旋转台10是北京北光世纪有限公司生产的MRS103精密电控旋转台，通过步进电机驱动，实现角度调整自动化。精密轴系设计，精度高，承载大。步进电机是采用SC100系列步进电机控制器，内部由控制单元，驱动器，以及稳压电路组成。
本发明的基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置的光路结构为：激光光源1出射的激光1a入射至分光单元2中，经分光单元2的分光处理后输出空间光2a和2b；
所述空间光2a顺次经过第一光纤耦合器3-1、第一单模保偏光纤3-2、第一光纤连接器3-3、第一光束准直透镜5后输出的平行光经过待测温度场，透射后从而携带温度场信息作为物光5a进入合光棱镜8；
所述空间光2b顺次经过第二光纤耦合器4-1、第二单模保偏光纤4-2、第二光纤连接器4-3、第二光束准直透6后输出平行光6a，平行光6a再经反射镜7折转光束后输出平行参考光7a入射进入合光棱镜8；
所述合光棱镜8对入射的平行参考光7a和物光5a进行合光处理得到合并光束8a，该合并光束8a被CMOS相机9的光敏面捕获，从而在CMOS相机9中形成干涉全息图。
在本发明中，由分光单元2分出的空间光2a经过第一光纤耦合器3-1、第一单模保偏光纤3-2、第一光纤连接器3-3，第一光束准直透镜5后输出平行光，再经待测温度场衍射后进入合光棱镜8，这部分可以称为物光光路。
在本发明中，由分光单元2分出的空间光2b经过第二光纤耦合器4-1、第二单模保偏光纤4-2、第二光纤连接器4-3，第二光束准直透镜6后输出平行光、再经反射镜7折转光束后入射进入合光棱镜8，这部分可以称为参考光路。
本发明设计的基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，通过旋转记录多角度数字全息图，数字再现得到多角度的相位分布。以再现的多角度下的相位数据作为计算层析的投影数据，数值重建得到三维折射率场分布。进而，基于折射率与温度之间的定量数值关系，定量重建了三维温度场分布。该装置(1)、采用数字全息方法测量温度具有非接触的特点，对被测温度场无干扰，快速测量温度场变化过程，并且将数字全息和计算层析相结合可以实现三维全场温度场的测量；(2)、为了记录多角度的数字全息图，三维测温装置搭建于高精度步进电机旋转平台上，电发热源固定在旋转平台的中心位置，实现了温度场信息的多角度快速记录，实现时间和空间高分辨率测量；(3)、为便于光路的旋转，采用基于光纤传导的数字全息光路结构，采用单模保偏光纤对激光器输出的光进行空间滤波并传导，并且采用笼式结构搭建全息光路，使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定。

Claims (7)

1.一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述三维测温装置包含有激光光源、分光单元、第一光纤耦合装置、第二光纤耦合装置、第一光束准直透镜、第二光束准直透镜、反射镜、合光棱镜和CMOS相机；所述激光光源发出的激光经过分光单元进行分光处理得到两束光；然后分开的两束光分别经过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置耦合到两根单模保偏光纤中分别进行滤波并传导；其中一束光经过第一光束准直透镜后，经过待测温度场，携带待测温度场的温度分布信息的衍射光波经过合光棱镜后照射CMOS相机靶面作为物光；另一束光经过第二光束准直透镜后，再经过反射镜，经由合光棱镜照射CMOS相机靶面作为参考光，物光和参考光以微小夹角在CMOS相机靶面相干叠加后生成干涉图样；所述的第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置具有相同的结构，第一光束准直透镜和第二光束准直透镜为同一型号的透镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述的激光光源是采用补充型固体激光器，中心输出波长为532nm，功率为100mW。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述第一光纤耦合装置由第一光纤耦合器、第一单模保偏光纤和第一光纤连接器组成，第二光纤耦合装置由第二光纤耦合器、第二单模保偏光纤和第二光纤连接器组成，其中，第一光纤连接器、第二光纤连接器、第一光束准直透镜、第二光束准直透镜、反射镜、合光棱镜和CMOS相机设置在精密电控旋转台上，随着精密电控旋转台的旋转而绕电发热源旋转；所述待测温度场是功率为200W的电发热源形成的稳定向上辐射的温度场，电发热源固定在精密电控旋转台的中心位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器选用插座式非接触型激光光纤耦合器，耦合效率达60％；所述第一单模保偏光纤和第二单模保偏光纤为单模保偏光纤跳线；所述第一光束准直透镜和第二光束准直透镜为GCL-010147型的平凸透镜；反射镜选取GCC-102104型反射镜；合光棱镜选用CM1-BS013型的分光棱镜；CMOS9相机用于捕获记录数字全息图，选取型号为LU125M-WOIR，分辨率为1280×1024像素，最高帧频15fps，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0；精密电控旋转台是MRS103型精密电控旋转台，通过步进电机驱动。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述物光和参考光的光强比为1:5～5:1。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述分光单元包括有可调衰减器、半波片和偏振分光棱镜，激光依次经可调衰减器、半波片入射到偏振分光棱镜上被分为两束偏振方向正交的两束光，即反射光和透射光。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置，其特征在于：所述可调衰减器选取GCO-0701M型圆形可调衰减器；半波片选取GCL-060411型石英零级半波片；偏振分光棱镜选取GCC-402102型偏振分光棱镜。
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