CN107356194B - 基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字全息检测领域，特别涉及一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法。本技术采用双波长进行照射，利用二维周期光栅的分光和载频的作用实现视场的平移和频域的分离；通过偏振片组避免四束物光间的相互干涉，从而避免了频谱的串扰。本发明方法简单、处理方便，可充分利用图像传感器的空间分辨率和空间带宽积，提高了图像传感器的视场利用率，并通过简单的计算便可使得检测窗口大小和光栅周期互相匹配，避免了复杂的光路准直过程，具有光路简单，抗干扰能力强的优势。

Description

基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与 方法

技术领域

本发明属于数字全息检测领域，特别涉及一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法。

背景技术

数字全息术在全息术基础上，采用诸如CCD或CMOS作为图像采集器代替全息记录材料(全息干板等)记录数字全息图，并将数字全息图保存于计算机中，通过数值模拟光的衍射传播过程，实现数字全息图的重构成像。数字全息术作为一种新型三维数字成像技术，其记录和重构成像过程皆涉及数字化过程。其中离轴全息利用具有一定夹角的物光和参考光发生干涉，可从形成的单幅载频干涉图获得待测物体的位相信息，适用于运动物体或动态过程的实时测量。

在文献“Doubling the field of view in off-axis low-coherenceinterferometric imaging”中Natan T.Shaked提出了基于角反射镜的双视场数字全息。利用两块角反射镜可以在两束物光中引入不同方向的载波，从而可以在一幅全息图中恢复出两幅相位图。角反射镜的视场翻转作用同时帮助系统实现了双视场，提高了CCD的视场利用率。但是此种方法需要对一束参考光和两束物光分别进行调制，成本高且光路准直难度大。

2013年，Yongli Wu在文献“Single-exposure approach for expanding thesampled area of a dynamic process by digital holography with combinedmultiplexing”提出了双波长四视场数字全息。该结构进一步提高了CCD的视场利用率。但是此结构属于分光路结构，抗干扰能力差，且需要对两束入射光所分成的四束物光分别进行调制，导致光路复杂。

在2014年Yujie Lu在文献“Multiplexed off-axis holography usingatransmission diffraction grating”提出了基于一维周期光栅的四视场数字全息，但此结构是分光路结构，抗干扰能力较差；为了分离得到四个视场信息，需要在通过一维周期光栅的一个方向上引入大小不同的载波，从而导致该系统频谱串扰较大，CCD的视场利用率很低。

可以发现，目前的多视场数字全息检测领域中，普遍存在着光路复杂、抗干扰能力差、CCD视场利用率低等缺点。

发明内容

本发明目的是针对上述现有技术的不足之处，将离焦光栅分光技术和频域复用技术相结合，提供了一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，本发明的目的还在于提供一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测方法。

为解决上述技术问题，本发明一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，包括波长为λ_a的光源Ⅰ、偏振片Ⅰ、波长为λ_b的光源Ⅱ，偏振片Ⅱ、偏振分光棱镜、准直扩束系统、测量窗口、待测物体、第一透镜、二维周期光栅、孔阵列、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ、偏振片Ⅴ、偏振片Ⅵ、第二透镜、光阑、彩色图像传感器和计算机，其中λ_a>λ_b；波长为λ_a的光源Ⅰ发射的光经偏振片Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ发射的光经偏振片Ⅱ调制后经偏振分光棱镜汇合成一束再入射至准直扩束系统，经准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过测量窗口和待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过二维周期光栅后,形成0级次和x方向与y方向的±1级次五束光，0级次经孔阵列上小孔C滤波形成一束参考光，另外4束光通过大孔A1、A2、B1和B2后射向第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束经光阑整形后入射至彩色图像传感器的光接收面接收，彩色图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜和第二透镜的焦距均为f；二维周期光栅x方向周期和y方向周期均为d；二维周期光栅位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f。

以光轴方向为z轴方向，平行纸面方面为x轴方向，射出纸面方向为y轴方向建立直角坐标轴；孔阵列上含有x方向依次排列的大孔A1、大孔A2，y方向依次排列的大孔B1、大孔B2，和处于光轴中心的针孔C，孔阵列位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中大孔A1和大孔B1中心距光轴中心为2Δfλ_a/d，大孔A2和大孔B2中心距光轴中心为2Δfλ_b/d，针孔C的直径≤1.22fλ_b/D，D为图像传感器的视场宽度；偏振片Ⅲ和偏振片Ⅳ分别贴放在大孔A1和大孔B1处，偏振片Ⅴ和偏振片Ⅵ分别贴放在大孔A2和大孔B2处，两组偏振片偏振态正交以避免物光之间发生干涉；第一透镜和第二透镜的焦距都为f；待测物体贴合测量窗口放置于第一透镜的前焦面上；彩色图像传感器位于第二透镜的后焦面上；测量窗口沿x轴方向的长度Dx与二维周期光栅的周期d之间满足关系：Dx＝2λ_bf/d；测量窗口沿y轴方向的长度Dy与周期d之间满足关系：Dy＝2λ_bf/d。

二维周期光栅可以为二值二维周期光栅、正弦二维周期光栅或余弦二维周期光栅。

波长为λ_a的光源Ⅰ沿x方向+1级衍射光全部通过大孔A1形成一束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ沿x方向－1级衍射光全部通过大孔A2形成第二束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ沿y方向+1级衍射光全部通过大孔B1形成第三束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ沿y方向－1级衍射光全部通过大孔B2形成第四束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ的0级衍射光同时通过针孔C形成参考光。

基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置的检测方法，实现方式如下：

调整光源，波长为λ_a的光源Ⅰ发射的光经偏振片Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ发射的光经偏振片Ⅱ调制后经偏振分光棱镜汇合成一束再入射至准直扩束系统，经准直扩束系统准直扩束后的平行偏振光束，平行偏振光束经过测量窗口和待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过二维周期光栅产生衍射光束，其中0级和±1级衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，两个波长各得到两束具有正交偏振态的物光和一束参考光，五束光通过第二透镜在彩色图像传感器平面上产生干涉，从计算机采集获得的彩色干涉图样提取出波长为λ_a的光源Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ各自对应的两幅灰度全息图，通过计算得到待测物体的相位分布

其中：

其中，O_mn为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部；

O_mn＝FT^-1{C[FT(I_m)*F_mn]}

其中，m＝1、2，表示从彩色全息图中提取的对应波长的两幅全息图；FT表示傅里叶变换；FT^-1表示逆傅里叶变换；F为对应的滤波器；C()为裁剪频谱置中操作。

本发明的优点：本发明方法简单、处理方便，可充分利用图像传感器的空间分辨率和空间带宽积，提高了图像传感器的视场利用率，并通过简单的计算便可使得检测窗口大小和光栅周期互相匹配，避免了复杂的光路准直过程，具有光路简单，抗干扰能力强的优势。

基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测方法有以下特点和有益效果：

1.在共路结构基础上，将光栅离焦技术和孔阵列滤波技术相结合，通过一次曝光获得载波全息图，不仅保证系统干扰能力和检测的实时性，而且方法简单易行，调整方便，

2.通过一幅彩色全息图恢复出四幅相位图，再通过图像拼接技术得到最终的四视场相位图。

基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置有如下显著特点：

1.本发明装置结构简单，通过简单的计算使得检测窗口尺寸和光栅周期相匹配，在光学测量过程中系统定位复杂度要求低，且调整方便；

2.本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为孔阵列示意图；

图中件号说明：1为波长为λ_a的光源Ⅰ，2为偏振片Ⅰ，3为波长为λ_b的光源Ⅱ，4为偏振片Ⅱ，5为偏振分光棱镜，6为准直扩束系统，7为测量窗口，8为待测物体，9为第一透镜，10为二维周期光栅，11为孔阵列，12为偏振片Ⅲ，13为偏振片Ⅳ，14为偏振片Ⅴ，15为偏振片Ⅵ，16为第二透镜，17为光阑，18为图像传感器，19为计算机。

具体实施方式

本发明所述基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息装置与方法，它包括波长为λ_a的光源Ⅰ、偏振片Ⅰ、波长为λ_b的光源Ⅱ，偏振片Ⅱ、偏振分光棱镜、准直扩束系统、测量窗口、待测物体、第一透镜、二维周期光栅、孔阵列、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ、偏振片Ⅴ、偏振片Ⅵ，第二透镜、光阑、彩色图像传感器和计算机，其中λ_a>λ_b。波长为λ_a的光源Ⅰ发射的光束经偏振片Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ发射的光经偏振片Ⅱ调制后经偏振分光棱镜汇合成一束再入射至准直扩束系统，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过测量窗口和待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过二维周期光栅后，再经孔阵列滤波形成一束参考光和四束物光后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束经光阑整形后入射至彩色图像传感器的光接收面接收，彩色图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；第一透镜和第二透镜的焦距均为f；二维周期光栅x方向周期和y方向周期均为d；位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；

以光轴方向为z轴方向，平行纸面方面为x轴方向，射出纸面方向为y轴方向建立直角坐标轴；孔阵列上含有x方向依次排列的大孔A1、A2，y方向依次排列的大孔B1、B2，和处于光轴中心的针孔C，孔阵列位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中大孔A1和B1中心距光轴中心为2Δfλ_a/d，A2和B2中心距光轴中心为2Δfλ_b/d，针孔C的直径≤1.22fλ_b/D，D为图像传感器的视场宽度。偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ分别紧贴放置在大孔A1和大孔B1处，偏振片Ⅴ、偏振片Ⅵ分别紧贴放置在大孔A2和大孔B2处，两组偏振片偏振态正交以避免不必要的干涉；第一透镜和第二透镜的焦距都为f；待测物体位于第一透镜的前焦面上；图像传感器位于第二透镜的后焦面上；矩形窗口沿x轴方向的长度Dx与二维周期光栅的周期d之间满足关系：Dx＝2λ_bf/d；矩形窗口沿y轴方向的长度Dy与周期d之间满足关系：Dy＝2λ_bf/d。

孔阵列配合偏振片实现如下功能：大孔A1让波长为λ_a的光源Ⅰ沿x方向+1级衍射光全部通过形成一束物光，大孔A2让波长为λ_b的光源Ⅱ沿x方向－1级衍射光全部通过形成第二束物光，大孔B1让波长为λ_a的光源Ⅰ沿y方向+1级衍射光全部通过形成第三束物光，大孔B2让波长为λ_b的光源Ⅱ沿y方向－1级衍射光全部通过形成第四束物光，针孔C让波长为λ_a的光源Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ的0级衍射光滤波同时通过形成参考光。

待测物体紧贴矩形窗口放置，待测物体沿x轴方向的长度小于或等于Dx，沿y轴方向的长度小于或等于Dy。

打开光源，使波长为λ_a的光源Ⅰ和波长为λ_b的光源Ⅱ发射的光束经各自偏振片调制后入射至准直扩束系统后形成平行的偏振光束，该平行的偏振光束通过测量窗口和待测物体后，再依次经过第一透镜和二维周期光栅产生的0级和x方向和y方向±1级衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，得到两个波长各两束具有正交偏振态的物光和一束含有两个不相干光源的参考光，五束光通过第二透镜在彩色图像传感器平面上产生干涉，从计算机采集获得的彩色干涉图样提取出光源1和光源2所对应的两幅灰度全息图，通过计算得到待测物体的相位分布

其中，O_mn为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部；

O_mn＝FT^-1{C[ET(I_m)*F_mn]}

其中，m＝1、2，表示从彩色全息图中提取的对应波长的两幅全息图；FT表示傅里叶变换；FT^-1表示逆傅里叶变换；F为对应的滤波器；C()为裁剪频谱置中操作。

下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：1为波长为λ_a的光源Ⅰ，2为偏振片Ⅰ，3为波长为λ_b的光源Ⅱ，4为偏振片Ⅱ，5为偏振分光棱镜，6为准直扩束系统，7为测量窗口，8为待测物体，9为第一透镜，10为二维周期光栅，11为孔阵列，12为偏振片Ⅲ，13为偏振片Ⅳ，14为偏振片Ⅴ，15为偏振片Ⅵ，16为第二透镜，17为光阑，18为图像传感器，19为计算机，其中波长为λ_a的光源Ⅰ为波长632.8nm激光器,波长为λ_b的光源Ⅱ为波长514nm激光器；第一透镜9和第二透镜16的焦距均为200mm；光栅周期d＝50μm，离焦量△f＝150mm；针孔C的直径为≤1.22fλ_b/D，孔阵列大孔A1和B1和针孔B的中心间距均为1.9mm，孔阵列大孔A2和B2和针孔B的中心间距均为1.54mm。

本发明的检测方法的具体实施方式如下：波长为λ_a的光源Ⅰ1和波长为λ_b的光源Ⅱ3发射的光束经各自偏振片调制后入射至准直扩束系统6，经该准直扩束系统6准直扩束后的出射光束经过待测物体8后入射至第一透镜9，经第一透镜9汇聚后的出射光束通过二维周期光栅10后,再经孔阵列11滤波形成参考光和四束物光射向第二透镜16，经第二透镜16透射后的衍射光束经光阑17整形后入射至彩色图像传感器18的光接收面接收，图像传感器18的图像信号输出端连接计算机19的图像信号输入端；其中，由于本结构采用双波长，每个波长各有两束偏振态正交的物光，从而可避免物光发生干涉，避免了频谱间的串扰。

利用计算机19计算可得待测物体的相位分布

其中，O_mn为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部；

O_mn＝FT^-1{C[FT(I_m)*F_mn]}

其中，m＝1、2，表示从彩色全息图中提取的对应波长的两幅全息图；FT表示傅里叶变换；FT^-1表示逆傅里叶变换；F为对应的滤波器；C()为裁剪频谱置中操作。

Claims (4)

1.一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：包括波长为λ_a的光源Ⅰ(1)、偏振片Ⅰ(2)、波长为λ_b的光源Ⅱ(3)，偏振片Ⅱ(4)、偏振分光棱镜(5)、准直扩束系统(6)、测量窗口(7)、待测物体(8)、第一透镜(9)、二维周期光栅(10)、孔阵列(11)、偏振片Ⅲ(12)、偏振片Ⅳ(13)、偏振片Ⅴ(14)、偏振片Ⅵ(15)、第二透镜(16)、光阑(17)、彩色图像传感器(18)和计算机(19)，其中λ_a>λ_b；波长为λ_a的光源Ⅰ(1)发射的光经偏振片Ⅰ(2)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)发射的光经偏振片Ⅱ(4)调制后经偏振分光棱镜(5)汇合成一束再入射至准直扩束系统(6)，经准直扩束系统(6)准直扩束后的出射光束经过测量窗口(7)和待测物体(8)后入射至第一透镜(9)，经第一透镜(9)汇聚后的出射光束通过二维周期光栅(10)后,形成0级次和x方向与y方向的±1级次五束光，0级次经孔阵列(11)上针孔(C)滤波形成一束参考光，另外4束光通过大孔A1、A2、B1和B2后射向第二透镜(16)，经第二透镜(16)透射后的衍射光束经光阑(17)整形后入射至彩色图像传感器(18)的光接收面接收，彩色图像传感器(18)的图像信号输出端连接计算机(19)的图像信号输入端；所述的第一透镜(9)和第二透镜(16)的焦距均为f；二维周期光栅(10)x方向周期和y方向周期均为d；二维周期光栅(10)位于第一透镜(9)的后焦f-Δf处并且位于第二透镜(16)的前焦f+Δf处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；

孔阵列(11)上含有x方向依次排列的大孔A1、大孔A2，y方向依次排列的大孔B1、大孔B2，和处于光轴中心的针孔(C)，孔阵列(11)位于第一透镜(9)和第二透镜(16)的共轭焦平面上，其中大孔A1和大孔B1中心距光轴中心为2Δfλ_a/d，大孔A2和大孔B2中心距光轴中心为2Δfλ_b/d，针孔(C)的直径≤1.22fλ_b/D，D为图像传感器的视场宽度；偏振片Ⅲ(12)和偏振片Ⅳ(13)分别贴放在大孔A1和大孔B1处，偏振片Ⅴ(14)和偏振片Ⅵ(15)分别贴放在大孔A2和大孔B2处，两组偏振片偏振态正交以避免物光之间发生干涉；第一透镜(9)和第二透镜(16)的焦距都为f；待测物体(8)贴合测量窗口(7)放置于第一透镜(9)的前焦面上；彩色图像传感器(18)位于第二透镜(16)的后焦面上；测量窗口(7)沿x轴方向的长度Dx与二维周期光栅(10)的周期d之间满足关系：Dx＝2λ_bf/d；测量窗口(7)沿y轴方向的长度Dy与周期d之间满足关系：Dy＝2λ_bf/d。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：二维周期光栅(10)为二值二维周期光栅、正弦二维周期光栅或余弦二维周期光栅。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：波长为λ_a的光源Ⅰ(1)沿x方向+1级衍射光全部通过大孔A1形成一束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ(3)沿x方向－1级衍射光全部通过大孔A2形成第二束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)沿y方向+1级衍射光全部通过大孔B1形成第三束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ(3)沿y方向－1级衍射光全部通过大孔B2形成第四束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)的0级衍射光同时通过针孔(C)形成参考光。

4.一种基于权利要求3所述的基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置的检测方法，其特征在于：实现方式如下：

调整光源，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)发射的光经偏振片Ⅰ(2)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)发射的光经偏振片Ⅱ(4)调制后经偏振分光棱镜(5)汇合成一束再入射至准直扩束系统(6)，经准直扩束系统(6)准直扩束后的平行偏振光束，平行偏振光束经过测量窗口(7)和待测物体(8)后入射至第一透镜(9)，经第一透镜(9)汇聚后的出射光束通过二维周期光栅(10)产生衍射光束，其中0级和±1级衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列(11)，两个波长各得到两束具有正交偏振态的物光和一束参考光，五束光通过第二透镜(16)在彩色图像传感器(18)平面上产生干涉，从计算机(19)采集获得的彩色干涉图样提取出波长为λ_a的光源Ⅰ(1)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)各自对应的两幅灰度全息图，通过计算得到待测物体的相位分布

其中：

其中，O_mn为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部；

O_mn＝FT^-1{C[FT(I_m)*F_mn]}

其中，m＝1、2，表示从彩色全息图中提取的对应波长的两幅全息图；FT表示傅里叶变换；FT^-1表示逆傅里叶变换；F_mn为对应的滤波器；C()为裁剪频谱置中操作。