CN107356195B - 基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置与方法。包括：出射波长为λ光源(1)、偏振片Ⅰ(2)、准直扩束装置(3)、测量窗口(4)、待测物体(5)、第一透镜(6)、二维周期光栅(7)、孔阵列(8)、偏振片Ⅱ(9)、偏振片Ⅲ(10)、偏振片Ⅳ(11)，第二透镜(12)、光阑(13)、图像传感器(14)、计算机(15)。通过二维周期光栅分光和引入载波实现视场平移和频域分离，通过偏振片组避免三束物光间干涉，实现频谱间串扰减小。本发明简单易行，调整方便，图像传感器视场利用率高；全息图载波频率映射关系简单，确定容易，通过光栅离焦精确控制，系统载波频率确定复杂度低，相位恢复算法效率高。

Description

基于二维周期光栅和点衍射的三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三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(如全息干板等)记录数字全息图，并将数字全息图保存于计算机中，通过数值计算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，可以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。

2013年哈尔滨工程大学单明广在文献“Parallel two-step spatial carrierphase-shifting common-path interferometer with a Ronchi grating outside theFourier plane”中利用一维周期光栅离焦的方式同时在在全息图中实现了载波的引入和视场的平移。但该技术仅适应于单波长单视场的数字全息中。

在文献“Doubling the field of view in off-axis low-coherenceinterferometric imaging”中Natan T.Shaked提出了基于角(RETRO-REFLECTOR)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。

在文献“Double-field-of-view,quasi-common-pathinterferometer usingFourier domain multiplexing”中Behnam Tayebi将测量区域分为三块，其中两块含有待测物体信息，一块作为参考光，并通过分别反射的方式同时实现了频谱复用和双视场全息。但是其结构准直难度更高。

可以发现，目前的多视场数字全息检测中技术中，普遍存在准直难度大、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：将光栅离焦分光技术和频谱复用技术相结合，提供了一种基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置，同时提供一种基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置的检测方法。

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三视场数字全息检测装置包括：出射波长为λ的光源、偏振片Ⅰ、准直扩束装置、测量窗口、待测物体、第一透镜、二维周期光栅、孔阵列、偏振片Ⅱ、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ，第二透镜、光阑、图像传感器、计算机；出射波长为λ的光源发射的光经线偏振片Ⅰ调制成45°线偏振光后入射至准直扩束装置，经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、x方向±1级次和y方向-1级次4束光，通过衍射成参考光后,y方向-1级次经孔阵列上小孔B滤波形成参考光和0级次、x方向±1级次通过大孔A1、A2和A3后形成具有特定偏振态的三束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束经光阑整形后入射至图像传感器的光接收面接收，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；偏振片Ⅱ、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ分别贴于孔阵列上大孔A1、大孔A2和大孔A3放置；所述的第一透镜和第二透镜的焦距均为f；二维周期光栅在x、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。

本发明装置的x方向+1级衍射光全部通过孔阵列的大孔A1形成一束物光，x方向－1级衍射光全部通过孔阵列的大孔A3形成第二束物光，0级衍射光全部通过孔阵列的大孔A2形成第三束物光，y方向-1级衍射光滤波通过针孔B形成参考光。

基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置的检测方法，实现方式如下：

打开出射波长为λ的光源，使出射波长为λ的光源发射的光束经偏振片Ⅰ和准直扩束装置后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过待测物体和测量窗口后，再依次经过第一透镜和二维周期光栅，在x方向上得到±1级和0级衍射光束，在y方向上得到-1级衍射光束，衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，得到具有特定偏振态的三束物光和一束参考光，四束光通过第二透镜在图像传感器平面上产生干涉，根据测量窗口的小窗口尺寸对计算机采集获得的干涉图样进行分割，获得1幅干涉图样后通过计算得到待测物体的相位分布

其中，O_n为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，O_n＝FT^-1{C[FT(Im)*F_n]}，

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，F_n为对应滤波器，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，提高图像传感器的视场利用率，通过简单的计算即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。

基于二维周期光栅和点衍射的三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，将光栅离焦分光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.通过一幅全息图恢复出三幅相位图，再通过图像拼接技术得到最终的三视场相位图。

基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置具有如下显著特点：

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为基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置结构示意图；

图2为孔阵列示意图；

图中件号说明：1为出射波长为λ的光源，2为偏振片Ⅰ，3为准直扩束装置，4为测量窗口，5为待测物体，6为第一透镜，7为二维周期光栅，8为孔阵列，9为偏振片Ⅱ，10为偏振片Ⅲ，11为偏振片Ⅳ，12为第二透镜，13为光阑，14为图像传感器，15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三视场数字全息检测装置与方法，它包括出射波长为λ的光源，偏振片Ⅰ、准直扩束装置、测量窗口、待测物体、第一透镜、二维周期光栅、孔阵列、偏振片Ⅱ、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ、第二透镜、光阑、图像传感器和计算机。出射波长为λ的光源发射的光经线偏振片调制成45°线偏振光后入射至准直扩束装置，经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参考光和具有特定偏振态的三束物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束经光阑整形后入射至图像传感器的光接收面接收，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；偏振片Ⅱ、偏振片Ⅲ、偏振片Ⅳ分别紧贴孔阵列三个大孔A1、A2和A3放置。所述的第一透镜和第二透镜的焦距均为f；二维周期光栅在x、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；以光轴的方向为z轴，建立xyz三维直角坐标轴。孔阵列在x方向上含有以中心间距Δfλ/dx依次排列的大孔A1，大孔A2和大孔A3；在y方向上含有直径≤1.22fλ/D的针孔B，位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中D为图像传感器的视场宽度。偏振片Ⅱ、偏振片Ⅳ分别与偏振片Ⅲ正交以避免物光之间的干涉；第一透镜和第二透镜的焦距都为f；测量窗口沿x轴方向的宽度为Dx；待测物体放置于第一透镜的前焦面上，且紧贴矩形窗口放置，其沿x轴方向的长度≤Dx；图像传感器位于第二透镜的后焦面上；Dx，d之间满足关系：Dx＝3λf/d。

本发明装置的x方向+1级衍射光全部通过孔阵列的大孔A1形成一束物光，x方向－1级衍射光全部通过孔阵列的大孔A3形成第二束物光，0级衍射光全部通过孔阵列的大孔A2形成第三束物光，y方向－1级衍射光滤波通过针孔B形成参考光。其中大孔上的偏振片通过对三束物光的偏振态进行调制，以避免物光之间的干涉。

打开出射波长为λ的光源，使光源发射的光束经偏振片和准直扩束装置后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过待测物体和矩形窗口后，再依次经过第一透镜和二维周期光栅，在x方向上得到±1级和0级衍射光束，在y方向上得到-1级衍射光束，衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，得到具有特定偏振态的三束物光和一束参考光，四束光通过第二透镜在图像传感器平面上产生干涉，根据矩形窗口的小窗口尺寸对计算机采集获得的干涉图样进行分割，获得1幅干涉图样后通过计算得到待测物体的相位分布

其中，O_n为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，O_n＝FT^-1{C[FT(Im)*F_n]}

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，F_n为对应滤波器，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：出射波长为λ的光源1，偏振片Ⅰ2，准直扩束装置3，测量窗口4，待测物体5，第一透镜6，二维周期光栅7，孔阵列8，偏振片Ⅱ9，偏振片Ⅲ10，偏振片Ⅳ11，第二透镜12，光阑13，图像传感器14，计算机15。其中出射波长为λ的光源1为波长为632.8nm激光器；第一透镜6和第二透镜12的焦距均为200mm；光栅周期dx＝dy＝50μm，离焦量△f＝150mm；孔阵列大孔A1，大孔A2，大孔A3和针孔B的中心距光线中心间距均为1.9mm，针孔B的直径为≤1.22fλ/D。

本发明的检测方法的具体实施方式如下：出射波长为λ的光源1发射的光束经偏振片Ⅰ2调制成45度线偏振光，再经准直扩束装置3后形成扩束的光束，该光束经过待测物体5后入射至第一透镜6，出射光束经第一透镜6汇聚后射向二维周期光栅7；经过二维周期光栅7的汇聚光束分成的四束衍射光经孔阵列8滤波并由偏振片Ⅱ9，偏振片Ⅲ10，偏振片Ⅳ11调制形成一束参考光和三束具有特定偏振态的物光，形成的四束光射向第二透镜12，经透射后的光束形成一幅干涉图I，该干涉图经光阑13整形后并经过图像传感器14采集到计算机15后进行处理，计算得到待测物体的相位分布

其中，O_n为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部,Re()表示取实部，O_n＝FT^-1{C[FT(Im)*F_n]}

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，F_n为对应滤波器，C()为裁剪频谱置中操作。

Claims (1)

1.一种基于二维周期光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置的检测方法，所述检测装置包括：出射波长为λ的光源(1)、偏振片Ⅰ(2)、准直扩束装置(3)、测量窗口(4)、待测物体(5)、第一透镜(6)、二维周期光栅(7)、孔阵列(8)、偏振片Ⅱ(9)、偏振片Ⅲ(10)、偏振片Ⅳ(11)，第二透镜(12)、光阑(13)、图像传感器(14)、计算机(15)；出射波长为λ的光源(1)发射的光经偏振片Ⅰ(2)调制成45°线偏振光后入射至准直扩束装置(3)，经准直扩束后的出射光束经过测量窗口(4)和待测物体(5)后入射至第一透镜(6)，经第一透镜(6)汇聚后的出射光束通过二维周期光栅(7)后形成0级次、x方向±1级次和y方向-1级次4束光，y方向-1级次经孔阵列(8)上针孔(B)滤波形成参考光，0级次、x方向±1级次分别通过大孔A1、A2和A3后形成具有特定偏振态的三束物光，参考光和三束物光射向第二透镜(12)，经第二透镜(12)透射后的衍射光束经光阑(13)整形后入射至图像传感器(14)的光接收面接收，图像传感器(14)的图像信号输出端连接计算机(15)的图像信号输入端；偏振片Ⅱ(9)、偏振片Ⅲ(10)、偏振片Ⅳ(11)分别贴于孔阵列(8)上大孔A1、大孔A2和大孔A3放置；所述的第一透镜(6)和第二透镜(12)的焦距均为f；二维周期光栅(7)在x、y方向周期均为d；二维周期光栅(7)位于第一透镜(6)的后焦f-△f处并且位于第二透镜(12)的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；x方向+1级衍射光全部通过孔阵列(8)的大孔A1形成一束物光，x方向－1级衍射光全部通过孔阵列(8)的大孔A3形成第二束物光，0级衍射光全部通过孔阵列的大孔A2形成第三束物光，y方向-1级衍射光滤波通过针孔(B)形成参考光；

其特征在于：实现方式如下：

打开出射波长为λ的光源(1)，使出射波长为λ的光源(1)发射的光束经偏振片Ⅰ(2)和准直扩束装置(3)后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过待测物体(5)和测量窗口(4)后，再依次经过第一透镜(6)和二维周期光栅(7)，在x方向上得到±1级和0级衍射光束，在y方向上得到-1级衍射光束，衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列(8)，得到具有特定偏振态的三束物光和一束参考光，四束光通过第二透镜(12)在图像传感器(14)平面上产生干涉，根据测量窗口(4)的小窗口尺寸对计算机(15)采集获得的干涉图样I进行分割，获得1幅干涉图样后通过计算得到待测物体的相位分布

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

O_n＝FT^-1{C[FT(I)*F_n]}

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，F_n为对应滤波器，C()为裁剪频谱置中操作。