CN107388986B - 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法 - Google Patents

基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107388986B
CN107388986B CN201710589252.6A CN201710589252A CN107388986B CN 107388986 B CN107388986 B CN 107388986B CN 201710589252 A CN201710589252 A CN 201710589252A CN 107388986 B CN107388986 B CN 107388986B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
phase grating
dimensional phase
linear polarizer
under test
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710589252.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107388986A (zh
Inventor
钟志
刘磊
单明广
刘彬
张雅彬
王红茹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201710589252.6A priority Critical patent/CN107388986B/zh
Publication of CN107388986A publication Critical patent/CN107388986A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107388986B publication Critical patent/CN107388986B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置与方法。装置包括波长为λ的光源(1)、线偏振片Ⅰ(2)、准直扩束装置(3)、测量窗口(4)、待测物体(5)、第一透镜(6)、二维相位光栅(7)、孔阵列(8)、线偏振片Ⅱ(9)、线偏振片Ⅲ(10)、第二透镜(11)、光阑(12)、图像传感器(13)、计算机(14)。本技术通过二维相位光栅的分光和引入载波的作用实现视场的平移和频域的分离，并且通过偏振片组避免两束物光间的干涉来减小频谱间的串扰。本发明简单易行，调整方便，图像传感器的视场利用率高；全息图载波频率映射关系简单，可通过光栅离焦量简单精确控制，系统载波频率的复杂度低、相位恢复算法效率高。

Description

基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法
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相位光栅和点衍射的双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。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中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(RETRO-REFLECTOR)的双视场数字全息。利用两块角反射镜，通过在两束物光中引入不同方向的载波的方式实现了频域复用的概念，从而可以从一幅全息图恢复出两幅相位图，而角反射镜的视场翻转作用同时实现双视场功能。但两个角反射镜的引入，不仅提高了系统的成本，也提高了光路准直的难度。
在文献“Double-field-of-view,quasi-common-path interferometer usingFourier domain multiplexing”中Behnam Tayebi将测量区域分为三块，一种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，将离焦光栅分光技术和频谱复用技术相结合，提供了一种基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置，同时提供一种基于二维相位光栅和点衍射的双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相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置，包括波长为λ的光源、线偏振片Ⅰ、准直扩束装置、测量窗口、待测物体、第一透镜、二维相位光栅、孔阵列、线偏振片Ⅱ、线偏振片Ⅲ、第二透镜、光阑、图像传感器、计算机，波长为λ的光源发射的光束经线偏振片Ⅰ调制后入射至准直扩束装置，准直扩束后的出射光束经过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相位光栅后衍射形成x方向±1级次和y方向+1级次后，其中y方向+1级次经孔阵列上小孔B滤波后形成参考光、x方向±1级次通过大孔A1和A2后调制成偏振态正交的两束物光入射至第二透镜，透射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；线偏振片Ⅱ和线偏振片Ⅲ贴合放置在孔阵列的大孔A1和大孔A2处，偏振态正交；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；二维相位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；图像传感器位于第二透镜的后焦面上；二维相位光栅的x 方向周期dx与测量窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：dx＝2λf/D；待测物体贴合测量窗口放置，待测物体沿x轴方向的长度小于或等于D。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。
基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置的检测方法，检测方法实现过程如下：打开波长为λ的光源，使波长为λ的光源发射的光束经线偏振片Ⅰ和准直扩束装置后形成平行偏振光束，所述平行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相位光栅，形成的衍射级次通过傅里叶平面的孔阵列，x方向的±1级衍射光束通过大孔 A1和A2并被调制成偏振态互相正交的两束物光，y方向的+1级衍射光束经过点衍射得到参考光，三束光通过第二透镜在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图样根据测量窗口小窗口的尺寸分割获得1幅干涉图样，通过计算得到待测物体的相位分布
其中，On为待测物体的复振幅分布,Im()表示取虚部,Re()表示取实部， On＝FT-1{C[FT(Im)*Fn]}
其中，FT表示傅里叶变换，FT-1表示逆傅里叶变换，Fn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，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。
基于二维相位光栅和点衍射的双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，不仅使得系统干扰能力强、检测的实时性高，而且方法简单易行，调整方便，
2.通过一幅全息图恢复出两幅相位图，再通过图像拼接技术得到最终的双视场相位图。
基于二维相位光栅和点衍射的双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为基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置结构示意图；
图2为孔阵列示意图。
具体实施方式
本发明所述基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息装置，它包括：波长为λ的光源1、线偏振片Ⅰ2、准直扩束装置3、测量窗口4、待测物体5、第一透镜6、二维相位光栅7、孔阵列8、线偏振片Ⅱ9、线偏振片Ⅲ10、第二透镜11、光阑12、图像传感器13、计算机 14。波长为λ的光源发射1的光束经线偏振片Ⅰ2调制后入射至准直扩束装置3，准直扩束后的出射光束经过待测物体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相位光栅7，再经孔阵列8滤波后入射至第二透镜11，透射的衍射光束经光阑12整形后入射至图像传感器13的光接收面接收，图像传感器13的图像信号输出端连接计算机14的图像信号输入端；线偏振片Ⅱ9、线偏振片Ⅲ10紧贴放置在孔阵列8的两个大孔处，且偏振态正交以避免物光之间发生干涉；第一透镜6和第二透镜11的焦距都为f；待测物体5位于第一透镜6的前焦面上；二维相位光栅7位于第一透镜6的后焦f-△f处并且位于第二透镜11的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；图像传感器13位于第二透镜11的后焦面上；二维相位光栅7的x方向周期dx与测量窗口4沿x轴方向的宽度D之间满足关系：dx＝2λf/D。待测物体5紧贴测量窗口4放置，待测物体5沿x轴方向的长度小于或等于D。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；
打开波长为λ的光源1，使波长为λ的光源1发射的光束经线偏振片Ⅰ2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测量窗口4和待测物体5后，再依次经过第一透镜6和二维相位光栅7，在x、y方向分别产生±1级衍射光束并通过傅里叶平面的孔阵列8，x方向的±1级衍射光束通过大孔并被调制成偏振态互相正交的两束物光，y方向的+1级衍射光束经过小孔(B)点衍射得到参考光，三束光通过第二透镜11在图像传感器13平面上产生干涉，将计算机14采集获得的干涉图样根据测量窗口小窗口的尺寸分割获得1幅干涉图样，通过计算得到待测物体的相位分布
其中，On为待测物体的复振幅分布,Im()表示取虚部,Re()表示取实部， On＝FT-1{C[FT(Im)*Fn]}
其中，FT表示傅里叶变换，FT-1表示逆傅里叶变换，Fn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：光源1，线偏振片Ⅰ2，准直扩束装置3，测量窗口4，待测物体5，第一透镜6，二维相位光栅7，孔阵列8，线偏振片Ⅱ9，线偏振片Ⅲ10，第二透镜11，光阑 12，图像传感器13，计算机14，其中光源1为波长632.8nm激光器；第一透镜6和第二透镜 11的焦距均为200mm；光栅周期dx＝50μm，dy＝50μm，离焦量△f＝150mm；孔阵列大孔A1，大孔A2和针孔B的中心间距均为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：波长为λ的光源1发射的光束经线偏振片Ⅰ2 调制成45度线偏振光，再经准直扩束装置3后形成扩束光束，该光束经过待测物体5入射至第一透镜6，经第一透镜6汇聚后的出射光束射向二维相位光栅7；经过二维相位光栅7的汇聚光束在x、y方向上分别形成±1级衍射光，经孔阵列8滤波并由线偏振片Ⅱ9和线偏振片Ⅲ10调制形成两束偏振态正交的物光和一束参考光，并射向第二透镜11，经第二透镜11透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被图像传感器13采集到计算机并被计算机14处理，计算得到待测物体的相位分布
其中，On为待测物体的复振幅分布,Im()表示取虚部,Re()表示取实部， On＝FT-1{C[FT(Im)*Fn]}
其中，FT表示傅里叶变换，FT-1表示逆傅里叶变换，Fn为对应滤波器，C()为裁剪频谱置中操作。

Claims (1)

1.一种基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置的检测方法，所述检测装置包括波长为λ的光源(1)、线偏振片Ⅰ(2)、准直扩束装置(3)、测量窗口(4)、待测物体(5)、第一透镜(6)、二维相位光栅(7)、孔阵列(8)、线偏振片Ⅱ(9)、线偏振片Ⅲ(10)、第二透镜(11)、光阑(12)、图像传感器(13)、计算机(14)，波长为λ的光源(1)发射的光束经线偏振片Ⅰ(2)调制后入射至准直扩束装置(3)，准直扩束后的出射光束经过待测物体(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相位光栅(7)后衍射形成x方向±1级次和y方向+1级次后，其中y方向+1级次经孔阵列(8)上小孔B滤波后形成参考光、x方向±1级次通过大孔A1和A2后调制成偏振态正交的两束物光入射至第二透镜(11)，透射的衍射光束经光阑(12)整形后入射至图像传感器(13)的光接收面接收，图像传感器(13)的图像信号输出端连接计算机(14)的图像信号输入端；线偏振片Ⅱ(9)和线偏振片Ⅲ(10)分别贴合放置在孔阵列(8)的大孔A1和大孔A2处，偏振态正交；第一透镜(6)和第二透镜(11)的焦距都为f；待测物体(5)位于第一透镜(6)的前焦面上；二维相位光栅(7)位于第一透镜(6)的后焦f-△f处并且位于第二透镜(11)的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；图像传感器(13)位于第二透镜(11)的后焦面上；二维相位光栅(7)的x方向周期dx与测量窗口(4)沿x轴方向的宽度D之间满足关系：dx＝2λf/D；待测物体(5)贴合测量窗口(4)放置，待测物体(5)沿x轴方向的长度小于或等于D；
其特征在于：检测方法实现过程如下：打开波长为λ的光源(1)，使波长为λ的光源(1)发射的光束经线偏振片Ⅰ(2)和准直扩束装置(3)后形成平行偏振光束，所述平行偏振光束通过测量窗口(4)和待测物体(5)后，再依次经过第一透镜(6)和二维相位光栅(7)，形成的衍射级次通过傅里叶平面的孔阵列(8)，x方向的±1级衍射光束分别通过大孔A1和大孔A2并被调制成偏振态互相正交的两束物光，y方向的+1级衍射光束经过小孔(B)点衍射得到参考光，三束光通过第二透镜(11)在图像传感器(13)平面上产生干涉，将计算机(14)采集获得的干涉图样根据测量窗口(4)小窗口的尺寸分割获得1幅干涉图样I，通过计算得到待测物体的相位分布
其中，On为待测物体的复振幅分布,Im()表示取虚部,Re()表示取实部，
On＝FT-1{C[FT(I)*Fn]}
其中，FT表示傅里叶变换，FT-1表示逆傅里叶变换，Fn为对应滤波器，C()为裁剪频谱置中操作。
CN201710589252.6A 2017-07-19 2017-07-19 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法 Active CN107388986B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710589252.6A CN107388986B (zh) 2017-07-19 2017-07-19 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710589252.6A CN107388986B (zh) 2017-07-19 2017-07-19 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107388986A CN107388986A (zh) 2017-11-24
CN107388986B true CN107388986B (zh) 2019-07-16

Family

ID=60340028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710589252.6A Active CN107388986B (zh) 2017-07-19 2017-07-19 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107388986B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108120393B (zh) * 2017-12-19 2020-03-20 中国科学院光电技术研究所 一种多光场调制的三维形貌测量方法
CN109343321B (zh) * 2018-12-10 2020-09-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 X射线单次曝光相移径向剪切数字全息成像方法
CN111561864B (zh) * 2020-04-29 2022-02-18 西安电子科技大学 一种基于偏振光栅的点衍射数字全息显微装置及方法
CN114018850B (zh) * 2021-10-11 2024-03-15 江苏科技大学 一种傅里叶红外偏振光谱测量系统及测量方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102589414A (zh) * 2012-02-21 2012-07-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 可实时测量的同步相移斐索干涉装置
CN102954842A (zh) * 2012-10-30 2013-03-06 哈尔滨工程大学 基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9360423B2 (en) * 2011-07-01 2016-06-07 Canon Kabushiki Kaisha Optical system for a holographic microscope including a spatial filter
WO2016115321A2 (en) * 2015-01-16 2016-07-21 Massachusetts Institute Of Technology Diffraction-grating-based common-path interferometer for imaging fourier-transform spectroscopy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102589414A (zh) * 2012-02-21 2012-07-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 可实时测量的同步相移斐索干涉装置
CN102954842A (zh) * 2012-10-30 2013-03-06 哈尔滨工程大学 基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《193nm移相点衍射干涉仪的测量误差分析》;邢廷文 等;《光电工程》;20090228;第36卷(第2期);67-72
《Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer》;Robert M. Neal 等;《APPLIED OPTICS》;20060520;第45卷(第15期);3463-3476
《相移点衍射干涉仪的关键技术研究》;李艳秋 等;《激光与光电子学进展》;20100131;第47卷(第1期);第011201-2至011201-4页
《空域移相偏振点衍射波前检测技术》;郑东晖 等;《物理学报》;20160630;第65卷(第11期);第114203-2页第2栏最后一段至114203-3页

Also Published As

Publication number Publication date
CN107388986A (zh) 2017-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107388986B (zh) 基于二维相位光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法
CN107462150B (zh) 基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法
CN107167244B (zh) 基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法
CN106441085B (zh) 一种双载频共路数字全息显微装置及显微方法
CN107388959B (zh) 基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置与方法
CN107179127B (zh) 偏振态参量的点衍射式数字全息测量装置与方法
CN107356195B (zh) 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
CN105423911B (zh) 一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法
JP6202499B2 (ja) 光位相測定方法、光位相測定装置および光通信装置
CN107356196B (zh) 三波长载频复用共路数字全息检测装置与方法
CN102749834A (zh) 一种光学显微成像系统及成像方法
CN104834201A (zh) 双波长偏振复用数字全息成像系统及方法
CN107421437B (zh) 基于二维相位光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置与方法
CN107991242A (zh) 一种基于偏振分光棱镜的测量样品偏振态的方法与系统
CN102393569B (zh) 偏振光学扫描器
CN109164691A (zh) 一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法
CN104535188A (zh) 一种空间频率调制的静态全偏振成像探测系统及方法
CN103323938A (zh) 一种获取立体显微图像的方法
CN107121196B (zh) 一种基于视场反转共路数字全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法
CN114894799B (zh) 一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法
CN107101724B (zh) 一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法
CN107356194B (zh) 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
CN107228712B (zh) 一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置与方法
CN107917760A (zh) 基于透射点衍射式共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法
CN102954758A (zh) 基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant