CN107462150B - 基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法 - Google Patents

基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息装置与方法，属于数字全息检测领域。装置包括波长为λ的光源、线偏振片Ⅰ、准直扩束装置、矩形测量窗口、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、线偏振片Ⅱ、线偏振片Ⅲ、第二透镜、光阑、图像传感器和计算机。本技术通过一维周期光栅的分光和引入载波的作用实现了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的干涉，实现了频谱间串扰的减小。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，确定容易，并可通过光栅离焦量精确控制，系统载波频率的复杂度低，相位恢复算法效率高。

Description

基于一维周期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，特别涉及一种基于一维周期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。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等在文献“Parallel two-step spatial carrierphase-shifting common-path interferometer with a Ronchi grating outside theFourier plane”中采用一维周期光栅离焦的方式同时在全息图中实现了载波的引入和视场的平移。但是该结构仅实现了单个视场的记录与测量。
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。利用两块角反射镜可以在两束物光中引入不同方向的载波，通过频域复用可以在一幅全息图恢复出两幅相位图。角反射镜的视场翻转作用同时实现了系统的双视场。但是此种方法采用的角反射镜不仅提高了成本，也提高了光路准直的难度。
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，提供了一种基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置,同时提供一种基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测方法。
本发明实现方法如下：
一种基于一维周期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、矩形测量窗口、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、线偏振片Ⅱ、线偏振片Ⅲ、第二透镜、光阑、图像传感器和计算机，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矩形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一维周期光栅后,再经孔阵列滤波形成参考光和两束偏振态正交的物光并射向第二透镜，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；线偏振片Ⅱ和线偏振片Ⅲ分别贴放在孔阵列的大孔A1和大孔A2处，且偏振态正交；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并贴放在矩形测量窗口处，待测物体沿x轴方向的长度小于等于矩形测量窗口沿x轴方向的尺寸D；一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；图像传感器位于第二透镜的后焦面上；一维周期光栅的周期d 与矩形测量窗口沿x轴方向的尺寸D之间满足关系：d＝2λf/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。
基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息检测装置的检测方法，包括：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和准直扩束装置准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过矩形测量窗口和待测物体后，再依次经过第一透镜和一维周期光栅产生得到0级和±1级衍射光束，衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，得到两束偏振态正交的物光和一束参考光，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矩形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。
本发明有以下特点和有益效果：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。
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，不仅使得系统的干扰能力强，检测的实时性高，而且方法简单易行，调整方便，
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。
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低，调整方便；
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为基于一维周期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
本发明所述基于一维周期光栅和点衍射的双视场数字全息装置与方法，它包括波长为λ的光源，线偏振片Ⅰ、准直扩束装置、矩形测量窗口、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、线偏振片Ⅱ、线偏振片Ⅲ、第二透镜、光阑、图像传感器和计算机。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矩形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一维周期光栅后，再经孔阵列滤波形成参考光和两束偏振态正交的物光并射向第二透镜，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；线偏振片Ⅱ、线偏振片Ⅲ分别紧贴放置在孔阵列的大孔A1和大孔A2处，且偏振态正交；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并紧贴矩形窗口放置，其沿x轴方向的长度小于等于矩形测量窗口沿x轴方向的宽度D；图像传感器放置于第二透镜的后焦面上；一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；图像传感器位于第二透镜的后焦面上；一维周期光栅的周期d与矩形测量窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d＝2λf/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。
以光轴方向为z轴方向建立直角坐标轴，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，大孔A2和针孔B以中心间距Δfλ/d依次排列，，针孔B的直径满足≤1.22fλ/D，D为图像传感器的视场宽度。孔阵列的大孔A1配合偏振片2让+1级衍射光全部通过形成一束物光，大孔A2配合偏振片3让0级衍射光全部通过形成另一束物光，针孔B让－1级衍射光滤波通过形成参考光。
打开光源，使光源发射的光束经线偏振片和准直扩束装置准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过矩形窗口和待测物体后，再依次经过第一透镜和一维周期光栅产生0级和±1级衍射光束，衍射光束通过位于傅里叶平面的孔阵列，得到两束偏振态正交的物光和一束参考光，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矩形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：波长为λ的光源1、线偏振片Ⅰ2、准直扩束装置3、矩形测量窗口4、待测物体5、第一透镜6、一维周期光栅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和计算机14，其中波长为λ的光源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d＝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≤1.22fλD。
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，再经准直扩束系统3后形成扩束的光束，该光束经过矩形测量窗口4和待测物体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一维周期光栅7；经过一维周期光栅7后形成0级衍射光和±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调制形成参考光和两束偏振态正交的物光后射向第二透镜11，经第二透镜11透射后的汇合光束成一幅干涉图I，被光阑12整形后利用图像传感器13采集到计算机14并进行处理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)

1.一种基于一维周期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)、矩形测量窗口(4)、待测物体(5)、第一透镜(6)、一维周期光栅(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)和计算机(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矩形测量窗口(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一维周期光栅(7)后,再经孔阵列(8)滤波形成参考光和两束偏振态正交的物光并射向第二透镜(11)，经第二透镜(11)透射后的衍射光束经光阑(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)分别贴放在孔阵列的大孔A1和大孔A2处，且偏振态正交；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)的前焦面上并贴放在矩形测量窗口(4)处，待测物体(5)沿x轴方向的长度小于等于矩形测量窗口(4)沿x轴方向的尺寸D；一维周期光栅(7)位于第一透镜(6)的后焦f-△f处并且位于第二透镜(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；一维周期光栅(7)的周期d与矩形测量窗口(4)沿x轴方向的尺寸D之间满足关系：d＝2λf/D；
其特征在于：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)准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过矩形测量窗口(4)和待测物体(5)后，再依次经过第一透镜(6)和一维周期光栅(7)产生得到0级和±1级衍射光束，衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列，得到两束偏振态正交的物光和一束参考光，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矩形测量窗口(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(5)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。
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