CN1475877A - 两次曝光全息层析装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种两次曝光全息层析装置及其使用方法，该两次曝光全息层析装置包含He－Ne激光器、扩束望远镜，两块半透半反镜、两块全反镜、旋转工作台、样品、样品室、透镜、接收器CCD和计算机，所述的旋转工作台是能将置于样品室内的样品在0°～180°范围内转动并具有刻度的工作台；所说的He－Ne激光器是一台单横模可见相干光源，所说的扩束望远镜可将He－Ne激光束扩大100倍的光学系统；所说的两块半透半反镜是具有50％反射率和透过率的介质膜镜；所说的全反镜是具有100％反射率的介质膜镜。利用本发明能实时高分辨率重构物体的三维位相信息空间分布，为研究等离子体，高温炉内温度场分布，脉冲灯内放电状况以及各种光学样品的检测提供了一个有力工具。

Description

两次曝光全息层析装置及其使用方法

技术领域：

本发明涉及全息层析技术，特别是一种两次曝光全息层析装置及其使用方法，它能够高分辨、实时地给出物体的三维位相分布。

背景技术：

两次曝光全息术是全息干涉计量学中的一个重要组成部分。我们知道，所有光学干涉仪的工作原理都是基于两个或者多个波面的比较。两次曝光全息术则是将物体两个不同时刻的波面相比较，例如一个是初始波面，而另一个是变化了的波面，如果我们将初始波面作基准波面，那么取样不同时刻的波面与初始波面作比较，就可以获得物波变化序列的波面。

在记录过程中，对一张全息干板作两次曝光，一次是记录初始波面的全息图，另一次是记录变化以后的物光波的全息图，这两张全息图记录在同一张干板上，当用参考波照明时，可重构出两个物光波面，这两个波面重叠以后产生干涉，干涉条纹的分布反映了物波波面的变化。

假定参考光波为：

r(x，y)＝R₀exp[jψ_R(x，y)]

初始物光波为：

o₁(x，y)＝O₁(x，y)exp[jψ₁(x，y)]

变化以后的物光波：

o₂(x，y)＝O₂(x，y)exp{[j[ψ₂(x，y)+Δψ₂(x，y)]]

式中，R₀、ψ_R是参考波振幅和位相，O₁、ψ₁，O₂、ψ₂为物波振幅和位相。在线性记录条件下，全息图的振幅透射系数I_H与曝光量成正比，即：

I_H(x，y)∝|o₁+r|²+|o₂+r|²

＝(O₁ ²+R₀ ²)+O₁R₀exp[j(ψ₁-ψ_R)]+O₁R₀exp[-j(ψ₁-ψ_R)]

  +(O₂ ²+R₀ ²)+O₂R₀exp[j(ψ₁+Δψ-ψ_R)]+O₂R₀exp[-j(ψ₁+Δψ-ψ_R)]   (1)

假定用参考波照明重构，则重构光波为：

i＝(O₁ ²+R₀ ²)r+O₁R₀ ²exp(jψ₀)+O₁R₀ ²exp[-j(ψ₀-2ψ_R)]+(O₂ ²+R₀ ²)r

  +O₂ ²R₀ ²exp[j(ψ₁+Δψ)]+O₂R₀ ²exp[-j(ψ₁+Δψ-2ψ_R)]                 (2)

(2)式中，第一、第四两项是透射光，第二、五两项是原始像项；第三、六两项是共轭像，我们考虑原始像项，其复振幅为：

A＝O₁R₀ ²exp(jψ₁)+O₂R₀ ²exp[j(ψ₁+Δψ)]                     (3)

其强度为I∝AA^*，如果我们让两次曝光的振幅相等，再略去不重要的常数项，可得到：

I∝1+cos[Δψ(x，y)]                                        (4)

即两次曝光的结果是，干涉图形上的条纹变化直接反映了两次曝光前后，物光波位相变化，但只能反映二维的位相变化。

层析成像亦称计算机断层扫描、投影图像重现术等，简称CT(ComputerTomography)。用一句简单的话来说，就是借助物体的多重投影，采用计算机技术来恢复原始物体的三维图像。

近年来，它的应用远远超过医学和生命科学范畴，已涉及材料科学、信息科学以及许多工业应用领域，并正向人们显示它巨大的潜在多学科应用前景。

CT的成像方法完全不同于常规摄影成像。普通摄影是将三维空间的图像投影到一个二维平面上，即图像上每一点，是被测物体沿着观察方向的线积分。因此，从一张普通的照片，得不到物体的深度分布信息，并且各深度的图像叠合在一起，使图像模糊不清。

层析特别是X-CT，解决了医学对肌体逐层成像的问题。它能将衰减系数在千分之五的差异区分出来，所以具有高密度分辨率，可以清楚地辨别肿瘤、血块、坏死组织等。由于近代计算机技术和光学信息处理技术的发展，使得层析成像技术获得更广泛的应用。

层析成像的物理原理，是基于光线与物质的相互作用。光线通过吸收系数为μ，厚度为l的介质，其衰减应遵守比尔(Beer)定律：

     I＝I₀exp(-μl)或μl＝ln(I₀/I)                           (5)

当待测物体在投影方向吸收系数不均匀时，应有线积分形式：

或 $(I_0/I)={\∫}_L\mathrm{\μ}\left(l\right)\mathrm{dl}----\left(6\right)$

线积分∫_Lμ(l)dl称为射线投影，当介质不但在投影方向，而且在投影方向的垂直方向也不均匀时，式(6)变为：

上式中的x_r、y_r直角坐标系为扫描转动坐标系，设X-Y直角坐标系为静止坐标系，ψ为x_r轴相对于X轴的转角，如图1所示。

对上式两边同时取对数，使方程线性化，得到新函数 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\φ}}\left(x_r\right)=-\ln \frac{I_{\mathrm{\φ}}\left(x_r\right)}{I_0}={\∫}_{+\∞}^{+\∞}\mathrm{\μ}(x_r,y_r){\mathrm{dy}}_r$ (8)

从μ(x_r，y_r)的分布，经X射线束扫描得到投影数据λ_φ(x_r)的过程，也称为二维物体的拉冬变换。层析成像的任务，就是用所测得的λ_φ(x_r)去得到μ(x_r，y_r)的分布，这就是从投影重构图像的基本原理。

从上面我们可以看出，层析只能获得吸收型物体的三维空间分布，而得不到位相信息，从以上分析可以看出：两次曝光全息成像技术只能获得二维重叠的位相信息，而层析技术只能获得三维的振幅信息。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种两次曝光全息层析装置及其获得物体较高空间分辨率的三维位相图像的方法，它能给出物体的三维位相分布。

本发明的技术解决方案如下：

一种两次曝光全息层析装置，该装置包含He-Ne激光器、扩束望远镜，两块半透半反镜、两块全反镜、旋转工作台、样品、样品室、透镜、接收器CCD和计算机，所述的旋转工作台是能将置于样品室内的样品在0°～180°范围内转动并具有刻度的工作台；所说的He-Ne激光器是一台单横模可见相干光源，所说的扩束望远镜可将He-Ne激光束扩大100倍的光学系统；所说的两块半透半反镜是具有50％反射率和透过率的介质膜镜；所说的全反镜是具有100％反射率的介质膜镜。

所说的样品是一个待研究的温度场，或者是一个等离子体，或说是一块玻璃样品等；

所说的接收器CCD是电荷耦合器。

利用本发明两次曝光全息层析装置获得物体三维位相图像的方法，包括下列步骤：

①将两次曝光全息层析装置调整到工作状态；

②如果我们假定待测物体是一块玻璃位相样品，首先去掉样品拍一张全息图，存信息在计算机中；

③然后放入样品，置旋转工作台7于0°，拍摄第二张全息图，并存信息于计算机中；

④以后相继转动工作台，每隔10°拍一张全息图，一直转动到180°，一共拍了20张全息图；

⑤以后分别将19张全息图和第一张未含物体信息全息图按两次曝光法进行重构，就可以获得19张二维的重构图；

⑥再利用这19张二维的重构图按常规进行CT重构，就可以获得较高空间分辨率的三维位相图像。

与在先技术相比，利用本发明两次曝光全息层析装置能实时高分辨率重构物体的三维位相信息空间分布，为研究等离子体，高温炉内温度场分布，脉冲灯内放电状况以及各种光学样品的检测提供了一个有力工具。

附图说明：

图1为在先技术中坐标系统。

图2为本发明两次曝光全息层析装置实施例结构示意图。

具体实施方式：

请先参阅图2，图2为本发明两次曝光全息层析装置实施例结构示意图。由图可见，本发明两次曝光全息层析装置包含14个部分：He-Ne激光器1，扩束望远镜2，半反射镜3、4，全反镜5、6，旋转工作台7，样品8，样品室9，透镜10、11、12，接收器CCD13和计算机14。

所说的He-Ne激光器1是一台功率为1mW单横模可见相干光源。

所说的扩束望远镜2，是将He-Ne激光束扩大100倍的光学系统。

所说的半反射镜3、4是具有50％反射率和透过率的介质膜镜。

所说的全反镜5、6是具有100％反射率的介质膜镜。

所说的旋转台7是能将样品在0°～360°范围内转动并具有刻度的工作台。

所说的样品8是一个待研究的温度场，或者是一个等离子体，或说是一块玻璃样品等。

所说的样品室9是用来放置待测样品的，样品室9能上下夹紧样品8，四周都通光。

所说透镜10、11、12焦距为50mm，50mm和5mm，能将光束缩小10倍，成像在CCD13上；所说的接收器CCD13为795×796阵列，像素尺寸为14μm、对6328敏感的电荷耦合器；所说的计算机14是用来重构物体三维位相分布的，内装有重构软件。

利用本发明两次曝光全息层析装置获得物体三维位相图像的方法，包括下列步骤：首先将待测样品8从样品室9内取出，旋转台7置于0°位置，拍摄第一张全息图，然后轻轻将样品8放入样品室9内，待稳定后，拍第二张全息图，转动旋转台7到10°位置，待稳定后，拍第三张全息图，一直将旋转台7转动到180°位置，拍完第20张全息图，分别将第一张全息图与以后的19张按两次曝光法进行数字重构，获得19张全息图二维重构图，再利用这19张重构图的数据，进行常规层析重构，就可以获得待测玻璃样品的三维位相空间分布。

如果要提高重构位相分布的分辨率，那么将旋转台7的取样间隔减小到5°，即每隔5°拍摄第3张到第20张全息图即可。

Claims (4)

1、一种两次曝光全息层析装置，其特征在于它包含He-Ne激光器(1)、扩束望远镜(2)，半透半反镜(3、4)、全反镜(5、6)、旋转工作台(7)、样品(8)、样品室(9)、透镜(10、11、12)、接收器CCD(13)和计算机(14)，所述的旋转工作台(7)是能将置于样品室(9)内的样品(8)在0°～180°范围内转动并具有刻度的工作台；所说的He-Ne激光器(1)是一台单横模可见相干光源，所说的扩束望远镜(2)可将He-Ne激光束扩大100倍的光学系统；所说的半透半反镜(3、4)是具有50％反射率和透过率的介质膜镜；所说的全反镜(5、6)是具有100％反射率的介质膜镜。

2、根据权利要求1所述的两次曝光全息层析装置，其特征在于所说的样品(8)是一个待研究的温度场，或者是一个等离子体，或说是一块玻璃样品等。

3、根据权利要求1所述的两次曝光全息层析装置，其特征在于所说的接收器CCD(13)是电荷耦合器。

4、根据权利要求1所述的两次曝光全息层析装置获得物体三维位相图像的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将两次曝光全息层析装置调整到工作状态；

②如果我们假定待测物体是一块玻璃位相样品，首先去掉样品(8)拍一张全息图，存信息在计算机中；

③然后放入样品(8)，置旋转工作台7于0°，拍摄第二张全息图，并存信息于计算机中：

④以后相继转动工作台，每隔10°拍一张全息图，一直转动到180°，一共拍了20张全息图；

⑤以后分别将19张全息图和第一张未含物体信息全息图按两次曝光法进行重构，就可以获得19张二维的重构图；

⑥再利用这19张二维的重构图按常规进行CT重构，就可以获得较高空间分辨率的三维位相图像。