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与流程

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(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。

2013年哈尔滨工程大学单明广在文献“paralleltwo-stepspatialcarrierphase-shiftingcommon-pathinterferometerwitharonchigratingoutsidethefourierplane”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“doublingthefieldofviewinoff-axislow-coherenceinterferometricimaging”中natant.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-pathinterferometerusingfourierdomainmultiplexing”中behnamtayebi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。

技术实现要素：

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相位光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置，同时提供了一种基于二维相位光栅和点衍射的三视场数字全息检测方法。

针对上述技术问题，本发明一种基于二维相位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、二维相位光栅、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相位光栅后，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再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分别贴放在孔阵列上三个大孔a1、a2、a3放置；所述的第一透镜和第二透镜的焦距均为f；二维相位光栅在x方向周期为dx，在y方向的周期为dy；二维相位光栅位于第一透镜的后焦f-δf处并且位于第二透镜的前焦f+δf处，其中δf为离焦量，δf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。

该装置x方向+1级衍射光全部通过大孔a1形成一束物光，x方向－1级衍射光全部通过大孔a3形成第一束物光，y方向+1级衍射光全部通过大孔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。

待测物体(5)贴于测量窗口(4)放置，待测物体(5)沿x轴方向的长度小于或等于测量窗口(4)沿x轴方向的宽度dx，沿y轴方向的长度小于或等于测量窗口(4)沿y轴方向的宽度dy。

基于二维相位光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置的检测方法，包括以下步骤：

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和准直扩束装置准直扩束后形成平行偏振光束，该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，在x方向和y方向分别产生±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，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，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。

基于二维相位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。

基于二维相位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为基于二维相位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。

具体实施方式

本发明所述基于二维相位光栅和点衍射的三视场数字全息检测装置，它包括出射波长为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、二维相位光栅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和计算机15。出射波长为λ的光源1发射的光经偏振片ⅰ2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相位光栅7后，再经孔阵列8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12，经第二透镜12透射后的衍射光束再经光阑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ⅱ9、偏振片ⅲ10、偏振片ⅳ11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；二维相位光栅在x方向周期为dx，在y方向的周期为dy；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+δf处，其中δf为离焦量，δf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8位于第一透镜6和第二透镜12的共轭焦平面上，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，其中d为图像传感器的视场宽度。偏振态相同的偏振片ⅱ9、偏振片ⅲ10分别紧贴放置在x方向的大孔a1和大孔a2处，偏振片ⅳ11紧贴放置在大孔a3处，其偏振态与偏振片ⅱ、ⅲ正交以避免物光之间的干涉；第一透镜6和第二透镜12的焦距都为f；测量窗口4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，沿y轴方向的长度小于或等于dy；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。

二维相位光栅的x方向周期dx与测量窗口4沿x轴方向的宽度dx之间满足关系：dx＝2λf/dx。二维相位光栅的y方向周期dy与测量窗口4沿y轴方向的宽度dy之间满足关系：dy＝2λf/dy。

孔阵列的大孔a1让x方向+1级衍射光全部通过形成一束物光，大孔a3让x方向－1级衍射光全部通过形成第一束物光，大孔a2让y方向+1级衍射光全部通过形成第三束物光，针孔b让y方向－1级衍射光滤波通过形成参考光。

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ⅰ2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方向和y方向分别产生±1级衍射光束，衍射光束通过位于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，将计算机15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，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，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，其中光源1为波长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：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二维相位光栅7；经过二维相位光栅7的汇聚光束分成x方向和y方向的±1级衍射光，经孔阵列8滤波并由偏振片ⅱ9，偏振片ⅲ10和偏振片ⅳ11调制形成参考光和三束具有特定偏振态的物光射向第二透镜12，经第二透镜12透射后的汇合光束成一幅干涉图i，经光阑13整形被图像传感器14采集到计算机15并被计算机15处理。

利用计算机15计算可得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。