專利名稱：數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全息位相差放大技術(shù)，特別是一種數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，在光學(xué)波面精密檢測等方面有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
全息位相差放大技術(shù)是指一張含有位相信息的全息圖，被來自于馬赫—陳德爾干涉儀的兩個(gè)臂中出射的A、B兩束相干光照明(如圖1所示)，各自產(chǎn)生0級(jí)、±1、±M、±N……級(jí)衍射波，分別調(diào)整馬赫—陳德爾干涉儀的兩個(gè)臂，讓A束在全息圖上產(chǎn)生的+M級(jí)(或-N級(jí))衍射波和B束在全息圖上產(chǎn)生的-N級(jí)衍射波，在放置在全息圖后面的透鏡的焦平面上重疊，再用光闌濾去非重疊部分，由于來自全息圖上重構(gòu)的物波和它的共軛波是位相相反的，即A束產(chǎn)生的+M級(jí)衍射波和B束產(chǎn)生的-N級(jí)衍射波疊加以后，將產(chǎn)生干涉，位相差放大到原來的(M+N)倍，重復(fù)上述過程n次，則位相差放大2n(M+N)倍。
這種全息位相差放大技術(shù)，需要對(duì)全息圖底片進(jìn)行n次暗房處理，這種非實(shí)時(shí)性，在某種程度上限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有位相差放大技術(shù)的不足，提供一種數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置。
如前面討論的普通光學(xué)全息位相差放大技術(shù)，即用一塊干板記錄物體的位相信息，然后利用衍射原理重構(gòu)出它們的不同衍射級(jí)次的衍射波，再讓他們的共軛波重疊干涉，如此反復(fù)循環(huán)，獲得高倍位相差放大。本發(fā)明的數(shù)字全息位相差放大裝置的構(gòu)思是繼承普通光學(xué)全息位相差放大技術(shù)的基本思想，但對(duì)全息圖的記錄、存儲(chǔ)和重構(gòu)采用了不同的手段其一是以CCD電荷耦合器代替了全息干板作為記錄介質(zhì)，記錄到的全息圖經(jīng)數(shù)字化處理以后，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。
其二是以數(shù)字傅里葉變換處理取代光學(xué)衍射來完成所記錄物場的重構(gòu)，通過對(duì)所記錄的全息圖強(qiáng)度分布作快速傅里葉變換運(yùn)算，獲得其空間頻譜分布，從中分離并提取出物光波的頻譜，再經(jīng)逆傅里葉變換運(yùn)算，便得到物光波復(fù)振幅分布。
假定物光波的復(fù)振幅分布為
O(x，y)＝O0(x，y)exp[jΦ0(x，y)]式中O0(x，y)和Φ0(x，y)分別為物光波在記錄平面上的振幅和位相分布，如果某種原因電磁場、熱效應(yīng)、重力等引起物體的位相發(fā)生變化為Φ′(x，y)，那么新的物光波復(fù)振幅分布為O′(x，y)＝O0(x，y)exp[jΦ′0(x，y)]將變化前后的兩種狀態(tài)用兩次曝光記錄在全息圖上作數(shù)字相加，然后再進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換及濾波處理，其疊加光強(qiáng)分布表達(dá)式則為I(x,y)=|O(x,y)+O′(x,y)|2=4O02(x,y)cos2[φ′(x,y)-φ0(x,y)2]]]>由此可見，數(shù)字位相差放大技術(shù)，只是在物場復(fù)振幅分布中的相位分布函數(shù)乘上一個(gè)整數(shù)因子，例如N，就可以將位相差放大N倍，此時(shí)條紋間距代表的是2π/N位相變化，這樣我們可以從條紋圖像獲得更多、更豐富的變化細(xì)節(jié)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，包括激光光源，其特征在于沿激光光源發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向依次有擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、第一半透半反鏡，該第一半透半反鏡的透射光方向經(jīng)第一全反凹面鏡到第二半透半反鏡，該第一半透半反鏡的反射光方向經(jīng)第二全反凹面鏡到達(dá)第二半透半反鏡，其后再依次是透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)，所述的探測器是一臺(tái)電荷耦合器CCD，位于透鏡的焦距上。
所述的激光光源是一臺(tái)單橫模輸出的5mW He-Ne激光器。
所述的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡是能將He-Ne激光光束擴(kuò)束到Φ50mm的光學(xué)系統(tǒng)。
所述的第一、第二半透半反鏡是一種對(duì)6328具有50％反射、50％透過的光楔。
所述的第一、第二全反凹面鏡是一種鍍有對(duì)6328全反射、焦距為50cm的鍍膜凹面鏡。
所述的透鏡是一塊焦距為2.5cm的透鏡，用來和凹面鏡組成一個(gè)縮孔望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
所述的探測器是一臺(tái)電荷耦合器CCD，用來記錄全息圖。
所述的計(jì)算機(jī)是一臺(tái)用來對(duì)全息圖進(jìn)行位場重構(gòu)和顯示的機(jī)器。
本發(fā)明數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置的工作過程大致是將待測樣品放在第一半透半反鏡和第一全反凹面鏡之間的透射光路中，該待測樣品是一塊待研究的位相樣品，比如溫度場、等離子區(qū)、光學(xué)平板、應(yīng)力場等等。
當(dāng)激光光源工作以后，經(jīng)擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡把光束擴(kuò)束到Φ50，經(jīng)第一半透半反鏡，其透射光束經(jīng)待測樣品成為物光束，經(jīng)第一凹面反射鏡的反射和聚焦，后被第一半透半反鏡反射的光束經(jīng)第二凹面反射鏡反射和聚焦成為參考光束。物光束和參考光束分別被第二半透半反鏡反射和透過后，再經(jīng)透鏡7縮孔的全息圖被CCD紀(jì)錄，完成了第一次曝光。
當(dāng)待測樣品10發(fā)生某些物理變化以后，重復(fù)上述過程進(jìn)行第二次曝光。這兩張全息圖數(shù)字化以后，經(jīng)傅里葉變換、濾波、逆變換，再在位相因子乘上N倍，就可以獲得N倍放大的位相差，呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的屏幕上。
本發(fā)明的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，與在先技術(shù)相比，不需要對(duì)全息圖進(jìn)行多次暗房處理，能快速高倍地放大位相差，并能克服多次拍攝全息圖所帶來的各種誤差，有著極為廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是目前普通全息位相差放大裝置示意2為本發(fā)明的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖2，圖2為本發(fā)明的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置由9部分組成包括激光光源1，沿激光光源1發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向依次有擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2、第一半透半反鏡3，該第一半透半反鏡3的透射光方向經(jīng)第一全反凹面鏡4到第二半透半反鏡6，該第一半透半反鏡3的反射光方向經(jīng)第二全反凹面鏡5到達(dá)第二半透半反鏡6，其后再依次是透鏡7、探測器8和計(jì)算機(jī)9，所述的探測器8是一臺(tái)電荷耦合器CCD，位于透鏡7的焦距上。
所說的激光光源1時(shí)一臺(tái)單橫模輸出的5mW He-Ne激光器。
所說的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2是能將He-Ne激光光束擴(kuò)束到Φ50mm的光學(xué)系統(tǒng)。
所說的第一、第二半透半反鏡3，6是一種對(duì)6328具有50％反射率、透過50％的光楔。
所說的第一、第二全反凹面鏡4，5是一種鍍有對(duì)6328全反射鏡的焦距為50cm鍍膜凹面鏡。
所說的透鏡7是一塊焦距為2.5cm的透鏡，用來和第一、第二凹面鏡4，5組成一個(gè)縮孔望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
所說的探測器8是一臺(tái)電荷耦合器CCD，用來記錄全息圖。
所說的計(jì)算機(jī)9是一臺(tái)用來對(duì)全息圖進(jìn)行位場重構(gòu)和顯示的機(jī)器。
所說的待測樣品10是一塊待研究的位相樣品，比如溫度場、等離子區(qū)、光學(xué)平板、應(yīng)力場等等。
本發(fā)明裝置的工作過程當(dāng)激光光源1工作以后，經(jīng)擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2把光束擴(kuò)束到Φ50以后，經(jīng)第一半透半反鏡3，透射光束入射到待測樣品10成為物光束，經(jīng)第一凹面反射鏡4反射和聚焦，被第一半透半反鏡3反射的光束經(jīng)第二凹面反射鏡5反射和聚焦成為參考光束。物光束和參考光束分別被第二半透半反鏡6反射和透過后，再經(jīng)透鏡7縮孔的全息圖被CCD8紀(jì)錄，完成了第一次曝光。
當(dāng)待測樣品10發(fā)生某些物理變化以后，重復(fù)上述過程進(jìn)行第二次曝光。這兩張全息圖數(shù)字化以后，經(jīng)由計(jì)算機(jī)9的傅里葉變換、濾波、逆變換，再在位相因子乘上N倍，就可以獲得N倍放大的位相差，呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)9的顯視器上。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，包括激光光源(1)，其特征在于沿激光光源(1)發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向依次有擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(2)、第一半透半反鏡(3)，該第一半透半反鏡(3)的透射光方向經(jīng)第一全反凹面鏡(4)到第二半透半反鏡(6)，該第一半透半反鏡(3)的反射光方向經(jīng)第二全反凹面鏡(5)到達(dá)第二半透半反鏡(6)，其后再依次是透鏡(7)、探測器(8)和計(jì)算機(jī)(9)，所述的探測器(8)是一臺(tái)電荷耦合器CCD，位于透鏡(7)的焦距上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的激光光源1是一臺(tái)單橫模輸出的5mW He-Ne激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2是能將He-Ne激光光束擴(kuò)束到Φ50mm的光學(xué)系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的第一、第二半透半反鏡(3，6)是一種對(duì)6328具有50％反射、50％透過的光楔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的第一、第二全反凹面鏡(4，5)是一種鍍有對(duì)6328全反射、焦距為50cm的鍍膜凹面鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的透鏡(7)是一塊焦距為2.5cm的透鏡，用來和第一、第二凹面鏡(4，5)組成一個(gè)縮孔望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的探測器(8)是一臺(tái)電荷耦合器CCD，用來記錄全息圖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)(9)是一臺(tái)用來對(duì)全息圖進(jìn)行位場重構(gòu)和顯示的機(jī)器。
全文摘要
一種數(shù)字全息兩次曝光位相差放大裝置，包括激光光源，其特征在于沿激光光源發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向依次有擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、第一半透半反鏡，該第一半透半反鏡的透射光方向經(jīng)第一全反凹面鏡到第二半透半反鏡，該第一半透半反鏡的反射光方向經(jīng)第二全反凹面鏡到達(dá)第二半透半反鏡，其后再依次是透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)，所述的探測器是一臺(tái)電荷耦合器CCD，位于透鏡的焦距上。將待測樣品放在第一半透半反鏡和第一全反凹面鏡之間的透射光路中，經(jīng)兩次曝光并利用計(jì)算機(jī)的重構(gòu)即可獲得位相差放大。
文檔編號(hào)G03H1/04GK1542569SQ20031010849
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者高鴻奕, 陳建文, 何紅, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所