一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉仪

技术领域

本发明属于全息干涉波前测量，特别是一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉仪。

背景技术

自从1948年Gabor提出全息术这一概念以来，全息术以其在各个领域内广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。在干涉测量中，全息术可对物体经过某一物理过程前后产生的两个波前相比较而实现干涉计量。全息术在各个领域中的应用日益增加，而对全息成像装置和成像方法的研究也日趋重要。

在传统的光学全息术中，全息干板或胶片可以记录丰富的三维信息，但全息记录过程需要显影、定影、漂白等物理化学手段进行处理，再现时间长，难以储存和使用。1967年，J.W.Goodman等人提出了数字全息的概念，其核心思想是使用光敏电子成像器件代替传统干板记录全息图，整个再现过程通过计算机计算实现。该方法可以大大缩短再现时间，有利于全息术的恢复和后续处理。1962年,Leith和Upatnieks提出了离轴全息术,通过频谱分离的方法得到可分离的再现像,可以实现单次曝光获取物体的复振幅，进一步促进了全息术的发展。1979年，L.M.Frantz等提出了同轴相移全息技术，这种技术能够充分利用成像探测器的空间带宽积，能够快速实时地实现被测物体的准确再现，并且能够有效抑制探测样品图像中的共轭像，提高干涉全息图的质量。1997 年，Yamaguchi等人实现了相移数字全息术，同轴的设置结合数字处理可以实现良好的光路稳定性，但是双光路的设计仍然存在全息术固有的易受干扰特点。

DOE(Diffractive optical element)是一类基于衍射原理实现各种光学功能的光学元件，常见的DOE如光栅(Grating)，波带片(Zone plate)，光子筛(Photon sieve)。这类元件的光学特性为在衍射的特殊级次上可以实现复杂的特殊设计以构造期望的光场分布，但是也存在多级次、串扰大、衍射效率低等缺点。在一般的光学系统中，可以通过调配不同的光学元件来减弱甚至抵消DOE本身产生的额外信号，保留设计的调制光场。

本发明结合了全息术与DOE的优点，通过单光路系统结合斐波那契比累对切透镜可以实现对入射波前完成单次曝光检测。与传统全息技术不同，本发明具有较强的鲁棒性，同时具有操作简单、结构稳定、测量快捷的特点，可广泛应用于波前测量、动态成像和实时监控等领域。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉仪，该方法可实现单次曝光获取待测光场的复振幅分布，并且可以灵活改变系统的载频以适应不同的工作情况。该方法能够实时、快速检测被测波前，提高记录的稳定性和鲁棒性。

本发明原理如下：

通过衍射透镜、滤波板和透镜的组合实现对入射待测波前的分束和干涉，通过衍射透镜和滤波板在同一平面内获取相干光源发出的入射波前的频谱信息和轴外参考点相干光源，通过准直透镜消去获得的频谱信息和轴外点相干光源携带的的二次相位因子，之后由记录设备获取离轴干涉图，最后由计算机通过傅里叶载频恢复算法进行处理。

本发明的技术方案如下：

一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉仪，其特点是，包括、单焦点衍射透镜，斐波那契比累对切透镜，滤波板，准直透镜，记录相机和计算机；

待测波前经过单焦点衍射透镜后产生0级光和+1级光，该0级光在斐波那契比累对切透镜的作用下在主光轴外会聚生成轴外频谱分布，与该+1级光透射后产生的轴上主焦点的光场分布经过滤波板滤波，之后生成滤除高阶信号的的待测波前频谱和轴外参考点相干光源，再经过准直透镜后消去二次相位因子，得到离轴干涉的两束光，由记录相机接收并记录干涉图，经过计算机解调后获得待测波前的复振幅分布。

所述的滤波板上存在与光轴同轴的开孔直径较大的中心孔和偏离光轴的开孔直径较小的非中心孔，其中中心孔的直径为单焦点衍射透镜产生的主焦点的艾里斑直径的20倍至100倍，非中心孔的直径为斐波那契比累对切透镜产生的轴外多个主焦点中选定合适的主焦点的艾里斑直径的0.5倍至0.8倍。

所述的斐波那契比累对切透镜在轴向的位置可以灵活调节，使其产生的轴外主焦位中选定的主焦点和所述的单焦点衍射透镜产生的主焦点位于同一平面，在该平面放置滤波板实现滤除轴外焦点中选定的主焦点的所有高阶信号，只保留艾里斑内的少量信号，获得参考点相干光源，控制载波频率上限。

所述的非中心孔到中心孔的径向距离可以与斐波那契比累对切透镜的多个主焦点到单焦点衍射透镜主焦点的径向距离相匹配，实现滤除不同滤波孔对应的主焦点的高阶信号。

在光束到达频谱面后继续传播到达准直透镜，经该准直透镜消去此时待测波前与参考点光源携带的二次相位因子。

上述全息干涉仪的操作方法如下：

①将所有元件按照附图1同轴摆放，确定所有元件的相对位置；

②待测波前入射至单焦点衍射透镜，再经过斐波那契比累对切透镜，之后在频谱面处调制后的光场与滤波板匹配得到滤除高阶信号的频谱信息和轴外点相干光源，之后经过准直透镜调制到达记录面；

③记录相机在记录面拍摄下的数据通过计算机处理，得到系统输入的入射波前复振幅分布。

所述的滤波板的滤波孔与之前的衍射元件相匹配，待测波前通过衍射元件之后产生的频谱分布通过滤波板调制后可以实现输出滤除高阶信号的频谱和轴外点相干光源。

进一步地，所述的准直透镜可以实现消去通过滤波板后的信号光与轴外点相干光源携带的二次相位因子，最终在接收面实现离轴干涉。

进一步地，所述的记录设备接收到全息图后通过计算机进行处理，得到待测入射波前的福振幅分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用单光路同轴设置，可以完成实时记录，适用于记录动态的物理过程，具有优于一般全息光路的稳定性和鲁棒性。

2、本发明可以改变载波频率的上限，可以适用于不同频率上限的待测波前的复振幅测量。

附图说明

图1为本发明一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉仪的结构图；

图2为本发明中单焦点衍射透镜的结构图；

图3为本发明中斐波那契比累对切透镜的结构图；

图4为本发明中斐波那契比累对切透镜的多焦点特性原理图；

图5为本发明的仿真结果图(单位：波长)，其中a为输入的待测波前分布，b为通过使用本装置的方法获得的检测结果，c为本次检测的残差分布。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明一种基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉波的结构示意图，由图可见，本发明基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉，包括单焦点衍射透镜2，斐波那契比累对切透镜3，滤波板4，准直透镜5，记录相机6，计算机7。所述的待测波前1经过单焦点衍射透镜2后产生对应的0 级光和+1级光，之后0级光在斐波那契比累对切透镜3的作用下生成轴外多个主焦点，选定的主焦点与+1级光对应的轴上频谱到达频谱面，之后经过滤波板 4配合后调制产生轴外参考点相干光源和轴上的滤除高阶频率的待测波前的频谱，再经过透镜5消去二次相位因子得到离轴干涉的两束光，最后在接收面由记录相机6记录干涉图，经过计算机7解调后获得待测波前1的复振幅分布。

所述的单焦点衍射透镜为产生轴上单焦点的衍射光学元件。

所述的斐波那契比累对切透镜为产生轴外多焦点的衍射光学元件。

所述的滤波板4应匹配单焦点衍射透镜2和斐波那契比累对切透镜3产生的艾里斑，以产生滤除高阶信号的待测波前1的频谱和轴外点相干光源。

所述的记录相机6为CCD记录相机、CMOS图像传感器或热电阵列记录相机。

实施例：待测波前由Zernike多项式程序随机生成，见图5(单位：波长)。模拟中设定的相干光源1的中心波长为632.8nm的氦氖激光器，单焦点衍射透镜3主焦距为120mm，斐波那契比累对切透镜3使用的主焦距为 90mm，准直透镜6焦距为120mm。设定好的随机波前经过系统后生成离轴全息图，输入的待测波前信号见图 5 a，通过数字滤波算法处理后得到结果见图5 b。处理后的结果与输入波前的残差项见图 5 c。

模拟实验结果表明，本发明实现的基于斐波那契比累对切透镜的全息干涉波前测量方法与系统可以实现高精度的数字重建，数据中残差的峰谷值(PV) 约为0.015个波长，均方根值(rms)约为0.002个波长，整个过程只需单次曝光拍摄，无需设置离轴光路，所有调制均来自信号光本身经过DOE产生的不同级次。

本发明的关键技术是设置衍射透镜实现单光路单次曝光记录波前信号，并且可调节斐波那契比累对切透镜的轴向位置改变系统的载频上限以适应不同的入射波前。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。