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激光检测技术设计报告
数字全息技术在温度测量中的应用 全息技术的思想最早是由英国科学家Dennis Gabor于1948年提出的,由于受到光源等条件的限制,直到20世纪60年代第一台激光器问世以来,全息技术才获得了空前的发展。全息技术的基本原理是:物体反射的光波与参考光波相干叠加产生干涉条纹,被记录的这些条纹成为全息图。全息图在一定的条件下再现,便可重现原物体逼真的三维像。根据全息图的记录手段和再现方式的不同,一般可将全息技术分为三类:(1)光学全息。如图1所示,全息图的记录过程是光学过程,再现过程也是利用光学照明来实现的,这种全息过程就是传统的光学全息;(2)计算全息。如图1所示,利用计算机模拟光的传播,通过计算机形成全息图,打印全息图后微缩形成母板,也可用激光直写系统形成计算机全息图(CHG),或利用液晶光阀(LCD)或空间光调制器显示全息图,利用光学照明重现,这样的全息方法称作计算全息;(3)数字全息。如图1所示,它是由Goodman在1967年提出的一种新的全息成像方法,以CCD等光电耦合器件取代传统的干版记录全息图,并由计算机以数字的形式对全息图进行再现。但是当时受到各种条件的制约,一直没有重大的进展。数值化的全息图的再现是由M.A.Kronrod和L.P.yaroslavsky 首次进行的,随着计算机技术的发展和高分辨CCD等电荷耦合器件的出现,数字全息技术才得到迅速的发展[1]。图1 全息技术数字全息技术从形式上可以分为四种类型:(1)像面数字全息图;(2)数字全息干涉图;(3)位相数字全息图;(4)傅里叶变换全息图。根据记录光路的不同,数字全息分为同轴和离轴两种,前者是参考光和物光共线、对记录材料的分辨率要求很低,适用于对微小物体的研究;而后者是参考光和物光成一定的夹角,对记录材料的分辨率要求很高,适用于对大物体和不透明物体的研究。数字全息是结合光学全息与数字技术的一门新兴技术。现在全息技术已经应用到工程、医学、艺术、包装、印刷等领域。目前研究工作涉及的范围非常广泛,涵盖了温度场测量、形貌测量、变形测量、振动测量、生物粒子监视、构件缺陷测量等一系列领域。温度场的光学测量是近十几年发展起来的一门全新的测试技术。它是利用温度变化所引起的光学性质的变化来度量出该物理量。与其他测量手段相比,温度场的光学测量的优点为:非接触测量;对被测场无干扰;实时测量,无滞后;信息量丰富,能实现三维场测量;时间分辨率和空间分辨率高。正因为以上特点,温度场的光学测量技术己成为当今热物理测试技术研究的重点。在温度场的光测技术中,数字全息干涉测量法在温度场测量中几乎是无可替代的[2]。本次课题报告主要介绍数字全息技术在温度测量中的应用。原理(1)数字全息技术原理数字全息技术的波前记录和数值重现过程可用图2来表示,主要分为三部分:①数字全息图的获取。将参考光和物光的干涉图样直接投射到光电探测器上,经图像采集卡获得物体的数字全息图,将其传输并存储在计算机内。②数字全息图的数值重现。本部分完全在计算机上进行,需要模拟光学衍射的传播过程,一般需要数字图像处理和离散傅立叶变换的相关理论,这是数字全息技术的核心部分。③重现图像的显示及分析输出重现图像并给出相关的实验结果及分析。图2 数字全息的全过程如图3是数字离轴无透镜傅里叶变换全息记录及重建的光路示意图:,分别为物平面、全息图平面和重建像平面,轴分别通过几个平面的中心,点光源位于物平面上,那么在全息图平面上物光波和参考光波干涉图样的强度分布可由下式表示[3]。图3 数字离轴无透镜傅里叶变换记录及重建的光路示意图 (1)式中,和分别是为参考光波和物光波在全息平面上幅值分布函数,“*”代表参考光波或物光波的共轭函数;第3项和第4项代表干涉项,代表的是干涉强度,它通过分辨率为N×N个像素的CCD取样后,式(1)可表示为:(2)式中,,分别为沿和方向上的取样长度,,分别为沿和方向上的取样长度数。根据傅里叶变换重建算法,重建像函数可由下式表示: (3)式中,为全息平面到像平面的距离;为波长;为波矢;为二维傅里叶变换。在通常情况下用于重建的参考光波和记录全息图的参考光波相同,可以由下式表示: (4)将式(4)代入式(3),可以得到像的复函数离散分布如下: (5)由上式可以得出像的强度分布和位相分布如下: (6)lm、Re分别代表复函数的虚部和实部。(2)温度场的测量原理用实时全息干涉法测量温度场,主要是依据温度的变化会引起空气折射率的变化,进而引起光程差的变化,产生干涉条纹,当一束光通过温度场,温度场的变化则会引起折射率变化,使物光光程发生变化,温度相同的地方折射率相同,光程也相同. 因此每一条干涉条纹就是一条等温线,得到的干涉条纹则是一系列等温线[4]。 数字全息技术能够准确计算出相干光场中各个位置处光路中的相位
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