數字幹涉位相差放大方法
2023-07-28 16:33:56 2
專利名稱：數字幹涉位相差放大方法
技術領域：
本發明涉及位相差放大，特別是一種數字幹涉位相差放大方法，它在高精密、大口徑光學工程檢測中有著廣泛的實際應用。
背景技術：
位相差放大是提高位相解析度和幹涉測量精度的一種手段，可用來檢測光學元件或光學系統的畸變和由於物場改變引起的系統位相變化等。傳統的位相差放大主要是通過非線性全息圖的高階衍射項相互幹涉來實現的，應用於光學全息、電子全息等領域。近年來，數字全息術迅猛發展，以CCD等光電探測器件記錄全息圖，用計算機實現全息圖的數字重現，整個過程更具有靈活性，更便於進行分析與檢測。
陳建文、高鴻奕、徐至展發明的「數字全息兩次曝光位相差放大技術」，專利申請號03129607.6，已被有效地用來檢測光學波面。普通光學全息位相差放大技術，即用一塊幹板記錄下物體的位相信息，然後利用衍射原理重構出它們的不同衍射級次的衍射波，再讓他們的共軛波重疊幹涉，如此反覆循環，獲得高倍位相差放大。數字全息位相差放大技術繼承了普通光學全息位相差放大技術的基本思想，但對全息圖的記錄、存儲和重構採用了不同的手段，其一是以CCD電荷耦合器代替了全息幹板作為記錄介質，記錄到的全息圖經數位化處理以後，存儲在計算機中。其二是以數字傅立葉變換處理取代光學衍射來完成所記錄物場的重構，通過對所記錄的全息圖強度分布作快速傅立葉變換運算，獲得其空間頻譜分布，從中分離並提取出物光波的頻譜，再經逆傅立葉變換運算，便得到物光波復振幅分布。
假定物光波的復振幅分布為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，如果某種原因光學系統的畸變、電磁場、熱效應、重力等引起物體的位相發生變化為φ′(x，y)，那麼新的物光波復振幅分布為O′(x，y)＝O0(x，y)exp[jφ0′(x，y)]將變化前後的兩種狀態用兩次曝光記錄在全息圖上作數字相加，然後再進行數字傅立葉變換及濾波處理，其疊加光強度分布表達式為I(x,y)=|O(x,y)+O(x,y)|2=4O02(x,y)cos2[(x,y)-0(x,y)2]]]>數字位相差放大技術，只是在物場復振幅分布中的相位分布函數乘上一個整數因子，例如N，就可以將位相差放大N倍，此時，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、更豐富的變化細節。
這種方法的不足之處在於需要一個全息圖的重構軟體以及一臺高分辨的CCD探測器，當放大倍數較高時，將CCD的噪音也放大了。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的不足，提供一種數字幹涉位相差放大方法，該方法簡便易行，高靈敏地探測波面形狀，其精度可優於1/500波長。
本發明的實質是利用兩張幹涉圖，並從幹涉圖中取出位相信息，然後進行放大。這種方法非常簡便，可以按以下5個步驟進行1)搭建一個馬赫—陳德爾幹涉儀，即M-Z幹涉儀；2)在M-Z幹涉儀上用一架普通的數位相機拍攝一張帶有載波條紋的幹涉圖樣；3)在M-Z幹涉儀的一個臂中，放入一塊待測的位相樣品，再拍攝一張被樣品調製的載波條紋；4)將兩張幹涉圖樣輸入到計算機中去，進行傅立葉變換濾波，然後進行逆變換，取出兩種幹涉圖樣的位相信息；5)將取出的兩個位相信息相減後再乘以正整數N進行放大，該N的取值範圍為1～1000。
本發明與在先技術相比所具有的優點1)雖然採用的是幹涉方法取出位相信息，但對於M-Z幹涉儀中的光學元件無特殊要求，即具備全息幹涉儀的特點，用普通幹涉儀就可以獲得極高精度的檢測。
2)由於不採用常規全息法進行位相差放大，因此不需要特殊軟體，並且測試波面口徑可以很大，例如口徑可高達500mm以上。
3)用這種方法可以測試各種光學設備，在大型工廠和小型車間，都可以改裝任何一臺幹涉儀而實施，應用前景無限廣闊。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
本發明按以下5個步驟進行1)搭建一個M-Z幹涉儀；2)在該M-Z幹涉儀上用一架普通的數位相機拍攝一張帶有載波條紋的幹涉圖樣；3)在M-Z幹涉儀的一個臂中放入一塊待測的位相樣品，再拍攝一張被樣品調製的載波條紋的幹涉圖樣；4)將兩張幹涉圖樣輸入到計算機中去，進行傅立葉變換濾波，然後進行逆變換，取出兩種幹涉圖樣的位相信息；5)計算機將取出的兩個位相信息相減後再進行放大，放大倍數可達100～1000倍，就可以獲得放大了的位相信息。
下面闡述其工作原理根據幹涉強度公式，幹涉圖案的強度分布可寫成I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf0x+φ(x，y)) (1)其中，我們假設載波條紋平行於y軸。所謂的載波條紋，就是在未放置待測樣品時，由幹涉儀直接得到的幹涉條紋，f0為載波頻率，f0＝1/d，d為載波條紋的間距。φ(x，y)是因為待測樣品使入射X射線波產生的位相偏移，a(x，y)是背景光強度，b(x，y)為圖像的襯度。由上式可知，幹涉圖案是物體的位相分布疊加在載波條紋上形成的，對應於物體位相分布的等高圖，即物體的位相分布使載波條紋發生偏折。
幹涉圖案是樣品的位相分布和載波條紋疊加在一起形成的。要得到樣品的位相分布，需要先消除幹涉圖案上的載波條紋。下面我們給出一種傅立葉變換方法來實現這個目的，這種方法只適用於位相偏移φ(x，y)小於2π的情形。
我們將(1)式改寫成下面的指數形式I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(i2πf0x)+c*(x，y)exp(-i2πf0x)其中c(x,y)=12b(x,y)exp(i(x,y))---(2)]]>對(1)式進行一維傅立葉變換得到IF(f,y)=aF(f,y)+cF(f-f0,y)+cF*(f+f0,y)---(3)]]>從上式可知，幹涉場在傅立葉頻域中會出現三個相距較遠的尖銳的波峰，它們彼此之間的距離為f0。左邊那個波峰和右邊那個波峰分別對應於(2)式的第三項和第二項，只有這兩個波峰包含有待測物體的位相分布信息。我們可以單獨取出右邊的那個波峰，並對它作一維的傅立葉逆變換得到c(x，y)，再根據(2)式就可以得到物體的位相分布，將位相分布乘以常數因子N，那麼位相放大N倍，N為正整數。
權利要求
1.一種數字幹涉位相差放大方法，其特徵在於該方法包括以下5個步驟1)搭建一臺馬赫—陳德爾幹涉儀；2)在該馬赫—陳德爾幹涉儀上用一架普通的數位相機拍攝一張帶有載波條紋的幹涉圖樣；3)在該馬赫—陳德爾幹涉儀的一個臂中，放入一塊待測的位相樣品，再拍攝一張被樣品調製的載波條紋的幹涉圖樣；4)將兩張幹涉圖樣輸入到計算機中去，進行傅立葉變換並濾波，然後進行逆變換，即可獲得兩個幹涉圖樣的位相信息；5)計算機將取出的兩個位相信息相減後再乘以正整數N進行放大，就獲得放大了N倍的位相差信息。
全文摘要
一種數字幹涉位相差放大方法，其特徵在於該方法包括以下步驟搭建一臺馬赫—陳德爾幹涉儀；在該馬赫—陳德爾幹涉儀上用一架普通的數位相機拍攝一張帶有載波條紋的幹涉圖樣；在該馬赫—陳德爾幹涉儀的一個臂中，放入一塊待測的位相樣品，再拍攝一張被樣品調製的載波條紋的幹涉圖樣；將兩張幹涉圖樣輸入到計算機中去，進行傅立葉變換並濾波，然後進行逆變換，即可獲得兩個幹涉圖樣的位相信息；計算機將取出的兩個位相信息相減後再乘以正整數N進行放大，就獲得放大了N倍的位相差信息。本發明方法簡便易行，高靈敏地探測波面形狀，其精度可優於1/500波長。
文檔編號G01M11/00GK1670502SQ20051002498
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月8日 優先權日2005年4月8日
發明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所