[发明专利]基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法

权利要求书

1.一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：包括波长为λ_a的光源Ⅰ(1)、偏振片Ⅰ(2)、波长为λ_b的光源Ⅱ(3)，偏振片Ⅱ(4)、偏振分光棱镜(5)、准直扩束系统(6)、测量窗口(7)、待测物体(8)、第一透镜(9)、二维周期光栅(10)、孔阵列(11)、偏振片Ⅲ(12)、偏振片Ⅳ(13)、偏振片Ⅴ(14)、偏振片Ⅵ(15)、第二透镜(16)、光阑(17)、彩色图像传感器(18)和计算机(19)，其中λ_a>λ_b；波长为λ_a的光源Ⅰ(1)发射的光经偏振片Ⅰ(2)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)发射的光经偏振片Ⅱ(4)调制后经偏振分光棱镜(5)汇合成一束再入射至准直扩束系统(6)，经准直扩束系统(6)准直扩束后的出射光束经过测量窗口(7)和待测物体(8)后入射至第一透镜(9)，经第一透镜(9)汇聚后的出射光束通过二维周期光栅(10)后,形成0级次和x方向与y方向的±1级次五束光，0级次经孔阵列(11)上针孔(C)滤波形成一束参考光，另外4束光通过大孔A1、A2、B1和B2后射向第二透镜(16)，经第二透镜(16)透射后的衍射光束经光阑(17)整形后入射至彩色图像传感器(18)的光接收面接收，彩色图像传感器(18)的图像信号输出端连接计算机(19)的图像信号输入端；所述的第一透镜(9)和第二透镜(16)的焦距均为f；二维周期光栅(10)x方向周期和y方向周期均为d；二维周期光栅(10)位于第一透镜(9)的后焦f-Δf处并且位于第二透镜(16)的前焦f+Δf处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；

孔阵列(11)上含有x方向依次排列的大孔A1、大孔A2，y方向依次排列的大孔B1、大孔B2，和处于光轴中心的针孔(C)，孔阵列(11)位于第一透镜(9)和第二透镜(16)的共轭焦平面上，其中大孔A1和大孔B1中心距光轴中心为2Δfλ_a/d，大孔A2和大孔B2中心距光轴中心为2Δfλ_b/d，针孔(C)的直径≤1.22fλ_b/D，D为图像传感器的视场宽度；偏振片Ⅲ(12)和偏振片Ⅳ(13)分别贴放在大孔A1和大孔B1处，偏振片Ⅴ(14)和偏振片Ⅵ(15)分别贴放在大孔A2和大孔B2处，两组偏振片偏振态正交以避免物光之间发生干涉；第一透镜(9)和第二透镜(16)的焦距都为f；待测物体(8)贴合测量窗口(7)放置于第一透镜(9)的前焦面上；彩色图像传感器(18)位于第二透镜(16)的后焦面上；测量窗口(7)沿x轴方向的长度Dx与二维周期光栅(10)的周期d之间满足关系：Dx＝2λ_bf/d；测量窗口(7)沿y轴方向的长度Dy与周期d之间满足关系：Dy＝2λ_bf/d。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：二维周期光栅(10)为二值二维周期光栅、正弦二维周期光栅或余弦二维周期光栅。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置，其特征在于：波长为λ_a的光源Ⅰ(1)沿x方向+1级衍射光全部通过大孔A1形成一束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ(3)沿x方向－1级衍射光全部通过大孔A2形成第二束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)沿y方向+1级衍射光全部通过大孔B1形成第三束物光，波长为λ_b的光源Ⅱ(3)沿y方向－1级衍射光全部通过大孔B2形成第四束物光，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)的0级衍射光同时通过针孔(C)形成参考光。

4.一种基于权利要求3所述的基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置的检测方法，其特征在于：实现方式如下：

调整光源，波长为λ_a的光源Ⅰ(1)发射的光经偏振片Ⅰ(2)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)发射的光经偏振片Ⅱ(4)调制后经偏振分光棱镜(5)汇合成一束再入射至准直扩束系统(6)，经准直扩束系统(6)准直扩束后的平行偏振光束，平行偏振光束经过测量窗口(7)和待测物体(8)后入射至第一透镜(9)，经第一透镜(9)汇聚后的出射光束通过二维周期光栅(10)产生衍射光束，其中0级和±1级衍射光束通过傅里叶平面的孔阵列(11)，两个波长各得到两束具有正交偏振态的物光和一束参考光，五束光通过第二透镜(16)在彩色图像传感器(18)平面上产生干涉，从计算机(19)采集获得的彩色干涉图样提取出波长为λ_a的光源Ⅰ(1)和波长为λ_b的光源Ⅱ(3)各自对应的两幅灰度全息图，通过计算得到待测物体的相位分布

其中：

其中，O_mn为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部；

O_mn＝FT^-1{C[FT(I_m)*F_mn]}

其中，m＝1、2，表示从彩色全息图中提取的对应波长的两幅全息图；FT表示傅里叶变换；FT^-1表示逆傅里叶变换；F_mn为对应的滤波器；C()为裁剪频谱置中操作。