梁玲的光电检测之全息测量技术 综述

综述

实时全息测量技术

1、全息术发展简介

全息技术的思想最早是由英国科学家DennisGabor[1 ]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. 全息技术的主要特点是它不仅记录了物体的振幅信息,而且记录了物体的位相信息,从而更加真实地反映了原物体. 其中数字全息技术是利用CCD 等电荷耦合器件取代传统光学全息中的记录介质来记录全息图,重建的过程在计算机中完成,因此数字全息不仅继承了传统全息的特点,而且还具有其自身的优点: (1)没有湿处理过程,可以实时进行图像的获取和处理. (2)数值重建既能得到重建光波场的强度分布,也能获取相位信息. (3) 采用脉冲激光作为光源时, 曝光时间短. (4) 数值重建还可以方便地进行数字聚焦,容易实现三维观测. 数字全息已经被应用于干涉计量、微小粒子检测、器件形貌分析、微小形变与缺陷探测、显微成像和记录运动物体状态等诸多领域. 全息术的发展大约可分为4 个阶段 (1) 同轴全息术(2)离轴全息术(3)白光再现全息术(4)白光全息术。全息术具有三维、不可撕毁、再现像的缩放、信息容量大等特点。

2、全息术工作原理

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,被记录的这些干涉条纹称为全息图。 全息图在一定的条件下再现,便可重现原物体逼真的图像。

自激光全息术发明以来,激光全息技术的应用领域和范围不断拓展,对相关技术和行业的影响越来越大,尤其是近年来随着激光全息技术与其它学科技术的综合运用,激光全息技术更展现了它的巨大应用前景。基于这一点,对激光全息技术的应用概况和发展趋势进行较全面的研究和探讨,以促进激光全息技术应用范围的不断扩大和应用水平的不断提高,这对于推动激光全息理论和技术的发展是有意义的。

根据全息技术的基本原理,我们知道全息图只是记录了物光波和参考光波相干叠加时产生的一系列干涉条纹,要得到物体的再现像,必须对全息图进行重建处理. 就光学全息和计算全息而言,其重建过程属于光学再现过程,即将记录物体全部信息的全息图经过一系列处理以后,用适当的光照明全息图,光通过全息图时的衍射光和衍射光之间的干涉形成了与原物光波相似的光波,构成物体的再现像. 对于数字全息来说,是先将CCD 记录的全息图数字化,然后在计算机中重建物体

的再现像。

3、实时全息测量技术

随着全息术的迅速发展, 全息技术的应用领域已越来越广泛。

在这方面的技术也逐渐成熟了，但就全息测量技术方面，有很多测量技术，比如：双曝光技术，实时全息干涉测量技术，时间平均干涉法等技术。现单就实时全息测量技术做一下综述。

用实时全息干涉计量术配合高速摄影机进行记录是研究高速变化过程的一个重要方法。当前人们关注的热点是如何进一步提高它的速度和分辨率以便进一步记录超高速的变化过程。这种装置需要高速相机(幅频每秒数千帧至数万帧乃至每秒一, 二十万帧) 和较强功率的激光光源实时全息干涉法的基本光学原理。

实时全息干涉法是基于光的波动性质，利用光线通过流体的相位变化来定量研究流体折射率空间分布的计量技术。由流体的光相位变化可以得到流体密度场、温度场和浓度场的清晰干涉图像，从而可以正确地推算出对应的测量值。

实时全息干涉法：就是使全息图的再现相与实际物体相重叠，如果两个状态相比发生变化，在重叠区就会出现干涉条纹。随着时间的推移，实际物体的状态发生变化，干涉条纹就会随之变化，反映出实际物体的变化。因此，称之为实时全息干涉法。　激光实时全息术是一种非常有用的检测方法,它具有全场、实时、无接触、高精度、高灵敏度等特点,已用于质量控制、无损检测、应力分析、振动分析等方面。

光学全息干涉计量是现代分析测试技术中的一种有力手段，它对被测对象不产生干扰，可做到全场、定量、实时、快速直观的无损检测，在科研生产等领域具有广泛的应用前景。小型半导体激光器的出现，使其走出实验室作为实用的现场测试方法成为可能。但由于传统全息干涉记录材料的限制，使其不能实现现场实时处理，因而不能实现实时观测。在光学全息干涉技术中采用光折变晶体代替感光胶片或干板作为记录介质，是近期国际上非常活跃的一个研究领域，称为光折变全息干涉计量术。采用光折变晶体作为全息干涉的记录介质有以下优点：(1)可实时记录、再现和擦除，不需要任何化学处理过程，可重复使用，可实现现场实时检测；(2)全息图在晶体内的存贮时间可在一个很大范围内选择；通过选用不同的光折变晶体或给晶体以不同的掺杂元素和浓度，可以改变全息图的存贮时间；需要时还可以用电、光、热等方法在一些晶体中对全息图进行定影；（3）存贮信息量大4）具有足够的灵敏度和很好的分辨率，并且由于它主要是对激光敏感，所以可适应外界各种光照的环

境。用玻璃或其他透明材料制作的光楔在光学实验和仪器中应用非常广泛。它的两个基本参数是折射率和楔角。当光楔的折射率和楔角有一个是已知量时，可以用很多种方法来测量另一个未知的量，但还没发现有别的方法能同时测量光楔的折射率和楔角。本文旨在探索光折变实时干涉法在光学检测中的应用，提出一种能同时测量光楔的楔角和折射率的新方法。

4 实时全息干涉法的基本原理

全息干涉计量技术的应用一般分两类。第一类是全息干涉计量技术用于测量漫反射不透明物体的力学参数。第二类是全息干涉计量技术用于测量透射物体的力学和光学参数。当光束通过一个透射物体，如光栅、感光胶片、全息照片、流场等时，它的复振幅将发生改变。光波的复振幅包含光波的两个特征参量：实振幅与位相。

因此透射物体对光波的作用又可分为两种情况。

如果透射物体仅影响透射光的实振幅，这种物体被称为振幅物体，它的振幅透过率是实数，例如吸收型的感光胶片。如果透射物体仅影响透射光的位相，则称之为位相物体，它的振幅透过率是复数。在热物理的参数测试中，大多数的实验对象是对光波透明的流场。它们对光波的吸收作用甚微，即对光波振幅的影响常常可以忽略。它们主要改变透射光波的位相，因而常称之为位相物体，如气流、火焰、等离子体等。由于本文是应用全息干涉计量术来测量位相物体的物理量，因此下面仅介绍位相物体的全息干涉计量术。

传统实时全息干涉法的基本原理是：首先记录一张位相物体未变化时物光波标准波面的全息图。经显影、定影、处理后，将该全息图准确复位于光路中的原来位置。然后用位相物体变化后的被测试物光与参考光同时照射该全息图，使直接透过全息图的测试物光波与全息图所再现的原始物光波相互干涉，从而获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条纹的变化情况确定被测定物理量。但传统记录材料不容易做到准确复位，而用光折变晶体则可免去复位所带来的操作复杂和不能准确复位所产生的误差。用光折变晶体作记录材料的光折变实时全息干涉法和传统方法的原理类似，只是免去了显影、定影和复位的麻烦。其基本光路如图3所示。