專利名稱：兩次曝光全息層析裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及全息層析技術，特別是一種兩次曝光全息層析裝置，它能夠高分辨、實時地給出物體的三維位相分布。
背景技術：
兩次曝光全息術是全息干涉計量學中的一個重要組成部分。我們知道，所有光學干涉儀的工作原理都是基于兩個或者多個波面的比較。兩次曝光全息術則是將物體兩個不同時刻的波面相比較，例如一個是初始波面，而另一個是變化了的波面，如果我們將初始波面作基準波面，那么取樣不同時刻的波面與初始波面作比較，就可以獲得物波變化序列的波面。
在記錄過程中，對一張全息干板作兩次曝光，一次是記錄初始波面的全息圖，另一次是記錄變化以后的物光波的全息圖，這兩張全息圖記錄在同一張干板上，當用參考波照明時，可重構(gòu)出兩個物光波面，這兩個波面重疊以后產(chǎn)生干涉，干涉條紋的分布反映了物波波面的變化。
假定參考光波為r(x，y)＝R0exp[jψR(x，y)]初始物光波為o1(x，y)＝O1(x，y)exp[jψ1(x，y)]變化以后的物光波o2(x，y)＝O2(x，y)exp{[j[ψ2(x，y)+Δψ2(x，y)]]式中，R0、ψR是參考波振幅和位相，O1、ψ1，O2、ψ2為物波振幅和位相。在線性記錄條件下，全息圖的振幅透射系數(shù)IH與曝光量成正比，即IH(x，y)∝|o1+r|2+|o2+r|2＝(O12+R02)+O1R0exp[j(ψ1-ψR)]+O1R0exp[-j(ψ1-ψR)]+(O22+R02)+O2R0exp[j(ψ1+Δψ-ψR)]+O2R0exp[-j(ψ1+Δψ-ψR)](1)假定用參考波照明重構(gòu)，則重構(gòu)光波為i＝(O12+R02)r+O1R02exp(jψ0)+O1R02exp[-j(ψ0-2ψR)]+(O22+R02)r+O22R02exp[j(ψ1+Δψ)]+O2R02exp[-j(ψ1+Δψ-2ψR)] (2)(2)式中，第一、第四兩項是透射光，第二、五兩項是原始像項；第三、六兩項是共軛像，我們考慮原始像項，其復振幅為
A＝O1R02exp(jψ1)+O2R02exp[j(ψ1+Δψ)] (3)其強度為I∝AA*，如果我們讓兩次曝光的振幅相等，再略去不重要的常數(shù)項，可得到I∝1+cos[Δψ(x，y)] (4)即兩次曝光的結(jié)果是，干涉圖形上的條紋變化直接反映了兩次曝光前后，物光波位相變化，但只能反映二維的位相變化。
層析成像亦稱計算機斷層掃描、投影圖像重現(xiàn)術等，簡稱CT(ComputerTomography)。用一句簡單的話來說，就是借助物體的多重投影，采用計算機技術來恢復原始物體的三維圖像。
近年來，它的應用遠遠超過醫(yī)學和生命科學范疇，已涉及材料科學、信息科學以及許多工業(yè)應用領域，并正向人們顯示它巨大的潛在多學科應用前景。
CT的成像方法完全不同于常規(guī)攝影成像。普通攝影是將三維空間的圖像投影到一個二維平面上，即圖像上每一點，是被測物體沿著觀察方向的線積分。因此，從一張普通的照片，得不到物體的深度分布信息，并且各深度的圖像疊合在一起，使圖像模糊不清。
層析特別是X-CT，解決了醫(yī)學對肌體逐層成像的問題。它能將衰減系數(shù)在千分之五的差異區(qū)分出來，所以具有高密度分辨率，可以清楚地辨別腫瘤、血塊、壞死組織等。由于近代計算機技術和光學信息處理技術的發(fā)展，使得層析成像技術獲得更廣泛的應用。
層析成像的物理原理，是基于光線與物質(zhì)的相互作用。光線通過吸收系數(shù)為μ，厚度為l的介質(zhì)，其衰減應遵守比爾(Beer)定律I＝I0exp(-μl)或μl＝ln(I0/I) (5)當待測物體在投影方向吸收系數(shù)不均勻時，應有線積分形式 或 1n(I0/I)＝∫Lμ(l)dl (6)線積分∫Lμ(l)dl稱為射線投影，當介質(zhì)不但在投影方向，而且在投影方向的垂直方向也不均勻時，式(6)變?yōu)?上式中的xr、yr直角坐標系為掃描轉(zhuǎn)動坐標系，設X-Y直角坐標系為靜止坐標系，ψ為xr軸相對于X軸的轉(zhuǎn)角，如圖1所示。
對上式兩邊同時取對數(shù)，使方程線性化，得到新函數(shù)λφ(xr)=-lnIφ(xr)I0=∫+∞+∞μ(xr,yr)dyr]]>
(8)從μ(xr，yr)的分布，經(jīng)X射線束掃描得到投影數(shù)據(jù)λφ(xr)的過程，也稱為二維物體的拉冬變換。層析成像的任務，就是用所測得的λφ(xr)去得到μ(xr，yr)的分布，這就是從投影重構(gòu)圖像的基本原理。
從上面我們可以看出，層析只能獲得吸收型物體的三維空間分布，而得不到位相信息，從以上分析可以看出兩次曝光全息成像技術只能獲得二維重疊的位相信息，而層析技術只能獲得三維的振幅信息。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術問題在于克服上述在先技術的不足，提供一種兩次曝光全息層析裝置及其獲得物體較高空間分辨率的三維位相圖像的方法，它能給出物體的三維位相分布。
本實用新型的技術解決方案如下一種兩次曝光全息層析裝置，該裝置包含He-Ne激光器、擴束望遠鏡，兩塊半透半反鏡、兩塊全反鏡、旋轉(zhuǎn)工作臺、樣品、樣品室、透鏡、接收器CCD和計算機，所述的旋轉(zhuǎn)工作臺是能將置于樣品室內(nèi)的樣品在0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動并具有刻度的工作臺；所說的He-Ne激光器是一臺單橫模可見相干光源，所說的擴束望遠鏡可將He-Ne激光束擴大100倍的光學系統(tǒng)；所說的兩塊半透半反鏡是具有50％反射率和透過率的介質(zhì)膜鏡；所說的全反鏡是具有100％反射率的介質(zhì)膜鏡。
所說的樣品是一個待研究的溫度場，或者是一個等離子體，或說是一塊玻璃樣品等；所說的接收器CCD是電荷耦合器。
利用本實用新型兩次曝光全息層析裝置獲得物體三維位相圖像的方法，包括下列步驟①將兩次曝光全息層析裝置調(diào)整到工作狀態(tài)；②如果我們假定待測物體是一塊玻璃位相樣品，首先去掉樣品拍一張全息圖，存信息在計算機中；③然后放入樣品，置旋轉(zhuǎn)工作臺7于0°，拍攝第二張全息圖，并存信息于計算機中；④以后相繼轉(zhuǎn)動工作臺，每隔10°拍一張全息圖，一直轉(zhuǎn)動到180°，一共拍了20張全息圖；⑤以后分別將19張全息圖和第一張未含物體信息全息圖按兩次曝光法進行重構(gòu)，就可以獲得19張二維的重構(gòu)圖；
⑥再利用這19張二維的重構(gòu)圖按常規(guī)進行CT重構(gòu)，就可以獲得較高空間分辨率的三維位相圖像。
與在先技術相比，利用本實用新型兩次曝光全息層析裝置能實時高分辨率重構(gòu)物體的三維位相信息空間分布，為研究等離子體，高溫爐內(nèi)溫度場分布，脈沖燈內(nèi)放電狀況以及各種光學樣品的檢測提供了一個有力工具。
圖1為在先技術中坐標系統(tǒng)。
圖2為本實用新型兩次曝光全息層析裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
請先參閱圖2，圖2為本實用新型兩次曝光全息層析裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實用新型兩次曝光全息層析裝置包含14個部分He-Ne激光器1，擴束望遠鏡2，半反射鏡3、4，全反鏡5、6，旋轉(zhuǎn)工作臺7，樣品8，樣品室9，透鏡10、11、12，接收器CCD13和計算機14。
所說的He-Ne激光器1是一臺功率為1mW單橫?？梢娤喔晒庠?。
所說的擴束望遠鏡2，是將He-Ne激光束擴大100倍的光學系統(tǒng)。
所說的半反射鏡3、4是具有50％反射率和透過率的介質(zhì)膜鏡。
所說的全反鏡5、6是具有100％反射率的介質(zhì)膜鏡。
所說的旋轉(zhuǎn)臺7是能將樣品在0°～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動并具有刻度的工作臺。
所說的樣品8是一個待研究的溫度場，或者是一個等離子體，或說是一塊玻璃樣品等。
所說的樣品室9是用來放置待測樣品的，樣品室9能上下夾緊樣品8，四周都通光。
所說透鏡10、11、12焦距為50mm，50mm和5mm，能將光束縮小10倍，成像在CCD13上；所說的接收器CCD13為795×796陣列，像素尺寸為14μm、對6328敏感的電荷耦合器；所說的計算機14是用來重構(gòu)物體三維位相分布的，內(nèi)裝有重構(gòu)軟件。
利用本實用新型兩次曝光全息層析裝置獲得物體三維位相圖像的方法，包括下列步驟首先將待測樣品8從樣品室9內(nèi)取出，旋轉(zhuǎn)臺7置于0°位置，拍攝第一張全息圖，然后輕輕將樣品8放入樣品室9內(nèi)，待穩(wěn)定后，拍第二張全息圖，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺7到10°位置，待穩(wěn)定后，拍第三張全息圖，一直將旋轉(zhuǎn)臺7轉(zhuǎn)動到180°位置，拍完第20張全息圖，分別將第一張全息圖與以后的19張按兩次曝光法進行數(shù)字重構(gòu)，獲得19張全息圖二維重構(gòu)圖，再利用這19張重構(gòu)圖的數(shù)據(jù)，進行常規(guī)層析重構(gòu)，就可以獲得待測玻璃樣品的三維位相空間分布。
如果要提高重構(gòu)位相分布的分辨率，那么將旋轉(zhuǎn)臺7的取樣間隔減小到5°，即每隔5°拍攝第3張到第20張全息圖即可。
權利要求1.一種兩次曝光全息層析裝置，其特征在于它包含He-Ne激光器(1)、擴束望遠鏡(2)，半透半反鏡(3、4)、全反鏡(5、6)、旋轉(zhuǎn)工作臺(7)、樣品(8)、樣品室(9)、透鏡(10、11、12)、接收器CCD(13)和計算機(14)，所述的旋轉(zhuǎn)工作臺(7)是能將置于樣品室(9)內(nèi)的樣品(8)在0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動并具有刻度的工作臺；所說的He-Ne激光器(1)是一臺單橫模可見相干光源，所說的擴束望遠鏡(2)可將He-Ne激光束擴大100倍的光學系統(tǒng)；所說的半透半反鏡(3、4)是具有50％反射率和透過率的介質(zhì)膜鏡；所說的全反鏡(5、6)是具有100％反射率的介質(zhì)膜鏡。
2.根據(jù)權利要求1所述的兩次曝光全息層析裝置，其特征在于所說的樣品(8)是一個待研究的溫度場，或者是一個等離子體，或說是一塊玻璃樣品等。
3.根據(jù)權利要求1所述的兩次曝光全息層析裝置，其特征在于所說的接收器CCD(13)是電荷耦合器。
專利摘要一種兩次曝光全息層析裝置，該兩次曝光全息層析裝置包含He－Ne激光器、擴束望遠鏡，兩塊半透半反鏡、兩塊全反鏡、旋轉(zhuǎn)工作臺、樣品、樣品室、透鏡、接收器CCD和計算機，所述的旋轉(zhuǎn)工作臺是能將置于樣品室內(nèi)的樣品在0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動并具有刻度的工作臺；所說的He－Ne激光器是一臺單橫?？梢娤喔晒庠矗f的擴束望遠鏡可將He－Ne激光束擴大100倍的光學系統(tǒng)；所說的兩塊半透半反鏡是具有50％反射率和透過率的介質(zhì)膜鏡；所說的全反鏡是具有100％反射率的介質(zhì)膜鏡。利用本實用新型能實時高分辨率重構(gòu)物體的三維位相信息空間分布，為研究等離子體，高溫爐內(nèi)溫度場分布，脈沖燈內(nèi)放電狀況以及各種光學樣品的檢測提供了一個有力工具。
文檔編號G02B27/22GK2655296SQ0323260
公開日2004年11月10日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 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