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数字全息技术及其在测量中的应用研究

王广俊  
【摘要】:数字全息技术在测量中的应用是近年来国际、国内研究的热点。目前在温度场的测量、粗糙度测量、粒度分析、形貌和变形测量、细胞培养观测、微电路测量方面都有所进展。数字全息技术是一种独特的全息成像技术,它利用电荷耦合器件(CCD)代替传统的全息材料记录全息图,省去了用全息材料记录全息图的显影、定影等湿处理的过程,用计算机模拟光学的衍射过程,从而再现原始物体的波前分布,可实现物理参数的准实时测量和物理过程的观测。 本文通过对数字全息记录和再现的理论分析,研究了数字全息的分辨率、数字全息的相位矫正方法以及数字全息技术在温度场和粗糙度测量中的应用,并通过实验验证了温度场和粗糙度测量方法的可行性,取得了测量准确度较高的结果,通过上述研究,得到了一些有意义的结果,其主要内容如下: 1综合阐述了全息技术的发展,介绍了光学全息和数字全息目前研究的成果,探讨了当前数字全息技术研究的热点:数字全息记录光路,零级衍射像和一级衍射像的分离、再现算法,再现像的分辨率,相位畸变的补偿,数字全息在测量中的应用等。 2研究了光学全息和数字全息的记录和再现原理,探讨了几种常用全息图的记录实现,比较了数字全息和光学全息的优缺点,以离轴傅里叶变换数字全息为例,分别用点光源和平面波作参考光推导出数字全息记录的限制条件:点光源偏置限制条件、平面波倾斜限制条件、记录距离的限制条件。对数字全息常用的再现算法作了论述,并且比较它们的优缺点。 3对数字全息再现像的分辨率进行研究,指出了再现像的空间分辨率和横向分辨率是不同的。探讨了再现像横向分辨率的影响因素,给出了提高再现像分辨率的几种方法,以点光源作为参考光从理论方面论述了离轴无透镜傅里叶变换数字全息图的记录和再现的机理,获得了分别用傅里叶变换算法和角谱算法再现像的分辨率,设计了实验并验证了用角谱算法获得的再现像分辨率的正确性;基于带有预放大离轴数字全息的记录和再现,分析了再现像相位畸变产生的原因,提出了用自动补偿法来矫正相位畸变的方法,并进行了模拟实验,结果表明在低噪声的情况下补偿的效果明显,在高噪声下不是补偿次数越多越好的结论。 4探讨了目前在温度场检测方面的方法,重点阐述了应用光学技术测量的几种方法,指出了各种测量方法的优缺点,提出了应用数字全息技术来测量温度场的新方法,基于离轴无透镜傅里叶变换数字全息技术,理论分析了此方法的可行性,获得了由数字全息技术获得的相位分布并且用适当的相位解包裹后和温度之间的关系式,设计了验证此方法的可行性和正确性的透射光路和反射光路两套实验装置,应用了自行设计制造的能够提供和监控温度场的装置。实验结果和用热电偶实时测量结果进行比较,透射式误差在[-1.01K,0.19K]之间,反射式误差在[-0.22K,0.50K ]之间,置信概率取99.75%。由此,可证明此测量方法的可行性,并且准确度较高。 5阐述了我们国家标准对物件表面粗糙度主要参数的定义以及粗糙度检测的基础理论,探讨了目前关于粗糙度检测的方法,提出了用数字全息法测量物件表面粗糙度的新检测方法,从理论上研究了此方法的可行性,基于离轴无透镜傅里叶变换数字全息理论推导获得了表面粗糙度和用数字全息法获得的相位解包裹后相位分布之间的关系式,发现了用此方法不需要用再现像真实的相位分布,而只用相位解包裹后的相对相位分布即可。设计了实验装置,并用标准粗糙度样板作为测量样件,把用实验测得的粗糙度的主要参数轮廓算术平均偏差Ra的结果和标准粗糙度样板的标称值进行比较,标称值Ra为3.2μm的测量误差为-0.45μm,测量误差的波动范围为±0.03μm;标称值Ra为1.6μm的测量误差为0.23μm,测量误差的波动度为±0.03μm,结果显示用此方法测量物件表面粗糙度的可行性,并且变动度较小。


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