基于光纖導(dǎo)光的數(shù)字全息微形變測量系統(tǒng)

摘要：建立基于光纖導(dǎo)光的數(shù)字全息干涉微形變測量系統(tǒng)，首先，利用1×2單模光纖耦合器將激光源輸出光分為照明光和參考光，實現(xiàn)光路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和穩(wěn)定性好；然后，通過短焦距和長焦距準(zhǔn)直透鏡分別對照明光和參考光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，使得參物光強(qiáng)度接近1：1，從而獲得高信噪比的數(shù)字全息圖。利用基于數(shù)字全息的雙曝光方法對鋼板的波長量級微形變進(jìn)行實驗測量。通過全息記錄、再現(xiàn)及相位解包裹得到高精度的測量結(jié)果。實驗結(jié)果表明，建立的基于光纖導(dǎo)光的數(shù)字全息微形變測量系統(tǒng)具有光路簡單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且測量精度高。
關(guān)鍵詞：數(shù)字全息；光纖導(dǎo)光；形變測量；相位解包裹

0 引言
數(shù)字全息采用光電探測器作為記錄介質(zhì)，計算機(jī)模擬參考光進(jìn)行全息再現(xiàn)，可以獲取物光的振幅和相位信息，重構(gòu)物體的三維形貌。該技術(shù)具有可處理相位信息、高效自動化、實時測量、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛研究和應(yīng)用。特別在微形變測量領(lǐng)域，數(shù)字全息方法作為一種相干測量方法，具有非接觸、實時性、高分辨率、全視場等特點(diǎn)，倍受眾多研究者關(guān)注。雙曝光全息干涉法是典型的用于微形變測量的方法，其原理是將初始物光波面與變形以后的物光波面相比較。在記錄過程中對形變物面作二次曝光，一次記錄初始物光波的全息圖，一次記錄形變后物光波的全息圖。用原參考光進(jìn)行全息再現(xiàn)，得到形變前后的兩物光波面相干產(chǎn)生條紋，通過分析條紋，了解波面的變化信息。目前，數(shù)字全息光路主要采用透鏡、棱鏡、波片以及空間濾波器等光學(xué)元件構(gòu)建相干成像光路，而這些分離光學(xué)元件穩(wěn)定性不高且體積大，非常不利于測量系統(tǒng)的小型化、穩(wěn)定性，大大限制了全息系統(tǒng)的實際測量應(yīng)用。
采用光纖波導(dǎo)替代全息光路中各種分立光學(xué)元件，使系統(tǒng)更加緊湊、穩(wěn)定，此外光纖可繞曲、抗電磁、耐腐蝕的特點(diǎn)，使系統(tǒng)適于復(fù)雜環(huán)境、封閉結(jié)構(gòu)、強(qiáng)電磁和強(qiáng)腐蝕等環(huán)境。因此，本文設(shè)計并建立了基于光纖導(dǎo)光的數(shù)字全息微形變測量系統(tǒng)。具體方法是，利用1×2單模光纖耦合器將激光源輸出光分為照明光和參考光，同時通過短焦距和長焦距準(zhǔn)直透鏡分別對照明光和參考光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，使得參物光強(qiáng)度接近1：1，以獲得高信噪比的數(shù)字全息圖。通過對發(fā)生了波長量級微形的鋼板進(jìn)行實際測量，驗證了本文建立系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

1 雙曝光數(shù)字全息干涉測量原理
數(shù)字全息原理如圖1所示。物參光在相機(jī)光敏面干涉記錄，計算機(jī)模擬參考光，用菲涅爾-基爾霍夫衍射關(guān)系，對物光波進(jìn)行數(shù)字重建，XY平面為物平面，xy平面為全息記錄平面，ηζ平面為再現(xiàn)平面，d’為全息記錄距離。

在滿足菲涅爾近似條件的情況下，再現(xiàn)物光波表示為：