基于光纖導光的數(shù)字全息微形變測量系統(tǒng)

摘要：建立基于光纖導光的數(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)光路結構簡單、緊湊和穩(wěn)定性好；然后，通過短焦距和長焦距準直透鏡分別對照明光和參考光進行準直擴束，使得參物光強度接近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果。實驗結果表明，建立的基于光纖導光的數(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，而且測量精度高。
關鍵詞：數(shù)字全息；光纖導光；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，計算機模擬參考光進行全息再現(xiàn)，可以獲取物光的振幅和相位信息，重構物體的三維形貌。該技術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，近年來被廣泛研究和應用。特別在微形變測量領域，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，倍受眾多研究者關注。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元件構建相干成像光路，而這些分離光學元件穩(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)的實際測量應用。
采用光纖波導替代全息光路中各種分立光學元件，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，使系統(tǒng)適于復雜環(huán)境、封閉結構、強電磁和強腐蝕等環(huán)境。因此，本文設計并建立了基于光纖導光的數(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直透鏡分別對照明光和參考光進行準直擴束，使得參物光強度接近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。物參光在相機光敏面干涉記錄，計算機模擬參考光，用菲涅爾-基爾霍夫衍射關系，對物光波進行數(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：