5项目结题总结

项目编号：20141266（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结项目名称：基于相移数字全息的空间光场测量项目级别：校级负责人：龚静思所在院部：理学院专业班级：光信息1201指导教师：徐先锋教务处制中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结目录第1章引言.........................................................4第2章测量原理....................................................42.1温度与折射率关系........................................52.2折射率与相位变化........................................52.3相位的测量...............................................6第3章温度场测量实验.............................................8第4章实验结果分析................................................9第5章结论与讨论..................................................11参考文献............................................................12中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结基于相移数字全息干涉术的空间温度场测量摘要利用相移数字全息干涉技术的高精度和非接触测量的优点设计了通过空气折射率变化测量空间的温度场分布的方法。已有研究表明空气场中温度影响气体的密度从而影响空气媒质的折射率。相移数字干涉术能够精确监测媒质中折射率分布的微小变化，进而转化成对空间温度分布的测量。通过相移数字全息干涉分别测量没有加热和加热到一定温度时的前后光程差的差值，得到空间横向的折射率分布，使用空气中折射率与温度的换算关系，获得空间温度场的分布。用实验测量了加热到234摄氏度的金属烙铁周围的空气场的温度分布，得到了加热烙铁周围的温度场分布。中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结关键词：相移干涉术；温度场；折射率；数字全息干涉术引言第1章引言在日常生活和工农业生产中，常常需要测量被加热物体表面的温度和其周围空间的温度分布。光学干涉测量技术可以提供位相物体和热物体周围满场的温度数据且该技术非接触、无损害。现今有大量光学干涉测量技术，例如传统干涉测量技术，全息干涉测量技术，散斑成像技术，剪切干涉技术，莫尔偏折法，散斑剪切干涉测量法，Talbot干涉以及Lau相位干涉技术。最近，数字全息干涉测量技术被研究用于测量温度及气体火焰及热物体的温度场分布。这是因为在相移数字全息技术（PSI）中相位测量的精确性非常高。在PSI技术中，单个物体波前的振幅和相位都可通过单张数字全息图利用数值方法定量再现。在PSI技术中，可通过对单个物体在不同层面上的波前再现的相位进行相减直接获得干涉相位，无需生成相移图。因此，PSI提供了另外一种实验可行的方式计算干涉相位。这也使得测量更灵活，使测量过程更快速；归功于此，可以实现实时的测量。温度场测量实验结果。第2章测量原理2.1温度与折射率关系测量原理图1折射率与温度的关系曲线（1）式中=0.00368°c-1从图1的关系曲线和公式（1）的表达式可以看出，温度与空气折射率在200摄氏度以下接近反比例函数分布。由式（1）可以求出温度随折射率的分布：t=𝑛0−𝑛(𝑛−1)=∆𝑛(𝑛−1)(2)2.2折射率与相位变化根据相位φ与折射率的关系（x,y）=△n(x,y)2/λ(3)有△n(x,y)=（x,y）λ/(2)(4)将（4）式带入（2）式，可得t=（x,y）λ/[(2)(n-1)](5)显然，由（1）式能求出40°C时的折射率n，再把由干涉图求出的物光相位（x,y）带入（4）式，就得到了温度场在于CCD记录面平行的平面上的分布。改变光束或烙铁放置的方向，可以获得另一方向面的温度场分布，多次操作中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结后，最后得到三维立体温度场分布。2.3相位的测量通过遮住和放开物光参考光，可以记录物光（文件名ob）、参考光（文件名re）、干涉图（文件名01、02）的强度分布。将记录面上物光波前记为,,exp,ooUxyAxyixy，(6)Ao(x,y)和φ(x,y)分别是记录面上物光的实数振幅和相位。参考光取振幅为常数Ar的平面波exprrUAi，(7)其中δ为参考光相对于某一参考值的相位，对轴向平面参考光来说为一实常数。物光和参考光在记录面上发生干涉后，其干涉强度分布为,,,roroIxyUUxyUUxy,,,,rroororoUUUxyUxyUUxyUUxy，(8)这里“*”表示复共轭。利用(2)和(3)式可将(4)式整理成另一种形式22,,2,cos,ororIxyAxyAAxyAxy,(9)此强度分布称为干涉图。改变平面参考光相位δ，可以得到若干幅干涉图。假设第j次曝光时参考光相位为δj，相应的干涉图强度为22,,2,cos,jororjIxyAxyAAxyAxy，j=1,2,…K.(10)其中，K为总曝光次数。干涉图强度信息被CCD记录后存储到计算机内就完成了全息图的相移值的抽取在实验过程中产生未知相移值Δδ。最近的两步广义相移数字全息技术[8]可以从干涉图中直接抽取相移量，使用这一技术我们能够计算这一相移值。假设衍射物光、参考光和两幅干涉图的强度分别为Io，Ir，I1和I2，则由（5）式可以推导出相移值的表达式[8]221212122cos8ororIIIIIIII.（11）使用（6）式可以确定相移值在（0，π）区间的值。记录面上物光的计算同样，由（5）式可以推导出记录面上物光波前211cos1cos()22sinororrrIIIIIIIUiAA,(12)代入衍射物光、参考光和两幅干涉图的强度Io，Ir，I1和I2和相移值Δδ后，就可以计算记录面PH上的复数物波场。为简洁，（6）和（7）式的推导和讨论中将省略了坐标（x,y）。温度场测量实验5原物像的恢复计算出记录面上的物光场后，通过对U(x,y)进行距离为z的逆菲涅尔变换得到像平面PO上的物光场22π,,expIIIIIUxyUxyixxyydxdyz.(13)以上针对两步算法介绍了相移数字全息记录与再现的原理，但这里提出的方法同样适用于三步以上相移数字全息，物光再现时要借助相应原理。第3章温度场测量实验图2温度场测量实验装置图图2为相移数字全息的实验装置图，图中利用了的马赫曾德干涉光路。由He-Ne激光器发出的激光由扩束镜（显微物镜）、针孔滤波和透镜准直后形成宽口径平面波，经可变光阑后，光斑直径变为1厘米后，再经分束器形成两路：透射光和反射光。透射光被反射镜2反射后垂直入射到原始物平面Po上的物体上，经衍射后的物光经过合束器到达距离z=20厘米处的CCD记录面PH上。经过分束器后的反射光作为参考光被反射镜1和合束器反射到PH面上与物光干涉产生干涉条纹，被CCD记录下来传输到计算机中。在图2的物平面Po上，我们安装了电烙铁作为加热物体。中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结第4章实验结果分析图3中左图是加热到40°C时记录的干涉图中的1幅。显然，在烙铁外，干涉图是等间距分布的直条纹。右图是加热到234°C时记录的干涉图，在烙铁外的区域，干涉条纹出现了明显的弯曲，表示光路中的物光相位发生了变化。这种相位变化即是由温度变化引起的。由相移数字全息算法求出相位后，带入（5）式就得到了温度场在记录面前面区域的分布。图340摄氏度（左）和234摄氏度（右）时分别记录的干涉图图4中左图和右图分别是40摄氏度（左）和234摄氏度（右）时恢复的相位图。不难看出，温度升高时，物光的包裹相位发生了很大的变化。中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结图440摄氏度时物光强度图（左）和相位图（右）解包后的波阵面图（纵轴单位是微米，横轴单位是10像素）图540摄氏度时解包后的相位图解包后的波阵面图（纵轴单位是rad，横轴单位是10像素）将图4中的相位图进行解包后得到相应的相位分布，分别在图5的左右图中给出，其相减后温度场分布（纵轴单位是194/4+40°C，横轴单位是10像素）在图6中给出。图6图5左右两图相减后的差值图从图6中很容易看出，在原理发热电烙铁的区域，温度几乎为40°C,,靠近电烙铁的上边，温度迅速增高，而在电烙铁两侧的区域温度也比较高。020406080100050100-4-2024结论与讨论第5章结论与讨论从前文得到的实验结果看，我们提出的基于相移数字全息的空间温度场测量方法是可行的，公式（5）中以表达出相位与温度的正比关系，图6基本反应了电烙铁周围空间温度场的分布。将纵轴的单位进行定标就能得到空间各点温度值。但如要得到空间三维的分布，还要进行多次测量，再进行综合。中国石油大学（华东）国家大学生创新创业训练计划结题总结参考文献1.邢进华,温度对气体折射率的非线性影响,物理实验;2005,25(4):35-39。