一种基于菲涅尔双面镜连续太赫兹波自参考数字全息成像方法与流程

本发明涉及一种自参考数字全息提高系统时间稳定性的方法，特别是涉及一种基于菲涅尔双面镜连续太赫兹波自参考数字全息成像方法，是一种基于共光路结构的连续太赫兹波自参考数字全息成像方法。

背景技术：

太赫兹数字全息术可用于实时重建物体波前。这种全场无透镜太赫兹相衬成像方法的有效性已在离轴干涉仪结构中广泛应用。太赫兹数字全息方法中常用的实验记录光路是基于马赫曾德干涉仪的使物、参双光束有夹角的太赫兹离轴干涉结构，但是由于物光束和参考光束传播路径不同，两光束对环境干扰和震动通常比较敏感，并且两光束的分光强度比不可避免存在差异。为了获得更好的时间稳定性，可以在离轴全息方法中使用共光路干涉仪结构，即物光束和参考光束都沿着几乎相同的路径传播。

本发明旨在提出一种基于菲涅尔双面镜的连续太赫兹波自参考数字全息方法，该方法仅使用较少的光学元件就可以实现高时间稳定性的共光路离轴干涉全息。该方法的优点是光路结构较紧凑，还可以灵活调整干涉条纹周期，更有助于满足探测器的采样条件。由于物光和参考光在记录平面上的强度几乎相等，从而可以获得对比度较一致的干涉条纹。

技术实现要素：

一种自参考连续太赫兹波照明数字全息成像系统，该成像系统的光路装置包括co2泵浦太赫兹激光器1、第一镀金离轴抛面镜2、第二镀金离轴抛面镜3、被测样品4、第一镀金反射镜5、第二镀金反射镜6、和热释电探测器7。co2泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波，co2泵浦太赫兹激光器1与第一镀金离轴抛面镜2相对应，第一镀金离轴抛面镜2和第二镀金离轴抛面镜3相对应布置组成一个扩束单元，可将co2泵浦太赫兹激光器1输出的太赫兹波光斑直径扩大三倍，其传播方向平行；被测样品4设置在第二镀金离轴抛面镜3反射光路上。经过被测样品4产生散射的物光波前4a照射到第一镀金反射镜5和第二镀金反射镜6，第一镀金反射镜5的作用是将物光波4a中的携带物信息的部分光束反射产生物光波5a传播到热释电探测器7，第二镀金反射镜6的作用是将物光波4a中另一部分(不携带物信息部分)光束从另一个角度反射产生参考光波6a也传播到热释电探测器7，最终与物光波5a发生干涉，通过热释电探测器7记录离轴数字全息图。

利用上述系统进行的一种基于菲涅尔双面镜连续太赫兹波自参考数字全息成像方法包括数字全息图的拍摄，利用傅里叶变换得到全息图的频谱，频谱滤波将“+1级”频谱滤出并移至谱域中央，然后进行傅里叶逆变换得到全息图，再利用角谱算法进行物光场再现，得到物光波的复振幅分布，对复振幅取平方得到在现像的振幅分布，对复振幅进行反正切运算提取包裹相位，然后进行解包裹操作得到再现像的连续相位分布。

一种基于菲涅尔双面镜的连续太赫兹波自参考数字全息成像方法的过程分为三个步骤：

1)太赫兹波3a通过被测样品4散射成为太赫兹物波前4a，被测样品4中包含物体信息的部分只占用太赫兹光束3a光斑面积的一半，如果被测样品4中的物信息是稀疏分布，则包含物体信息的部分传播到第一镀金反射镜5，经过反射产生物光波5a；太赫兹物波前4a的另一部分即不携带物信息的部分经过第二镀金反射镜6产生参考光波6a。第一镀金反射镜5和第二镀金反射镜6之间的角度的变化与物光波5a和参考光波6a之间夹角的变化是线性关系，所以第一镀金反射镜5和第二镀金反射镜6之间的角度越大，物光波5a和参考光波6a之间的夹角也相应增大。物光波5a和参考光波6a两束光发生干涉并产生干涉条纹周期可灵活调整且强度比较一致的离轴数字全息图h(x,y)，利用热释电探测器7记录数字全息图h(x,y)。

2)调整全息图h(x,y)上干涉条纹周期，对进行傅里叶变换后的频谱图中使“+1级”、“-1级”与频域中心的“0级”之间的距离相应增加，这更有利于进行频谱滤波。随后通过傅里叶逆变换得到全息图，再利用角谱算法得到物光波的复振幅分布，对其复振幅取平方得到全息图在现象的振幅分布，对其复振幅进行反正切运算提取包裹相位，然后进行解包裹操作得到连续的相位分布。

3)相位的变化导致光程长度的变化揭示了系统的时间稳定性。连续记录多幅没有样本的干涉图，选取中心的(100×100像素)区域，将它们处理为相对应的相位分布图，通过相位与光程的关系式计算出这些相位分布图中每个像素点的光程长度变化的标准差，这个值可以代表系统的时间稳定性。通过比较同等记录与再现情况下本发明方法的光程长度标准差值与传统使用基于马赫曾德干涉仪结构的太赫兹离轴数字全息方法在记录相同时长和相同幅干涉图计算后得出的光程长度标准差进行比较，本系统的光程长度波动的标准差更低，代表本方法具有较高的时间稳定性。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过基于菲涅尔双面镜的自参考太赫兹数字全息成像方法能够通过仅使用两反射镜这一紧凑的光路结构有效地提高太赫兹数字全息成像装置的时间稳定性。

有益效果

一种基于菲涅尔双面镜的太赫兹波自参考数字全息相衬成像方法，通过镀金反射镜5和镀金反射镜6对物光波前4a的不同部分进行反射，从而使得物光波5a和参考光波6a形成一个适合的离轴角，最终在热释电探测器7所在得记录面产生具有物、参光波强度分光比较一致的数字全息干涉图。在相同记录时长和实验情况下，所提出的记录装置仅需少量光学元件就可以具有比传统基于马赫曾德干涉仪结构与的光路系统更高的时间稳定性。

附图说明

图1是一种基于菲涅尔双面镜太赫兹波自参考数字全息成像的系统光路。

图2是一种基于菲涅尔双面镜太赫兹波自参考数字全息成像系统的原理。

图中：1、co2泵浦太赫兹激光器，2、第一镀金离轴抛面镜，3、第二镀金离轴抛面镜，4、被测样品，5、第一镀金反射镜，6、第二镀金反射镜，7、热释电探测器。

具体实施方式

下面参照附图样式详细说明本发明的典型实施例及其特征。

一种基于菲涅尔双面镜连续太赫兹波自参考数字全息成像系统，该系统的光路包括co2泵浦太赫兹激光器1、第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)、第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)、被测样品4、第一镀金反射镜5、第二镀金反射镜6和热释电探测器7，如图1所示。实验中的太赫兹激光器是co2泵浦太赫兹激光器1，频率为2.52thz(对应中心波长为118.83μm)，其产生最高功率为500mw的连续太赫兹波，热释电探测器7的像素个数为320×320像素，像素尺寸为80μm×80μm，采样频率为50hz。成像试验的被测样品4为蝉的前翅，热释电探测器7测得到的全息图尺寸为320×320像素，采集一幅全息图。

首先参照发明的内容，完成全息图的拍摄：

一种基于菲涅尔双面镜连续太赫兹波自参考数字全息成像方法，该方法提高分辨率的过程分为三个步骤：

1)太赫兹波3a透过被测样品4产生散射的物光波前4a，物光波前4a中一部分通过第一镀金反射镜5成为携带物信息的物光波5a，物光波前4a中另一部分没携带物信息的物光波前被第二镀金反射镜6从不同角度反射成为参考光波6a。如图2中，第一镀金反射镜5与第二镀金反射镜6之间的夹角是α，物光波5a与参考光波6a之间的夹角是2α。调整物光波5a与参考光波6a之间的夹角是系统进行实验的关键，这直接决定了干涉条纹的周期，使其满足探测器的采样条件0≤2α≤sin^-1(λ/2δx)，式中的△x是热释电探测器7的像素尺寸，本系统中2α最大为47.9°。

2)物光波5a与参考光波6a最终在热释电探测器7所在记录面发生干涉并产生离轴全息图h(x,y)表示为：

h(x,y)＝|o(x,y)|²+|r(x,y)|²+r^*(x,y)o(x,y)+r(x,y)o^*(x,y)

其中,*代表复共轭，o(x,y)和r(x,y)分别为物光波和参考光波。对上述数字全息图h(x,y)经过傅里叶变换后得到频谱图。频域中各级项与夹角2α之间的关系是：sin2α＝λp/mδx，其中m为热释电探测器7的像素个数，p为频域中“+1级”频谱与频域中央“0级”频谱之间的间隔，单位是像素。式子表明夹角2α越大，在频域中“+1级”与中央“0级”频谱之间的间隔越大，这样更有利于对“+1级”频谱进行滤波。本系统中的夹角2α＝27.7°，对应的傅里叶频谱图中“+1级”频谱与“0级”频谱之间约98个像素的距离。将滤出的“+1级”频谱经过补零后得到像素尺寸相同且频谱中心位置一致的新频谱，随后对其进行逆傅里叶变换，再利用角谱算法获得再现像的复振幅u0(x0,y0)分布：

其中，表示傅里叶变换,表示傅里叶逆变换，h(xo,yo,x,y)代表系统的传递函数，其具体表达式为：

其中，λ为太赫兹波的波长，fx,fy表示全息图在x,y方向对应的频域坐标，d为被测样品4到热释电探测器7之间的距离，本系统中d＝50.5mm。

通过对再现像的复振幅取反正切计算直接得出物体的相位信息：

其中，代表物体相位，物体相位的值分布于[-π,π]之间，称为包裹相位。若物体相位起伏大于2π时，还需要对相位分布计算的结果进行解包裹运算，本系统采用最小二乘解包裹算法。

3)连续记录49幅本系统在没有被测物体4的情况下的干涉图，在相同条件(太赫兹激光器1、热释电探测器7、第一镀金离轴抛面镜2、第二镀金离轴抛面镜3不变的情况)连续记录49幅基于马赫曾德干涉仪结构的太赫兹离轴数字全息方法采集的干涉图。分别对两组干涉图进行上述计算得到相位图，截取中心区域(100×100像素)。根据相位与光程的关系式：其中l为光程长度，△n为被测样品4的折射率与周围介质折射率之差。计算出两组相位分布图中选取区域的每个像素点的光程长度变化的标准差，这个数据可以代表系统的时间稳定性。经过计算得出本方法的光程标准差值是0.36μm，传统使用基于马赫曾德干涉仪结构在相同计算情况下得出的光程标准差值1.0μm，通过比较得出本系统的光程长度波动的标准差更低，表示本方法具有较高的时间稳定性。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过基于菲涅尔双面镜的连续太赫兹波自参考数字全息系统可以产生具有物、参光波强度分光比一致且可灵活调整条纹周期的数字全息干涉图。在相同记录时长和实验情况下，所发明的记录装置仅需少量光学元件就可以具有比传统使用的基于马赫曾德干涉仪装置更高的时间稳定性。

尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例没有打算是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。