5.項(xiàng)目結(jié)題總結(jié)

項(xiàng)目編號(hào)：20141266十同7；（華東）琴國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題總結(jié)項(xiàng)目名稱：基于相移數(shù)字全息的空間光場測量項(xiàng)目級(jí)別：校級(jí)負(fù)責(zé)人：龔靜思所在院部：理學(xué)院專業(yè)班級(jí):光信息1201指導(dǎo)教師：徐先鋒教務(wù)處制目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章引言4\o"CurrentDocument"第2章測量原理4\o"CurrentDocument"溫度與折射率關(guān)系5\o"CurrentDocument"折射率與相位變化5\o"CurrentDocument"相位的測量6\o"CurrentDocument"第3章溫度場測量實(shí)驗(yàn)8\o"CurrentDocument"第4章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析9\o"CurrentDocument"第5章結(jié)論與討論11參考文獻(xiàn)12基于相移數(shù)字全息干涉術(shù)的空間溫度場測量摘要利用相移數(shù)字全息干涉技術(shù)的高精度和非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了通過空氣折射率變化測量空間的溫度場分布的方法。已有研究表明空氣場中溫度影響氣體的密度從而影響空氣媒質(zhì)的折射率。相移數(shù)字干涉術(shù)能夠精確監(jiān)測媒質(zhì)中折射率分布的微小變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成對(duì)空間溫度分布的測量。通過相移數(shù)字全息干涉分別測量沒有加熱和加熱到一定溫度時(shí)的前后光程差的差值，得到空間橫向的折射率分布，使用空氣中折射率與溫度的換算關(guān)系，獲得空間溫度場的分布。用實(shí)驗(yàn)測量了加熱到234攝氏度的金屬烙鐵周圍的空氣場的溫度分布，得到了加熱烙鐵周圍的溫度場分布。關(guān)鍵詞：相移干涉術(shù)；溫度場；折射率；數(shù)字全息干涉術(shù)測量原理測量原理引言引言第1章引言在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量被加熱物體表面的溫度和其周圍空間的溫度分布。光學(xué)干涉測量技術(shù)可以提供位相物體和熱物體周圍滿場的溫度數(shù)據(jù)且該技術(shù)非接觸、無損害?，F(xiàn)今有大量光學(xué)干涉測量技術(shù)，例如傳統(tǒng)干涉測量技術(shù)，全息干涉測量技術(shù)，散斑成像技術(shù)，剪切干涉技術(shù)，莫爾偏折法，散斑剪切干涉測量法，Talbot干涉以及Lau相位干涉技術(shù)。最近，數(shù)字全息干涉測量技術(shù)被研究用于測量溫度及氣體火焰及熱物體的溫度場分布。這是因?yàn)樵谙嘁茢?shù)字全息技術(shù)（PSI）中相位測量的精確性非常高。在PSI技術(shù)中，單個(gè)物體波前的振幅和相位都可通過單張數(shù)字全息圖利用數(shù)值方法定量再現(xiàn)。在PSI技術(shù)中，可通過對(duì)單個(gè)物體在不同層面上的波前再現(xiàn)的相位進(jìn)行相減直接獲得干涉相位，無需生成相移圖。因此，PSI提供了另外一種實(shí)驗(yàn)可行的方式計(jì)算干涉相位。這也使得測量更靈活，使測量過程更快速；歸功于此，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的測量。溫度場測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第2章測量原理2.1溫度與折射率關(guān)系

圖1折射率與溫度的關(guān)系曲線(2)(4)(5)1(2)(4)(5)式中a=0.00368°c-1從圖1的關(guān)系曲線和公式(1)的表達(dá)式可以看出，溫度與空氣折射率在200攝氏度以下接近反比例函數(shù)分布。由式(1)可以求出溫度隨折射率的分布：t=n0—n=gan—1an—12.2折射率與相位變化根據(jù)相位0與折射率的關(guān)系p(x,y)=An(x,y)2兀/九(3)有△n(x,y)=p(x,y)"(2兀)將(4)式帶入(2)式，可得t=p(x,y)k/[(2兀a)(n-l)]顯然，由(1)式能求出40°C時(shí)的折射率n,再把由干涉圖求出的物光相位p(x,y)帶入(4)式，就得到了溫度場在于CCD記錄面平行的平面上的分布。改變光束或烙鐵放置的方向，可以獲得另一方向面的溫度場分布，多次操作溫度場測量實(shí)驗(yàn)溫度場測量實(shí)驗(yàn)中國石油大學(xué)(華東)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題總結(jié)中國石油大學(xué)(華東)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題總結(jié)后，最后得到三維立體溫度場分布。2.3相位的測量通過遮住和放開物光參考光，可以記錄物光(文件名ob)、參考光(文件名re)、干涉圖(文件名01、02)的強(qiáng)度分布。將記錄面上物光波前記為U(x,y)=A(x,y)exp「i?(x,y)］，(6)ooAo(x,y)和^(x,y)分別是記錄面上物光的實(shí)數(shù)振幅和相位。參考光取振幅為常數(shù)A”的平面波U=Aexp(i5)，(7)rr其中3為參考光相對(duì)于某一參考值的相位，對(duì)軸向平面參考光來說為一實(shí)常數(shù)。物光和參考光在記錄面上發(fā)生干涉后，其干涉強(qiáng)度分布為I(x,y)=「U+U(x,y)］「U+U(x,y)］*TOC\o"1-5"\h\zroro=UU*+U(x,y)U*(x,y)+U*U(x,y)+UU*(x,y),⑻rroororo這里“*”表示復(fù)共軛。利用(2)和(3)式可將(4)式整理成另一種形式I(x,y)=A2(x,y)+A2+2A(x,y)AcosQ(x,y)-5，⑼oror此強(qiáng)度分布稱為干涉圖。改變平面參考光相位3,可以得到若干幅干涉圖。假設(shè)第j次曝光時(shí)參考光相位為3.，相應(yīng)的干涉圖強(qiáng)度為jI(x,y)=A2(x,y)+A2+2A(x,y)AcosQ(x,y)-5，j=l,2,...K.(10)jororj其中，K為總曝光次數(shù)。干涉圖強(qiáng)度信息被CCD記錄后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)就完成了全息圖的相移值的抽取在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生未知相移值A(chǔ)<5。最近的兩步廣義相移數(shù)字全息技術(shù)［8］可以從干涉圖中直接抽取相移量，使用這一技術(shù)我們能夠計(jì)算這一相移值。假設(shè)衍射物光、參考光和兩幅干涉圖的強(qiáng)度分別為I，I，人和人，則由(5)式可以推orl2導(dǎo)出相移值的表達(dá)式［8］AS=cosAS=cos-1—I)2-(I+1—21—21212or：11)使用(6)式可以確定相移值在(0,n)區(qū)間的值。記錄面上物光的計(jì)算(AS)(AS)-「1-cos(aS)1(I+1)——o,(12)I-I-II-IcosU=ror+i—212A2Asin(AS)rr代入衍射物光、參考光和兩幅干涉圖的強(qiáng)度I，I，I和I2和相移值A(chǔ)3后，就可以計(jì)算記錄or12面PH上的復(fù)數(shù)物波場。為簡潔，(6)和(7)式的推導(dǎo)和討論中將省略了坐標(biāo)(x,y)。H5原物像的恢復(fù)計(jì)算出記錄面上的物光場后，通過對(duì)U(x,y)進(jìn)行距離為z的逆菲涅爾變換得到像平面PO上的物光場U(x,y)=口U(x,y)exp〔一i^-n(x一x)2+(y—y)2]]dxdy.(13)以上針對(duì)兩步算法介紹了相移數(shù)字全息記錄與再現(xiàn)的原理，但這里提出的方法同樣適用于三步以上相移數(shù)字全息，物光再現(xiàn)時(shí)要借助相應(yīng)原理。第3章溫度場測量實(shí)驗(yàn)圖2為相移數(shù)字全息的實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖中利用了的馬赫曾德干涉光路。由He-Ne激光器發(fā)出的激光由擴(kuò)束鏡(顯微物鏡)、針孔濾波和透鏡準(zhǔn)直后形成寬口徑平面波，經(jīng)可變光闌后，光斑直徑變?yōu)?厘米后，再經(jīng)分束器形成兩路：透射光和反射光。透射光被反射鏡2反射后垂直入射到原始物平面Po上的物體上，經(jīng)衍射后的物光經(jīng)過合束器到達(dá)距離z=20厘米處的CCD記錄面P上。經(jīng)過分束H器后的反射光作為參考光被反射鏡1和合束器反射到P面上與物光干涉產(chǎn)生干H涉條紋，被CCD記錄下來傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。在圖2的物平面Po上，我們安裝了電烙鐵作為加熱物體。中國石油大學(xué)（華東）國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題總結(jié)中國石油大學(xué)（華東）國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題總結(jié)第4章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3中左圖是加熱到40°C時(shí)記錄的干涉圖中的1幅。顯然，在烙鐵外，干涉圖是等間距分布的直條紋。右圖是加熱到234°C時(shí)記錄的干涉圖，在烙鐵外的區(qū)域，干涉條紋出現(xiàn)了明顯的彎曲，表示光路中的物光相位發(fā)生了變化這種相位變化即是由溫度變化引起的。由相移數(shù)字全息算法求出相位后，帶入（5式就得到了溫度場在記錄面前面區(qū)域的分布。圖340攝氏度（左）和234攝氏度（右）時(shí)分別記錄的干涉圖圖4中左圖和右圖分別是40攝氏度（左）和234攝氏度（右）時(shí)恢復(fù)的相位圖。不難看出，溫度升高時(shí)，物光的包裹相位發(fā)生了很大的變化。

圖440攝氏度時(shí)物光強(qiáng)度圖（左）和相位圖（右）解包后的波陣面圖（縱B420-210050-4100100B420-210050-4100100.8060402000軸單位是微米，橫軸單位是10像素）軸單位是10像素）將圖4中的相位圖進(jìn)行解包后得到相應(yīng)的相位分布，分別在圖5的左右圖中給出，其相減后溫度場分布（縱軸單位是194/4+40°C,橫軸單位是10像素）321501501DDIllif.G：0在圖6321501501DDIllif.G：0在圖6中給出。-22CO2D0圖6圖5左右兩圖相減后的差值圖從圖6中很容易看出，在原理發(fā)熱電烙鐵的區(qū)域，溫度幾乎為40°C,,靠近電烙鐵的上邊，溫度迅速增高，而在電烙鐵兩側(cè)的區(qū)域溫度也比較高。結(jié)論與討論結(jié)論與討論第5章結(jié)論與討論從前文得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，我們提出的基于相移數(shù)字全息的空間溫度場測量方