[发明专利]一种透射波前相位径向一阶导数的检测装置和方法

说明书

本发明涉及一种透射波前相位径向一阶导数的测量方法和装置。所述的方法是：利用圆光栅径向剪切干涉仪，并结合空间滤波方法，分别获取无相位物体扰动的参考莫尔条纹图像和经过相位物体后的透射波前产生的测量莫尔条纹图像；对莫尔条纹图像进行坐标变换、傅里叶变换提取相位和坐标反变换，定量提取出透射波前的相位径向一阶导数。所述装置包括圆光栅径向剪切干涉仪、半圆环形的空间滤波器和二维图像探测器，所述圆光栅径向剪切干涉仪包括两个参数不同的同心圆光栅，两个光栅圆心都在光轴上，且光栅平面之间的距离为偶数Talbot距离。本发明具有瞬时测量、精度高、相位信息提取简单的优点。

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种透射波前相位径向一阶导数的检测方法和装置。

背景技术

相位物体是一种广泛存在于光学检测中的测试对象，例如各种光学材料、光学成像器件、温度和密度变化的流场等。该类物体为折射率不均匀的透明介质，其吸收和散射效应均可忽略，仅影响探测光波的波前相位变化。透射式光学层析技术是一种广泛应用于相位物体三维成像与定量检测的方法。它利用各种光学测量方法测量多个方向上平行光束经过相位物体后的透射波前的相位变化，并结合计算机层析(Computed Tomography，CT)理论重建折射率的三维分布。

根据所选用的测量方法的不同，透射式光学层析技术包括纹影层析、干涉层析和莫尔层析等。其中，干涉层析利用干涉方法测量透射波前的相位分布，干涉图反映了探测方向上待测物体折射率变化引入的累积相位差，具有极高的分辨率和灵敏度。然而，当折射率分布起伏较大，则容易产生干涉条纹断裂等情况，往往难以获得清晰的干涉条纹。并且光路复杂、抗震动能力差、对环境的稳定性要求高等缺点限制了应用范围。莫尔层析技术将折射率的扰动转变为探测光线的偏折角变化，最终获得探测方向上光线的微小偏折角累加，反映了折射率函数沿光线方向的一阶导数积分。其测量光路简单、机械稳定性要求低、具有更好的抗震性能等优点对于动态变化范围较大的相位物体的测量更具优势。

要重建三维折射率分布，根据三维计算层析理论中的滤波反投影算法的要求，必须首先测量出透射波前相位的二阶径向导数或者间接测量其一阶径向导数。基于圆光栅莫尔效应的莫尔偏折仪、径向剪切干涉仪可以用来测量透射波前相位的一阶径向导数，但是该测量装置中使用两个参数完全相同的圆光栅，测量中，所形成的莫尔条纹为辐射状分布，存在的问题是：在图像中心存在一个相位奇点且图像没有固定的载频成分，因此傅里叶变换后的0级、+1和-1级频谱不能完全分离，不能利用频域变换方法进行相位提取，导致测量精度低，适用性受限。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于透射波前相位径向一阶导数测量的装置和方法，解决现有技术存在的相位信息提取困难、精度低和适用性受限的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种透射波前相位径向一阶导数测量方法，包括下述步骤：

步骤一、利用包含两个不同圆光栅的径向剪切干涉仪，并结合空间滤波方法，分别获取无相位物体扰动的参考莫尔条纹图像和经过相位物体后的透射波前产生的测量莫尔条纹图像；

步骤二、对莫尔条纹图像进行坐标变换、傅里叶变换提取相位和坐标反变换，定量提取出透射波前的相位径向一阶导数。

上述步骤二具体包括以下步骤：

(1)分别处理参考莫尔条纹图像和测量莫尔条纹图像，提取出相位主值；

S1：确定莫尔条纹的中心位置，以该中心位置为原点，将直角坐标系(x,y)中的条纹图像转换到极坐标系中；

S2：对极坐标系中的莫尔条纹在r方向上进行一维傅里叶变换，得到傅里叶变换频谱图；

S3：保留傅里叶变换频谱图中的+1级频谱并进行傅里叶逆变换，计算出包裹相位主值；

S4：进行相位解包裹，提取出莫尔条纹中包含的总相位。