基于显微数字全息的fpa热形变观测本科学位论文Word文档格式.docx
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指导教师：
钱晓凡
FPAthermaldeformationobservationbasedondigitalmicroholography
University:
KunmingUniversityofscienceandtechnology
Department:
FacultyofScience
Major:
ElectronicsScienceandTechnology
Author:
TaoTao
Tutor:
QianXiaofan
摘要
FPA是一种新的红外探头推测装置，在红外光的照射下会产生热形变效应，对于它的热形变观测是一个微观过程，而显微数字全息测量技术是用于检测显微样本微观结构的重要手段，它具有高灵敏度、非接触、动态性好等特点。
与用传统光学手段对FPA各像素单元进行热形变定量检测的方法相比，数字全息对FPA热形变的观测改善了成像质量，降低了对制作工艺苛刻的要求。
借助数字全息技术，测量热形变效应随温度的变化关系，将CCD采集到的FPA的全息图在MATLAB中进行全息再现，并得到热形变特性曲线。
关键词：
显微数字全息、干涉计量、FPA、热形变
Abstract
FPAisakindofinfraredprobenewinferencedevice,intheinfraredlightirradiationwillproducethermaldeformationeffect,thethermaldeformationwhichisamicroprocess,butindigitalholographicmicroscopymeasurementtechnologyisaimportantmeansfordetectingmicrosamplemicroscopicstructure,ithasthecharacteristicsofhighsensitivity,non-contact,gooddynamicsetc..ComparedwiththemethodofquantitativedetectionofthermaldeformationofFPAeachpixelunitwithtraditionalopticalmethods,observationofdigitalholographyFPAthermaldeformationimproveimagequality,reducetheproductionprocessdemanding.Withthehelpofdigitalholography,measurementofthermaldeformationtemperaturedependence,thereconstructedhologramiscollectedbyCCDFPAinMATLAB,andthermaldeformationcharacteristiccurve.
Keywords：
DigitalHolographicMicroscopy,Interferometry，FPA,Thermaldeformation
前言
数字全息显微术是把数字全息和全息显微相结合,用CCD代替传统的全息干板实现全息显微过程。
数字全息显微术与传统的显微术相比能够记录和再现物体的三维信息、具有较高的分辨率、对样本的影响较小、设备简单等优点。
因此它广泛应用于生物细胞观测、微观粒子成像和跟踪、聚合物粒子生长检测、微电路的检测等多个领域。
红外技术的应用很广，下面简单介绍一下红外技术在军事、冶金、铁路、煤矿和消防领域的应用。
随着红外技术的日趋成熟，实用化的红外器件将会越来越多的应用到生活和生产的方方面面，像动物医疗、城市安全、食品封装等等，应用范围之广也不是一下子就能罗列出来的。
红外系统的核心部分是FPA。
本文就是从数字全息显微测量技术的基础上出发，对FPA的热性变进行定量观测，获取FPA热形变时产生的形变量。
目录
摘要I
AbstractⅡ
前言.................................................................Ⅲ
第一章绪论4
2.1全息术的基本思想6
2.1.1波前记录7
2.1.2波前再现8
2.2数字全息显微的基本原理9
2.2.1数字全息显微的测量原理9
2.2.2被测量物体横向尺寸和横向分辨率11
2.2.3数字全息的轴向分辨率和轴向景深12
2.2.4数字全息测量的系统误差14
2.3数字全息显微测量技术的应用14
2.3.1数字全息显微技术的典型应用15
第三章全息干涉计量17
3.1全息干涉计量技术的基本原理17
3.2实时全息干涉法17
3.2.1实时全息干涉法的原理18
3.3二次爆光全息干涉法20
3.3.1二次爆光全息干涉法的基本原理20
3.4时间平均全息干涉法22
第四章光学读出非制冷红外成像系统简介25
4.1FPA的结构概述25
4.1.1FPA材料的选择26
4.1.2FPA的热学性能28
4.1.3焦平面阵列（FPA）像素结构29
4.1.4形变梁单元30
4.2FPA的工作原理30
4.3传统全息术读出焦平面列阵所存在的问题31
第五章利用数字显微全息术对FPA的热形变观测32
5.1数字显微全息术在FPA热形变观测中的优势32
5.2显微全息测量FPA热形变的原理32
5.3实验材料选择33
5.4实验光路图34
5.5记录过程中的注意事项35
5.6FPA全息图36
5.7MATLAB程序实现37
5.8实验结果38
5.9实验总结...................................................42
第六章总结43
参考文献47
致谢45
外文翻译47
第一章绪论
近年来，随着高分辨率的CCD、高速计算机及先进数字像处理技术的发展使得对全息图的高速及高分辨率数字化处理成为可能，数字全息术快速发展，其主要研究领域已深入许多方面：
数字全息术在形貌测量、形变分析和材料特性参数测定方面的应用、数字全息显微镜、相移数字全息术、数字全息加密技术、粒子流分析、随着图像采集系统的进一步发展，数字全息的应用会进入更多的领域。
数字全息显微术是根据数字全息成像原理发展出的一种新的显微术。
自20世纪80年代以来，随着计算机和数字信号处理技术的发展，相关研究者们就开始探讨数字全息显微术在多个领域中的应用。
1987年Onural和Scott改善了数字全息术的重构算法，并应用到了微粒测量，是数字全息显微术的初步应用。
1992年美国的Haddad等人介绍了一种基于傅立叶全息图数值重构的全息显微镜。
瑞士的EtienneCuche在1999年提出了利用单张全息图同时数字重建显微物体的三维振幅和相位信息，获得了活体细胞的三维相位分布，并验证了其动态特性。
2006年，美国南弗罗里达大学的C．J．Mann和M．K．Kim，用数值孔径N．A=0．65的显微物镜对物体放大，得到的再现像的横向分辨率为0.5um，轴向分辨率为30nm，使用的再现算法为角谱算法，得到很好的血液细胞的三维像[1.2]。
国内对数字全息的研究起步比较晚，但近几年发展迅速。
在国内主要有中科院上海光机所、昆明理工大学、天津大学和西北工业大学等高校和研究所从事数字全息显微的研究。
其中上海光机所研究提高数字全息再现像分辨率的方法，以及滤波方法。
昆明理工大学主要研究的是同轴相移数字全息，也开始研究无透镜傅里叶变换显微全息术。
天津大学的研究主要包括数字全息一些基本问题的研究，如菲涅耳数字全息的记录条件，再现像的分离、影响数字全息再现像质量的因素，像面数字全息，以及粒子场测量。
红外夜视器材有着广泛的军事和民用背景，近年来发展很快在原有的量子型和非制冷热型红外成像系统的基础上，研究人员又提出了应用光力学原理的基于MEMS微悬臂梁阵列结构的非制冷型红外焦平面成像系统该系统采用MEMS制造工艺及非接触光学测量其中由微悬臂梁阵列结构组成的红外焦平面成像阵列FPA（FocalPlateArray）的制作是该系统的核心技术FPA由一系列成像单元组成面阵列每一个像元是由一个方形（或长方形）微镜面和一条或两条固支微悬臂梁组成包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数差别很大的材料组成，例如SiNx/Al，SiNx/Au组合当成像单元受到红外辐射照射时入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升从而引起梁的变形导致像元的转角发生变化温升不同每个像元的转角变化也不同光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布，最终以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。
FPA是该系统的核心部分，其结构设计及物理特性直接影响系统的成像性能。
本论文从数字显微全息技术的基础出发，掌握FPA的结构原理理论知识，通过拍摄FPA的全息图，对FPA在激光照射受热情况下的热形变进行观测，以更好的了解FPA的性能，探究FPA提高性能的方法，为今后此类红外系统性能的提高做出探讨。
第二章数字全息的基本理论及应用
数字全息术是由J.W.Goodman和R.W.Lawrence在1967年提出的，其基本原理是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图[1]，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。
数字全息术省去了传统光学全息中必须的曝光、显影、漂白等物理化学处理，其再现过程脱离对原光路的依附，使再现过程简化，再现周期大大缩短，从而可以实现测量过程的实时化和现场化。
由于引入了计算机技术和数字图像处理技术，因而可以很方便的运用各种算法和数字图像处理技术，消除畸变、噪声以及记录介质感光特性曲线的非线性等因素带来的不利影响，提高全息图的质量，并且数字重建的再现像可以直接在计算机上观察。
2.1全息术的基本思想
物体通过成像系统所成的想中包含着物体的信息，这种信息存在于物像之间光波经过的任一平面上。
正是光波承载者物体信息经过这些平面而向像面传递，因而在该平面把携带信息的光波波前记录下来，将可以在另一时间和场所，采用适当的方法报勃起是你再现出来，使之继续传播，以产生一个可以观察的像。
光波传递信息，构成物体的像这一过程被分为两步：
波前记录与波前再现，这正是全息术的基本思想。
2.1.1波前记录
图2-1全息图的记录
设全息记录面上物光波和参考光分别为：
（2.1）
（2.2）
上式中o（x,y）和r（x,y）分别表示物波和参考光波的振幅分布，
和
分别表示物波和参考波的相位分布，它们都是实函数。
记录介质处的总光场为
（2.3）
被记录的光强分布为：
=
=
（2.4）
全息图实际上就是一副干涉图。
参考光波一般都选用比较简单的平面波或者球面波，因而|R（x,y）|是常数或近似常数。
|O（x,y）|是物光波在底面上造成的强度分布，在实验中它比参考光波弱。
公式2-4中的第三项是干涉项，它包含了物光波的振幅和相位的信息。
全息干板把曝光时的入射光线性地变为显影后负片的振幅透过率。
如果全息干板具有足够高的分辨率，则全息干板能记录全部入射的空间结构。
干板的透过率函数可以表示为：
（2.5）
其中，t0和β都是常数，公式（2.4）代入（2.5）,则
（2.6）
式中，tb=t0+β|R|2,表示均匀偏置透过率。
2.1.2波前再现
当参考光波照射全息图时，假定相干光在全息图上的复振幅分布为C（x，y），则透过全息图的透射光场为：
（2.7）
看作照明光波的直接透射波，O为物光波，O*为物光波的共轭波，把
它们前面的系数看为一种波前变换。
在实验中可以适当调节照明亮度，使|O|2与R2相比较弱而减少这些杂光的影响[1.2]。
总之，U1和U2基本上保持了照明光波的特因此这两项称为全息图衍射场中的零级波。
当照明光波与参考光波完全相同时，即C（x，y）=R（x，y），则
（2.8）
|R|2是参考光强度，并且β也为常数。
所以U3为原来物光波波前的准确再现，与波前记录时原始物体发出的光波的作用完全相同。
U3这一项称为全息图衍射场中的+l级波。
当照明光波与参考光波完全相同时，对于透射光波中的第四项：
（2.9）
O*是物光波前的共轭光波。
当用参考光的共轭光波照明全息图，即C（x,y）=R*（x,y），则U3和U4变为：
（2.10）
（2.11）
此时U3再现了物光波前，产生虚像，U4再现了物光波前的共轭波，产生原始物体的一个实像，虚像有变形，实像没有变形。
2.2数字全息显微的基本原理
数字全息的记录光路与传统的光学全息一样，只是用CCD镜头取代了全息干板作为记录介质。
数字全息显微术往往采用普通显微物镜对样本作预防大处理，放大后的实像再作为全息图记录的物[3]。
2.2.1数字全息显微的测量原理
图2-2数字显微全息图
图2-2是数字全息显微的原理图。
图中（x0,y0）是物平面，（p,q）是显微物镜所在平面，（x,y）是CCD纪录片面。
Z0和z是所测物体到显微物镜和显微物镜到像面的距离，满足菲涅耳近似条件。
R（x,y）是参考光场[3]。
设从物平面发出的物光波为U0（x0,y0）=A（x0,y0）exp[jφ（x0,y0）],则物镜前表面上的光场可表示为:
（2.12）
由于透镜（焦距为f）的相位变换特性，物镜表面上的光场分布为:
（2.13）
则经过衍射后再CCD面上的光场为:
（2.14）若让经显微镜放大后的实像成在CCD记录面上，即为满足物像共轭关系：
，则（2.14）可化简为：
（2.15）
在CCD记录面上可得到放大倍数M=-z/z0的像。
分析式（2.15）可知,透镜在满足物像共轭情况下,像面上得到原物体放大后的实像,与几何光学的成像结果一致。
除了坐标缩放及新叠加上的两个相位,像面上的光场与物面上的光场分布一致在新叠加上的相位中,第一项常量项可以不予考虑;
真正影响物光场的是第二项,它是由物镜焦点上发出的球面波的相位,在对实际物光场相位的测量中,需把这个球面波相位从总相位中扣除。
如采用平行光为参考光,受这个球面波相位影响,全息图中的干涉条纹间距会很小。
为减小CCD分辨受限对实验的影响,这里采用同轴的球面波作为参考光波。
图2-3数字全息显微光路图
2.2.2被测量物体横向尺寸和横向分辨率
普通全息的分辨率一般是由全息干板的尺寸决定，被测量物体的尺寸大小形状只受到光源相干长度的限制。
虽然数字全息和普通全息在原理上是一致的，但在记录介质和再现方式上却有质的不同，数字全息以CCD作为记录元件，CCD的靶面的信息的记录密度和传统的银盐干板相比要低的多,所以用CCD记录的数字全息图不能简单的沿用原有的解析形式[5],必须用如下离散形式来表达:
（2.16）
在式（2.16）中:
I（x,y）为CCD靶而处的光强;
a,b,Lx,Ly几分别表示CCD靶面单个像素的长和宽及CCD靶而的总长和总宽;
式中卷积表示每个像素的亮度为像素而积上的平均;
梳状函数表示空间离散抽样;
第二个矩形函数表示CCD靶面的有效面积。
全息可以看成一个特殊的物像比为1的成像系统，那么全息图的再现实像就是全息图。
在原被记录物体的位置的上夫琅和费衍射，即一个以原物体为中心的全息图的傅里叶变换。
上式的傅里叶变换为：
（2.17）
由于数字全息的再现公式中用的是快速傅里叶变换，相位角的取值范围为[-π,π],式中的梳状函数的卷积不起作用,上式可以简化为:
（2.18）
所以再现像的最大宽度受sinc函数的限制,再现像在案x方向的最大宽度为x0=λd/ɑ,在y方向的最大宽度为y0=λd/b。
由于在实际在全息再现像中同时存在三个像（共轭像、零级光和真实像）物体在x方向的最大宽度只是上述值的四分之一[16]。
所以数字全息中被测量物体的宽度受到CCD靶面单个像素宽度的限制。
在物体到CCD距离一定的前提下，像素宽度越大能记录的物体横向尺寸越小。
由上式可以看出，被测量物体的横向分辨率受到sinc函数卷积的限制。
其能分辨的横向最小尺寸为sinc函数宽度的一半，Δx=Lxλ/d。
2.2.3数字全息的轴向分辨率和轴向景深
数字全息的测量原理和普通全息完全相同，一个物体o按照图2-4的光路记下离轴全息图后，按照图2-5的光路图可以再现出物体的共轭像。
共轭像的位置和被测量物体的位置以全息图为轴对称分布。
所以全息记录和再现过程可以看作是一个特殊的物像比为1的成像过程[5]。
图2-4数字全息记录光路图
图2-5数字全息再现光路图
由于数字全息再现时，只能再现被记录物体上和光轴垂直的平面上的光的复振幅分布，当数字全息的再现平面和物体的像的实际位置之间的距离超过一定数值时dmax,便难以得到物体的像,所以数字全息用于微观物体的形貌测量时,物体在纵深上的分布也不能超过此值的限制,超过此值以外的部分不会被成像,此最大值实际就是数字全息的景深!
光轴上理想物点的像在光轴方向上的光强分布是一个sinc函数。
所以最大景深就是此sinc函数的宽度，数字全息的轴向分辨率是此宽度的倒数。
所以，数字全息的景深为：
（2.19）
分辨率为：
（2.20）
所以，普通全息的景深一般只受到光源相干长度的限制，数字全息的景深却首先受到CCD靶面尺寸和物体到CCD靶面的距离的限制,这是二者的区别。
2.2.4数字全息测量的系统误差
数字全息理论上将只能准确记录和再现平面物体，用数字全息来进行形貌测量实际是以再现所得到的平面像的位相来代替物体的形貌分布，这是一种原理上的近似，由此近似所带来的误差就是数字全息测量时的系统误差。
不在再现平面上的物点所发出的光传播到再现平面上时，不仅亮度发生变化，同时位相也将发生变化，用再现像所得到的物体形貌分部，不仅包括真实分布还包括由于离焦所带来的误差，此误差的大小为：
（2.21）
系统误差的大小和CCD靶面的尺寸的平方成正比,和物体到CCD的距离成反比,和所用的波长成反比.
2.3数字全息显微测量技术的应用
数字全息显微技术的特点在于：
（1）可实现单幅再现，适合动态测量。
（2）可实现全场测量，不需要任何扫描装置。
（3）可实现反射式或透射式物体测量。
（4）可实现活体样本的测量，无需作硬化处理。
（5）全息图采集位置要求不严格．测量状态容易调整。
（6）横向分辨率相对较低，但已可满足工业生产和科研的很多测量要求。
2.3.1数字全息显微技术的典型应用
1、机械元件的测量
利用数字显微全息技术可测量微机械器件的位移、形状或各类变形（如温度变形、力变形、静电变形）等，完成显微结构和设备特性的精确度测量，以便能控制或提供在装配过程中结构的定量信息。
图2-5为意大利的GCopplla等人用数字全息显微测量技术获得的微型悬梁臂、桥臂和隔膜的离面变形的相位分布分析结果[6]。
图2-5离面变形测量
2、空间微粒的位置和核径迹的探测
经验证，数字全息技术能瞬态测量三维空间中高分辨率的微粒。
日本京都理工大学机械与系统工程系利用同轴数字全息系统获得了空间微粒光强度的三维显示图，实现了微粒的位置测量，微粒大小为0.16mm左右。
古巴东方大学自然科学系及其合作小组获得了固体核径迹的测量结果，每个蚀坑直径为几百个纳米。
3、生物细胞等纯位相样本的形貌测量及动态观测
在话细胞内生物单分子的研究手段的基本要求和基本特点是实时、快速、高灵敏度、高时空分辨率以及无损或微创检测[6]。
瑞士联邦理工大学应用光学系的研究者Eti-enneCuche和PierreMarquet利用数字全息显微技术获取了在培养皿中活体细胞的纯位相对比图，并公开发表了这方面的研究成果。
图2-6为培养皿中活老鼠皮质神经元的三维分布图，
图2-6活老鼠皮质神经元三维位相分布
第三章全息干涉计量
全息干涉计量（HolographicInterferometry是利用全息照相的方法来进行干涉计量，是一种高精度、无损、全场的检测方法，与一般光学干涉检测相比，灵敏度和精度也基本相同，只是获得相干光的方式不同。
一般光学干涉检测方法获得相干光的方式主要有分振幅法和分波前法。
分振幅法是将同一束光的振幅分为两个部分，或多个部分。
如迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪；
分波前法是将一束光的同一波前为两个部分，或多个部分。
如双缝干涉、多缝干涉、费涅尔双反射镜、费涅尔双棱镜等。
全息干涉计量术则是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，可以看作是一种波前的时间分割法[7]。
其主要特点是：
相干光束由同一光学系统所产生，因而可以消除系统误差。
3.1全息干涉计量技术的基本原理
全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，再利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。
全息干涉计量术是全系应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。
目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法（单次曝光法）、二次爆光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法。
3.2实时全息干涉法
实时全息干涉法又称为一次曝光干涉法。
它同光学干涉原理是一样的。
用一般全息术记录一张物体未经形变时的全息图。
再将该全息图精确地放在原记录位置上。
由原参考光做照明光，让它在原物位置产生再现像。
被研究的物体在原来位置作微小形变，同时也用激光照明[7]。
全息图颜射的原始物波和物
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