数字全息技术在温度场检测中的应用

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1、数字全息技术在温度场检测中的应用王广俊李艳苏清磊张奇峰(1．北京工业大学，北京100022；2．河南省计量科学研究院，郑州450008)摘要采用一种简单的无透镜傅里叶变换数字全息测量方法，实现了金属加热板附近区域的温度场测量。论述了测量原理，建立了实验装置，测量得到了金属加热板附近区域温度场一维分布，此结果与热电偶实际测量得到的温度误差在[一3．05K，0．47K]之内。关键词无透镜傅里叶变换；数字全息；温度场测量；稳定层流1)OI：10．3969／j．issn．1000—0771．2010．05．0050引言布可由下式表示。J，O温度参数是工农业生产中较为普遍又相当重。。要

2、的参数。在温度测量中，温度分布在科学工程的厂许多分支里都给予了特别的关注。随着现代科技一的发展，新的温度测量方法不断涌现，其中光学法测量温度的技术就以它的优势正成为热物理测试领域的研究热点。光学法温度测量技术是利用测一量的温度场引起光学性质变化来测量温度的。相物平面全息图平面重建像平面比于其它测量方法，光学测温技术有如下特点：1)图1数字离轴无透镜傅里叶变换记录及非接触测量；2)不影响待测温度场；3)实时测量，没重建的光路示意图有滞后；4)可以记录瞬间温度场；5)信息量丰富，时空精度高，可以测量三维温度场。，(，YH)=R(Ⅳ，YⅣ)R(Ⅳ，yⅣ)+0(H，Y)1970年，A

3、．E．Zinner首次用全息干涉法测量了0(Ⅳ，Y)+R(H，YⅣ)D(H，YH)温度场，截止到目前有一批光学技术，如全息干涉+R(Ⅳ，Y)0(Ⅳ，，，H)(1)法、错位散斑干涉法、talbot干涉法、移相位干涉法、错位干涉法和数字全息法等用来测量温度的波动式中，R(，Y)，0(，Y)分别为参考光波和物和温场轮廓，其中应用数字全息技术测量温度场是光波在全息平面上幅值分布函数，“”代表参考近年来研究的全新的热点课题。本文探讨一种简光波或物光波的共轭函数；第3项和第4项代表单的无透镜傅里叶变换数字全息测量方法，实现了干涉项，，(，Y)代表的是干涉强度，它通过分金属加热板附近区域的

4、温度场测量。辨率为N×N个像素的CCD取样后，式(1)可表示为：1基本理论I(r~xH，s△H)=lR(r,SxH，s△日)I+l(rzXx日，sayH)I+1．1离轴无透镜傅里叶变换数字全息R(rH，s日)0(r缸Ⅳ，sAy日)+如图1是数字离轴无透镜傅里叶变换全息记录R(rⅣ，sayⅣ)0(rH，sayⅣ)(2)及重建的光路示意图：。一Y。、一Yu和一Y分别为物平面、全息图平面和重建像平面，z轴分别通过式中，，△)，分别为沿和Y方向上的取样长度，几个平面的中心，点光源位于物平面上，那么在全r，S分别为沿和Y方向上的取样长度数。根据傅息图平面上物光波和参考光波干涉图样的强度

5、分里叶变换重建算法，重建像函数可由下式表示：·l6·O(X(y)=()(8)．1,Y1)=exp[-㈤2+)]×F{，(日，YH)R(xH，ly日)×式中，是激光源的波长；y是沿着加热板垂直方向L的距离。由此，待测区域的温度分布与位相分布的(3)关系为：式中，d为全息平面到像平面的距离；为波长；k为)：(9)波矢；F为二维傅里叶变换。在通常情况下用于重建的参考光波和记录全息图的参考光波相同，可以从上述分析我们可以得出结论，利用数字全息由下式表示：技术得到的相位分布就可以利用式(9)得到待测区域的温度，由于数字全息技术不能够从相位解包裹(Y)=Cexp[(2+y2)】(4)算法

6、里面得到实际相位的，只能得到相对相位值，由于实际连续相位分布(Y)与相对相位值(Y)将式(4)代人式(3)，可以得到像的复函数离散满足如下关系：分布如下：0(m，)=Cexp(ikd)／(i,,k／)X(y)=(Y)+c(c为一常数)唧[一(+惫)]×因此，式(9)可以写为：F{，(rAx，sAy)}(5)T(Y)：-(10)P一u由上式可以得出像的强度分布和位相分布其中，0=2nLKup／(R2)，b=2nL／2一C。如下：我们可以通过在已知两点的温度分布和对应，(m，)=J0(m，凡)l=[ReO(m，凡)]+[1mO(m，凡)]的数字全息相位值得到a，b值，然后通过上述

7、关系=arctan崭㈤式和相位值计算出其它点的温度分布，那么整个温度场的分布就可以建立起来。Im、Re分别代表复函数0(m，n)的虚部和实部。2实验1．2温度测量方法数字全息实验装置如图2所示，在此实验中，在温度场光学法测量领域，温度分布的计算往CCD的像素数为4016×2672，每个像素的尺寸为往是根据温度场引起光学折射率的变化来测量的。91xmX91xm，在记录和重建过程中采用的波长均为首先，根据Gladstone—Dale公式和理想气体状态方632．8nm波长，CCD平面与点源参考平面之间的距程得