图像模拟在白炽灯气体折射率全息CT测量中的应用

　　1　引　言

　　单次曝光法对透明物体折射率变化的实时全息测量过程中,当被测量物体具有轴对称特性时,只要在一个方向记录干涉图,便能通过CT层析技术重建物体内部的三维折射率分布[1]。基于对全息理论及实验的研究,采用了一系列的新方法[2],诸如:测量和控制相位调制度的方法,同时获得高反衬度条纹和高亮度检测光场的方法以及在参考光方向探测干涉图像的方法等,获得了便于测量使用的高质量干涉图,为实现光学检测提供了方便。随着计算机及CCD探测技术的进步,利用CCD探测干涉图像并录入计算机,利用数字图像处理直接实现测量的技术正在积极研究[3],但无论采用什么手段记录干涉图像,干涉图的正确分析与相位识别仍然是完成测量的关键技术。本文以白炽灯加热过程中单次曝光法实时全息CT测量为例,选择合适的函数模拟灯泡内气体的折射率分布,利用计算机图像处理技术模拟研究实时全息干涉图像,并根据模拟研究结果,对实际测量的干涉图像进行处理,最后,利用CT层析理论给出灯泡内气体折射率三维分布测量的实例。

　　2　基本原理

　　在光学干涉测量技术中,被测量对象的物理信息通常包含于从测量对象反射或折射的物光相位变化之中。来自测量对象的物光与参考光进行干涉后,首先通过干涉图像的灰度测量获取物光波场的相位变化,然后求出引起相位变化的物理量,是完成干涉测试的基本步骤。然而,分析两束光干涉的强度图像可知,当干涉图像上观察点相位差为2nπ±δ(n=0,±1,±2,…)时,观察点将具有同样的干涉强度。由于许多物理量沿相反的方向变化时将引起物光相位沿相反的方向变化。例如,当光波通过气体介质时,气体密度的增加将使来自气体的物光波前比密度增加前滞后,反之则比密度减小前超前,当用来自气体的物光与参考光进行干涉时,单纯从干涉图的强度测量很难判断气体的密度是增加还是减小。因此,如何正确地判读干涉图像提供的信息,准确判断物光相位变化的符号,是实现准确测量需要解决的重要问题。

　　理论及实验研究表明,根据实际测量的物理内容,建立相应的数字模型,利用计算机模拟或仿真技术建立干涉图像,将能为物光相位变化的符号判断提供重要依据。

　　3　白炽灯点燃过程的模拟研究

　　图1是对白炽灯逐步点燃过程中灯泡及灯泡周围气体折射率作实时全息检测时获得的一组干涉图像。分析白炽灯点燃过程可知,由于气体被密封在玻璃外壳内,白炽灯内气体被灯丝加热后,在灯丝上方的气体密度总体应低于通电前灯泡内气体的密度,灯丝下方的密度则高于通电前灯泡内气体的密度。