CN107688284B - 一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***及方法。***包括光源扩束准直***、反射镜***、再现采集***和调节光轴的辅助***；光源扩束准直***包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；反射镜***包括全反射镜一和全反射镜二；再现采集***包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；调节光轴的辅助***包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；本发明实现了粒子场同轴和离轴全息再现***共用大部分光路的目的，提高了适应性。

Description

一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***及方法

技术领域

本发明涉及粒子场脉冲激光全息测量领域，具体涉及一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***及方法。

背景技术

粒子场脉冲激光全息测量(简称“粒子场全息测量”)是利用脉冲激光全息成像方法对某种机制产生的大量微小粒子(例如，雾化水滴、油滴、爆轰颗粒、微小浮游生物和粉尘等)的空间分布、粒径以及速度等参数进行定量化测量的一项技术，它是目前激光全息的一大应用领域。

粒子场全息测量的记录方式包含同轴和离轴两种，具体光路如图1和图2所示。同轴记录使用扩束准直后的激光束照射粒子场，粒子的衍射光作为物光，未被衍射的直通光作为参考光，物光和参考光同时经过4F光学成像***，照射到全息干板上。整个记录光路只有一条光轴，比较简单，适用于测量数密度较低的粒子场。如果粒子场的数密度较大，直通光大量减少，需要采用离轴方式进行记录。离轴记录方式中，首先将激光光束分成两束，分别进行扩束准直，其中一束照射粒子场，粒子的衍射光经过4F光学成像***，作为物光照射到全息干板上，另一束作为参考光经全反射镜反射后照射到全息干板上。物光与参考光的夹角一般在30°左右，两者的光强比在1:2～1:4范围内。同时，物光与参考光的光程差小于激光光源的相干长度。

由于粒子场中粒子直径在微米量级，对应的夫琅和费远场距很小(毫米～厘米量级)。同时，形成的粒子场特别是高速运动的粒子场会对全息干板造成干扰或破坏，影响全息图记录。若要克服上述两个问题，同轴和离轴记录方式中均需使用4F光学成像***将粒子场成像到全息干板前表面之后的附近区域进行全息记录。另外，为了保证全息再现过程中粒子场的再现像不发生畸变，经过4F光学成像***的物光光轴要与全息干板垂直。

粒子场全息测量的一般再现光路：对全息干板进行再现时，为了得到无畸变的准确实像，再现光必须使用全息记录时参考光的共轭光照明全息干板，此时全息干板的乳胶面需要背向光源。粒子场全息测量分为同轴和离轴两种记录方式，再现光路也分为同轴和离轴两种。

一.同轴再现光路。图3是最常用的一种同轴全息再现光路。再现光源采用单模连续激光器，波长与全息记录时所用的脉冲激光器波长相同。扩束镜采用显微物镜，综合考虑准直镜的口径及焦距来确定扩束镜的放大倍率。准直镜采用消像差透镜，根据干板尺寸来确定其扩束口径。准直后的平行光作为再现光垂直入射到全息干板上，衍射场的光轴(即再现粒子场的光轴)与再现光的光轴重合。三维移动平台的三个轴组成整体且相互垂直，从上往下依次是y轴、x轴和z轴。成像物镜采用消像差的小景深透镜组，具有一定的放大倍率，图像采集相机采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机。再现采集时，再现粒子场位于成像物镜前工作面附近，采集相机的灵敏面与成像物镜的后工作面重合后，它们之间的间隔固定不变。控制三维移动平台，移动全息干板的位置，使再现粒子场以“逐层分幅”方式成像到采集相机的灵敏面上，从而实现对再现粒子场的采集。

布置同轴再现光路时，先利用细激光束从后向前逐一校准各个光学元件的光轴。由于再现光必须垂直于全息干板，所以要求移动平台的z轴在移动过程中要始终平行于再现光的光轴，因此，在光路布放时需要对三维移动平台进行反复地调校。

二.离轴再现光路。图4是一种常用的离轴全息再现光路，各光学元件的要求与同轴再现光路相同。再现采集时，再现光沿全息记录时参考光的共轭方向入射到全息干板上，衍射场的光轴与再现光的光轴所夹锐角即全息记录时物光和参考光的夹角。

对再现粒子场进行采集时，需要用到“分层分幅”的采集方式，见文献3[罗振雄，粒子场全息图的再现和图像处理技术研究[D]，绵阳:中国工程物理研究院，2005:20-34]。全息干板在三维移动平台控制下，按图5所示顺序移动，使采集相机对再现的三维粒子场沿垂直于衍射场光轴的每个层面上进行分幅采集，沿衍射场光轴方向进行分层切片采集。分幅采集时，相邻两幅图像之间有一定的重叠区域，用于图像拼接，拼接后形成一个层面的整幅图像；分层切片采集时，需要根据粒子尺寸设置一定的分层采集间隔，从而实现对同一纵列不同层面切片图像的处理和对比，完成再现粒子像在焦定位的目的。

由上述描述可知，现有的粒子场一般再现光路存在以下问题：

1.同轴再现和离轴再现时无法共用光路。从图3和图4的光路结构可以看出，同轴再现和离轴再现时，衍射场的光轴方向不同。因此，无法在一条光路上同时实现同轴再现和离轴再现。对于经常进行不同全息记录方式(同轴记录或者离轴记录)的实验室而言，再现时需要同时布置同轴和离轴两条再现光路，或者只用一套光学元件反复搭建这两种再现光路，这样不仅会提高实验成本，也会浪费科研人员的时间和精力。

2.离轴再现光路存在衍射场平移问题。如图6所示，当全息干板沿衍射光轴方向移动以得到该方向上不同再现层面的粒子图像时，由于再现光束入射到全息干板上的位置发生变化，文献1[赖天树，微粒场全息术理论、应用及微粒全息图的自动分析[D]，西安:西安交通大学，1990:96]，使得再现区域改变，并且衍射光场相对成像物镜发生横向平移，导致同一个粒子在不同层面的再现像的横向坐标发生改变，无法对粒子进行有效识别、定位和取舍，从而对测量结果产生较大影响。文献2[陈汉勇、马东，微粒场全息图全场的层析处理[J]，光子学报，1997，26(5):439-443]中提到用软件控制移动平台进行横向反向补偿移动，抵消衍射场的横向平移。但这种方法较为复杂，且当全息记录中物光与参光夹角不同时，衍射场的衍射角度不同，反向补偿的移动量也不同，实际应用中并不方便。

3.原有离轴再现光路布置困难。原有再现光路结构的实质是采集相机和成像物镜不动，再现粒子场整体移动。光路布置看似简单，实际上操作难度很大：

a)摆放采集相机与成像物镜时存在困难。为了使采集相机与成像物镜的光轴重合，需要将两者放置于同一根导轨上，并确定好两者间隔，再利用激光器的细光束校准它们的光轴。随后，在调节成像物镜的光轴与衍射场光轴重合的过程中，可以直接偏转导轨，使这两个器件同时偏转，并利用衍射光通过成像物镜时的光点是否共线来校准两者的偏转角度。由于采集相机、成像物镜、导轨以及相应的调节支架重量大，移动它们并精确地控制偏转角度难度较大，从而导致调节衍射场光轴与成像物镜光轴重合时存在较大困难。

b)调节三维移动平台z轴与衍射场光轴平行时存在困难。由于三维移动平台质量大，将其z轴精确地转到与衍射场光轴平行的状态难度较大。同时，三维移动平台转动一定角度后，其上的固定沉孔一般与光学平台的螺纹孔不能对准，从而较难实现三维移动平台的稳定固定。

c)全息干板沿衍射场光轴移动时造成衍射场相对成像物镜发生横向平移，给三维移动平台、全息干板及成像物镜初始位置的确定带来困难。这时，必须综合考虑三维移动平台在三个方向上的行程、衍射场的横向平移量、成像物镜有效工作距离等诸多因素，十分不利于操作。

d)无法进行物光和参考光在垂直方向上的角度校正。全息记录过程中，入射到全息干板上的物光和参考光在垂直于光学台面方向可能存在一个较小的夹角，如图7所示。当出现这种情况时，再现光的光轴与衍射场的光轴也会存在同样的夹角。由于这种再现光路结构中再现光的光轴是确定的，无法对这一夹角进行校正，由此产生的误差也无法避免。

e)原有离轴再现光路适应性不佳。原有再现光路结构只适用于物光和参考光夹角一定的情况，如果不同实验中物光和参考光的夹角发生了改变，则整个再现光路都需要重新调整。

发明内容

本发明提出了一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***及方法，克服了目前同轴及离轴粒子场全息再现***在应用中的缺陷，实现了粒子场同轴和离轴全息再现***共用大部分光路的目的，提高了适应性。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***，包括光源扩束准直***、反射镜***、再现采集***和调节光轴的辅助***；所述光源扩束准直***包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；所述反射镜***包括全反射镜一和全反射镜二，所述全反射镜一沿光路设置在准直镜的后方，所述全反射镜二设置在全反射镜一的侧面；全反射镜一和全反射镜二均安装在调节支架上；所述再现采集***包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；支架一用于夹持全息干板，两个支架二分别用于支撑成像物镜和采集相机，支架一设置在移动平台x轴y轴组合体上；两个支架二设置在移动平台z轴上；所述调节光轴的辅助***包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；所述氦氖激光器和光阑沿光路依次设置在全反射镜一后方；所述全息干板、十字圆圈半靶、成像物镜、十字圆圈全靶、采集相机沿光路依次设置在光阑后方；十字圆圈半靶和十字圆圈全靶均设置在具有复位功能的支架三上；所述移动平台控制器分别与移动平台x轴y轴组合体、移动平台z轴连接，所述控制计算机分别与采集相机和移动平台控制器连接。

进一步地，所述再现光源为单模连续激光器。

进一步地，所述扩束镜采用显微物镜。

进一步地，所述准直镜采用消像差透镜。

进一步地，所述成像物镜采用消像差的小景深透镜组。

进一步地，所述采集相机采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机。

一种调节粒子场全息同轴再现光路的方法，包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体、支架一和支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的边线，然后将移动平台z轴基座固定，将两个支架二通过长支板安装在移动平台z轴的移动台面上，将采集相机安装在后端的支架二上，使采集相机的轴线与移动平台z轴基座保持平行；

3)调整单模连续激光器的位置，在移动平台z轴全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器；

4)在采集相机前安装十字圆圈全靶，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶的靶板中心；

5)将成像物镜安装在前端的支架二上，粗调成像物镜与采集相机的距离，同时保证成像物镜的光轴与细光束重合；

6)将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体中的y轴移动台面上，将全息干板夹持在支架一上，使细光束指向全息干板中间区域，调整支架一保证全息干板在x-y平面的整个行程范围内均与细光束垂直，同时控制移动平台x轴y轴组合体与移动平台z轴之间的距离，保证移动平台z轴的移动过程中，成像物镜的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座；

7)依次安装准直镜、滤波针孔与扩束镜，调节准直镜与扩束镜之间的相对位置和滤波针孔的位置，控制移动平台x轴y轴组合体，移开全息干板，扩束准直的平行光经过成像物镜后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶垂直，并与靶板上的圆圈同心；

8)取下十字圆圈全靶；

9)精确调节成像物镜与采集相机之间的距离，使成像物镜的后工作面与采集相机的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜与采集相机之间距离固定不变；

10)控制移动平台x轴y轴组合体，移动全息干板，使再现光照射到全息干板的中间区域。

此时，同轴再现光路已经调节完毕。

一种调节粒子场全息离轴再现光路的方法，包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体、支架一和支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的边线，然后将移动平台z轴基座固定，将两个支架二通过长支板安装在移动平台z轴的移动台面上，将采集相机安装在后端的支架二上，使采集相机的轴线与移动平台z轴基座保持平行；

3)调整单模连续激光器的位置，在移动平台z轴全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器；

4)在采集相机前安装十字圆圈全靶，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶的靶板中心；

5)将成像物镜安装在前端的支架二上，粗调成像物镜与采集相机的距离，同时保证成像物镜的光轴与细光束重合；

6)将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体中的y轴移动台面上，将全息干板夹持在支架一上，使细光束指向全息干板中间区域，调整支架一保证全息干板在x-y平面的整个行程范围内均与细光束垂直，同时控制移动平台x轴y轴组合体与移动平台z轴之间的距离，保证移动平台z轴的移动过程中，成像物镜的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座；

7)依次安装准直镜、滤波针孔与扩束镜，调节准直镜与扩束镜之间的相对位置和滤波针孔的位置，控制移动平台x轴y轴组合体，移开全息干板，扩束准直的平行光经过成像物镜后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶垂直，并与靶板上的圆圈同心；

8)取下十字圆圈全靶；

9)精确调节成像物镜与采集相机之间的距离，使成像物镜的后工作面与采集相机的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜与采集相机之间距离固定不变；

10)复位十字圆圈全靶，放置氦氖激光器，并调节氦氖激光器的位置、旋转和俯仰，使其发出的细光束通过成像物镜的光轴，再垂直入射到十字圆圈全靶的中心，使得成像物镜内部镜片反射回来的衍射环与氦氖激光器前的光阑同心，然后固定氦氖激光器；

11)成像物镜前安装十字圆圈半靶，使氦氖激光器发出的细光束垂直入射十字圆圈半靶的靶板并与靶心相切，十字圆圈半靶上边缘、成像物镜光轴和十字圆圈全靶靶心等高；

12)控制移动平台x轴y轴组合体，使两个轴移动到行程中间，在准直镜后安装全反射镜一和全反射镜二，调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架位置、旋转和俯仰，先粗略调节再现光束入射到全息干板上的角度，使该角度接近全息记录时参考光的入射角，然后精确调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架，使再现像的下半部分与十字圆圈半靶的圆圈同心，再现像的上半部分经过成像物镜成像后也与十字圆圈全靶的圆圈同心，通过多次反复调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架，最终再现像的光轴与成像物镜光轴达到重合；

13)取下十字圆圈半靶和全靶。

此时，离轴再现光路调节完毕。

本发明的优点为：

1.本发明同轴再现和离轴再现共用光路。同轴再现时，只需将两个全反镜取下即可，利用有限的光学台面和光学器件，可以同时实现同轴再现和离轴再现的目的，省时省力。

2.本发明移动平台的x轴y轴组合体控制全息干板仅在x-y平面内运动，沿衍射光轴无运动，消除了衍射场相对于成像物镜的横向平移问题。此外，通过再现粒子场在x-y平面内的横向运动达到采集相机对再现粒子场的“分幅”采集目的，能够克服因移动平台行程不足无法完全采集一整层再现图像的问题。

3.本发明将移动平台分成两个部分，减轻了每一部分的重量，降低了再现光路的调节难度，即在较长时间不使用再现光路的情况下，也很容易校正恢复。

4.本发明由于两个全反射镜均安装在调节支架上，能够控制再现光入射到全息干板上的角度，从而可以满足不同物光与参考光夹角下的全息记录，提高了离轴再现光路的适应性。另外，也可以完成物光和参考光在垂直方向上的角度校正。

5.本发明在成像物镜前后分别增加了十字圆圈半靶和十字圆圈全靶，能够提高衍射场光轴与成像物镜光轴调节重合的精度。

6.本发明同轴再现采集或者离轴再现采集时，均能够通过软件控制实现全自动的采集。

附图说明

图1为粒子场同轴全息记录光路图；

图2为粒子场离轴全息记录光路图；

图3为粒子场同轴再现光路图；

图4为粒子场离轴再现光路图；

图5为再现粒子场的分层分幅采集方式的示意图；

图6为离轴再现时衍射场相对成像物镜发生横向平移的示意图；

图7为垂直于水平面的方向上物光和参考光存在夹角的示意图；

图8为本发明全息同轴和离轴再现光路图；

图9为本发明全反射镜调节支架的结构示意图；

图10为本发明移动平台x轴y轴组合体及支架一的安装示意图；

图11为本发明移动平台z轴、支架二、成像物镜和采集相机的安装示意图；

图12为本发明十字圆圈全靶、十字圆圈半靶及支架三的安装示意图。

附图标记：

11-脉冲激光器，12-扩束准直镜，13-雾化喷嘴，14-雾化场，15-4F光学成像***，16-物光，17-参考光，18-全息干板；

21-脉冲激光器，22-分光镜，23、24、29、210-全反射镜，25、211-扩束准直镜，26-雾化喷嘴，27-雾化场，28-4F光学成像***，212--参考光，213-物光，214-全息干板；

31-单模连续激光器，32-扩束镜，33-滤波针孔，34-准直镜，35-再现光，36-全息干板，37-三维移动平台，38-衍射场，39-成像物镜前工作面，310-成像物镜，311-采集相机灵敏面，312-采集相机，313-控制计算机，314-再现光的光轴，315-移动平台控制器；

41-单模连续激光器，42-扩束镜，43-滤波针孔，44-准直镜，45-再现光，46-全息干板，47-三维移动平台，48-衍射场，49-成像物镜前工作面，410-成像物镜，411-采集相机灵敏面，412-采集相机，413-控制计算机，414-再现光的光轴，415-移动平台控制器，416-衍射光光轴，417-再现光光轴与衍射场光轴所夹的锐角；

61-再现光的光轴，62-初始位置的全息干板，63-沿衍射光轴移动后的全息干板，64-初始位置的衍射场，65-发生横向平移后的衍射场，66-初始位置的衍射场光轴，67-衍射场发生横向平移后的衍射场光轴；

71-物光光束，72-参考光光束，73-全息干板；

81-单模连续激光器，82-扩束镜，83-滤波针孔，84-准直镜，85-全反射镜一，86-全反射镜二，87-氦氖激光器，88-光阑，89-全息干板，810-十字圆圈半靶，811-成像物镜，812-十字圆圈全靶，813-采集相机，814-移动平台z轴，815-移动平台x轴y轴组合体，816-移动平台控制器，817-控制计算机；

91-反射镜架，92-俯仰调节螺母，93-偏摆调节螺母，95-支杆，96-支杆座，97-支杆锁紧螺母；

101-移动平台x轴基座，102-x轴移动台面，103-移动平台x轴y轴组合体的支架，104-移动平台y轴基座，105-y轴移动台面，106-全息干板夹持架，107-旋转俯仰台，108-单轴倾斜台；

111-移动平台z轴基座，112-移动台面，113-长支板，114-支架二的升降台，115-支架二的二维平移台，116-支架二的旋转台，117-支架二的倾斜台；

122-干板夹，123-支杆，124-限高环，125-限高环锁紧螺母，126-支杆座，127-支杆锁紧螺母。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

本发明提出了一种新的粒子场全息再现光路***，克服了目前同轴及离轴粒子场全息再现***在实际应用中的缺陷，实现了粒子场同轴和离轴全息再现***共用大部分光路的目的，提高了适应性。

如图8所示，本发明提供的再现光路包括光源扩束准直***、反射镜***、再现采集***、调节光轴的辅助***；

光源扩束准直***包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜82、滤波针孔83和准直镜84，光源扩束准直***提供均匀的扩束准直光作为再现光，再现光源采用单模连续激光器81，再现光源的波长与全息记录时所用的脉冲激光器波长相同。

反射镜***包括全反射镜一85和全反射镜二86，全反射镜一85沿光路设置在准直镜84的后方，全反射镜二86设置在全反射镜一85的侧面；全反射镜一85和全反射镜二86均安装在调节支架上，离轴再现时调节支架控制再现光入射到全息干板89上的角度；如图9所示，支杆95安装在支杆座96中，可以调节全反射镜一85和全反射镜二86的高低、旋转，然后通过支杆锁紧螺母97锁紧，支杆座位置调节完毕后，通过磁性表座或者Y型压板固定在光学平台上，再现光入射到全息干板89上的角度，可以通过反射镜架91上的俯仰调节螺母92和偏摆调节螺母93进行精细调节。

再现采集***实现对再现粒子场的“分层分幅”采集，包括全息干板89、成像物镜811、采集相机813、支架一、支架二、移动平台控制器816和控制计算机817。支架一具有三个自由度的旋转调节功能(旋转、俯仰和偏摆)，支架二具有六个自由度的调节功能(升降和二维平移，旋转、俯仰和偏摆)。支架二用于支撑成像物镜811和采集相机813，并对成像物镜811和采集相机813的旋转、俯仰、高低和平移进行调节；支架一用于夹持全息干板89，同时可以对全息干板89的旋转、俯仰和偏摆进行调节。支架一设置在移动平台x轴y轴组合体815上，从而控制支架一在x-y平面内移动，如图10所示；两个支架二通过长支板设置在移动平台z轴814上，从而控制支架二在z方向上移动，如图11所示。成像物镜811具有一定的放大倍率，将再现粒子场放大后成像于采集相机813的灵敏面上。

调节光轴的辅助***包括氦氖激光器87、光阑88、十字圆圈半靶810和十字圆圈全靶812，氦氖激光器87和光阑88沿光路依次设置在全反射镜一85后方；调节光轴的辅助***用于辅助调节衍射场光轴与成像物镜811光轴重合。

全息干板89、十字圆圈半靶810、成像物镜811、十字圆圈全靶812、采集相机813沿光路依次设置在光阑88后方；移动平台控制器816分别与移动平台x轴y轴组合体815、移动平台z轴814连接，控制其移动，控制计算机817分别与采集相机813和移动平台控制器816连接。通过自编控制软件，控制三维移动平台每移动一步后采集一幅图像，采集并保存完图像后，三维移动平台开始下一步的移动，从而按照图5的顺序对再现粒子场实现自动采集。

在成像物镜811的前后分别设置可以拆卸的十字圆圈半靶810和十字圆圈全靶812，十字圆圈半靶810和十字圆圈全靶812均设置在具有高度准确复位功能的支架三上，方便调节衍射场的光轴与成像物镜811的光轴重合，如图12所示。十字圆圈半靶810和十字圆圈全靶812通过干板夹122夹持，干板夹122通过支杆123安装在支杆座126中(支杆上事先安装限高环124)，调节完毕十字圆圈半靶810和十字圆圈全靶812后，锁紧限高环锁紧螺母125，保证靶板复位后的高度不变。

离轴再现时，在同轴再现光路的基础上，使用全反射镜一85和全反射镜二86将扩束准直镜84的出射平行光反射后斜入射到全息干板89上，作为再现光束，通过调节支架调整全反射镜一85和全反射镜二86的位置和角度，可以控制再现光入射到全息干板89上的角度。

本发明将三维移动平台拆分成两个部分：x轴和y轴的组合体作为一部分(x轴在最下方)，z轴单独作为一部分。全息干板89被夹持在支架一上，随移动平台的移动能够在x-y平面内运动，那么再现的粒子场也跟随全息干板89同步移动。成像物镜811和采集相机813通过支架二安装于移动平台z轴814上，它们的间距可调，调节好后固定不变，它们可以同时随z轴移动。

布置本发明再现光路的关键是光源扩束准直***和再现采集***始终保持光轴重合，可以进行同轴再现；加上两个全反射镜后，调节其位置、角度和俯仰，控制再现光的入射角度，使衍射场的光轴与光源扩束准直***、再现采集***的光轴重合，从而实现离轴再现，而整个再现光路中的其它部分不动。

一种调节粒子场全息同轴再现光路的方法，包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体815、夹持全息干板89的支架一、支撑成像物镜811和采集相机813的支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的某一边线，然后将移动平台z轴基座111固定，将两个支架二通过长支板113安装在移动平台z轴814的移动台面112上，将采集相机813安装在后端的支架二上，使采集相机813的轴线与移动平台z轴814基座保持平行；

3)调整单模连续激光器81的位置，在移动平台z轴814全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机813的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器81，保证单模连续激光器81与移动平台z轴814之间有足够空间放置其它部件；

4)在采集相机813前安装十字圆圈全靶812，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶812的靶板中心，固定靶板的支架三需要有准确复位的功能；

5)将成像物镜811安装在支架二上，粗调成像物镜811与采集相机813之间的距离，同时，保证成像物镜811的光轴与细光束重合，即细光束通过成像物镜811后仍然垂直入射到后面十字圆圈全靶812的中心，并且细光束在成像物镜811内部镜片表面上形成的光点共线；

6)使移动平台x轴y轴组合体移动到行程中间，将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体815中的y轴移动台面105上，安装全息干板89(膜面背向光源)，使细光束指向全息干板89中间区域，调整支架一保证全息干板89在x-y平面的整个行程范围内均要与细光束垂直。同时，还要控制移动平台x轴y轴组合体815与移动平台z轴814之间的距离，保证移动平台z轴814的移动过程中，成像物镜811的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座101；

7)依次安装准直镜84、滤波针孔83与扩束镜82，调节它们之间的相对位置和滤波针孔83的位置，保证扩束准直平行光的质量，得到质量较好的平行光束(即再现光)，控制移动平台x轴y轴组合体815，移开全息干板89，扩束准直的平行光经过成像物镜811后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶812的靶板垂直，并与靶板上的圆圈同心，即保证准直镜84与成像物镜811共轴；

8)取下十字圆圈全靶812，保留其复位装置，便于以后复位；

9)利用成像物镜811附带的含十字叉丝的特殊装置，通过观察采集相机813得到的十字叉丝图像，精确调节成像物镜811与采集相机813之间的距离，当十字叉丝图像清晰锐利时，说明成像物镜811的后工作面与采集相机813的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜811与采集相机813之间距离固定不变；

10)控制移动平台x轴y轴组合体815，移动全息干板89，使再现光照射到全息干板89的中间区域。

此时，同轴再现光路已经调节完毕。

一种调节粒子场全息离轴再现光路的方法，包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体815、夹持全息干板89的支架一、支撑成像物镜811和采集相机813的支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的某一边线，然后将移动平台z轴基座111固定，将两个支架二通过长支板113安装在移动平台z轴814的移动台面112上，将采集相机813安装在后端的支架二上，使采集相机813的轴线与移动平台z轴814基座保持平行；

3)调整单模连续激光器81的位置，在移动平台z轴814全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机813的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器81，保证单模连续激光器81与移动平台z轴814之间有足够空间放置其它部件；

4)在采集相机813前安装十字圆圈全靶812，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶812的靶板中心，固定靶板的支架三需要有准确复位的功能；

5)将成像物镜811安装在支架二上，粗调成像物镜811与采集相机813之间的距离，同时，保证成像物镜811的光轴与细光束重合，即细光束通过成像物镜811后仍然垂直入射到后面十字圆圈全靶812的中心，并且细光束在成像物镜811内部镜片表面上形成的光点共线；

6)使移动平台x轴y轴组合体移动到行程中间，将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体815中的y轴移动台面105上，安装全息干板89(膜面背向光源)，使细光束指向全息干板89中间区域，调整支架一保证全息干板89在x-y平面的整个行程范围内均要与细光束垂直。同时，还要控制移动平台x轴y轴组合体815与移动平台z轴814之间的距离，保证移动平台z轴814的移动过程中，成像物镜811的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座101；

7)依次安装准直镜84、滤波针孔83与扩束镜82，调节它们之间的相对位置和滤波针孔83的位置，保证扩束准直平行光的质量，得到质量较好的平行光束(即再现光)，控制移动平台x轴y轴组合体815，移开全息干板89，扩束准直的平行光经过成像物镜811后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶812的靶板垂直，并与靶板上的圆圈同心，即保证准直镜84与成像物镜811共轴；

8)取下十字圆圈全靶812，保留其复位装置，便于以后复位；

9)利用成像物镜811附带的含十字叉丝的特殊装置，通过观察采集相机813得到的十字叉丝图像，精确调节成像物镜811与采集相机813之间的距离，当十字叉丝图像清晰锐利时，说明成像物镜811的后工作面与采集相机813的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜811与采集相机813之间距离固定不变；

10)复位十字圆圈全靶812，放置氦氖激光器87，并调节氦氖激光器87的位置、旋转和俯仰，使其发出的细光束通过成像物镜811的光轴，再垂直入射到十字圆圈全靶812的中心，使得成像物镜811内部镜片反射回来的衍射环(或者光点)也与氦氖激光器前的光阑88同心，固定氦氖激光器；

11)成像物镜811前安装十字圆圈半靶810，使氦氖激光器发出的细光束垂直入射十字圆圈半靶810的靶板并与靶心相切，固定靶板的支架三需要有准确复位的功能，从侧面看，十字圆圈半靶810上边缘、成像物镜811光轴和十字圆圈全靶812靶心等高；

12)控制移动平台x轴y轴组合体815，使两个轴移动到行程中间，在准直镜84后安装全反射镜一85和全反射镜二86，调节全反射镜一85和全反射镜二86的反射镜架位置、旋转和俯仰，先粗略调节再现光束入射到全息干板89上的角度，使该角度接近全息记录时参考光的入射角，然后精确调节全反射镜一85和全反射镜二86的反射镜架91，使再现像的下半部分与十字圆圈半靶810的圆圈同心，再现像的上半部分经过成像物镜811成像后也与十字圆圈全靶812的圆圈同心，通过多次反复调节全反射镜一85和全反射镜二86的反射镜架91，最终再现像的光轴与成像物镜811光轴达到重合；

13)取下十字圆圈半靶和全靶。

本发明再现光路主要应用于脉冲激光全息诊断实验室，再现光路的主要参数如下：再现激光光源采用532nm单模连续固体激光器；扩束镜采用20倍放大的显微物镜，滤波针孔的直径25μm，准直镜输出平行光的直径60mm；全反射镜采用直径50.8mm保护银反射镜；成像物镜采用消像差的小景深透镜组，它带有前工作面定位的辅助装置，3倍放大率，口径60mm，物面Φ17mm内分辨力小于5μm；采集相机813采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机，像元数2048×2048pixels，像元尺寸7.4μm×7.4μm；移动平台的行程150mm，最小步长1.25μm。

通过本发明的方法在光学平台上只需搭建一条主光路，既可以实现同轴再现，也可以实现离轴再现，不仅节约了光学台面的空间，也节约了大量光学元器件，减少了实验成本，同时，也避免了大量的重复性工作，节约了科研人员的时间，极大地提高了实验室的工作效率，非常适用于实验条件经常改变的研究型实验室。

Claims (7)

1.一种粒子场全息同轴和离轴再现光路***，其特征在于：包括光源扩束准直***、反射镜***、再现采集***和调节光轴的辅助***；

所述光源扩束准直***包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；

所述反射镜***包括全反射镜一和全反射镜二，所述全反射镜一沿光路设置在准直镜的后方，所述全反射镜二设置在全反射镜一的侧面；全反射镜一和全反射镜二均安装在调节支架上；

所述再现采集***包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；支架一具有三个自由度的旋转调节功能，分别为旋转、俯仰和偏摆，支架二具有六个自由度的调节功能，分别为升降和二维平移，旋转、俯仰和偏摆；支架一用于夹持全息干板，两个支架二分别用于支撑成像物镜和采集相机，支架一设置在移动平台x轴y轴组合体上；两个支架二设置在移动平台z轴上；

所述调节光轴的辅助***包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；所述氦氖激光器和光阑沿光路依次设置在全反射镜一后方；

所述全息干板、十字圆圈半靶、成像物镜、十字圆圈全靶、采集相机沿光路依次设置在光阑后方；十字圆圈半靶和十字圆圈全靶均设置在具有复位功能的支架三上；

所述移动平台控制器分别与移动平台x轴y轴组合体、移动平台z轴连接，所述控制计算机分别与采集相机和移动平台控制器连接。

2.根据权利要求1所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***，其特征在于：所述再现光源为单模连续激光器。

3.根据权利要求1所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***，其特征在于：所述扩束镜采用显微物镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***，其特征在于：所述准直镜采用消像差透镜。

5.根据权利要求4所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***，其特征在于：所述成像物镜采用消像差的小景深透镜组。

6.基于权利要求1至5任一所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***调节粒子场全息同轴再现光路的方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体、支架一和支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的边线，然后将移动平台z轴基座固定，将两个支架二通过长支板安装在移动平台z轴的移动台面上，将采集相机安装在后端的支架二上，使采集相机的轴线与移动平台z轴基座保持平行；

3)调整单模连续激光器的位置，在移动平台z轴全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器；

4)在采集相机前安装十字圆圈全靶，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶的靶板中心；

5)将成像物镜安装在前端的支架二上，粗调成像物镜与采集相机的距离，同时保证成像物镜的光轴与细光束重合；

6)将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体中的y轴移动台面上，将全息干板夹持在支架一上，使细光束指向全息干板中间区域，调整支架一保证全息干板在x-y平面的整个行程范围内均与细光束垂直，同时控制移动平台x轴y轴组合体与移动平台z轴之间的距离，保证移动平台z轴的移动过程中，成像物镜的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座；

7)依次安装准直镜、滤波针孔与扩束镜，调节准直镜与扩束镜之间的相对位置和滤波针孔的位置，控制移动平台x轴y轴组合体，移开全息干板，扩束准直的平行光经过成像物镜后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶垂直，并与靶板上的圆圈同心；

8)取下十字圆圈全靶；

9)精确调节成像物镜与采集相机之间的距离，使成像物镜的后工作面与采集相机的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜与采集相机之间距离固定不变；

10)控制移动平台x轴y轴组合体，移动全息干板，使再现光照射到全息干板的中间区域。

7.基于权利要求1至5任一所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路***调节粒子场全息离轴再现光路的方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)分别组装移动平台x轴y轴组合体、支架一和支架二；

2)使移动平台z轴平行于光学平台的边线，然后将移动平台z轴基座固定，将两个支架二通过长支板安装在移动平台z轴的移动台面上，将采集相机安装在后端的支架二上，使采集相机的轴线与移动平台z轴基座保持平行；

3)调整单模连续激光器的位置，在移动平台z轴全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器；

4)在采集相机前安装十字圆圈全靶，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶的靶板中心；

5)将成像物镜安装在前端的支架二上，粗调成像物镜与采集相机的距离，同时保证成像物镜的光轴与细光束重合；

6)将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体中的y轴移动台面上，将全息干板夹持在支架一上，使细光束指向全息干板中间区域，调整支架一保证全息干板在x-y平面的整个行程范围内均与细光束垂直，同时控制移动平台x轴y轴组合体与移动平台z轴之间的距离，保证移动平台z轴的移动过程中，成像物镜的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座；

7)依次安装准直镜、滤波针孔与扩束镜，调节准直镜与扩束镜之间的相对位置和滤波针孔的位置，控制移动平台x轴y轴组合体，移开全息干板，扩束准直的平行光经过成像物镜后得到放大的光束，光束与十字圆圈全靶垂直，并与靶板上的圆圈同心；

8)取下十字圆圈全靶；

9)精确调节成像物镜与采集相机之间的距离，使成像物镜的后工作面与采集相机的灵敏面重合，调节完毕后保持成像物镜与采集相机之间距离固定不变；

10)复位十字圆圈全靶，放置氦氖激光器，并调节氦氖激光器的位置、旋转和俯仰，使其发出的细光束通过成像物镜的光轴，再垂直入射到十字圆圈全靶的中心，使得成像物镜内部镜片反射回来的衍射环与氦氖激光器前的光阑同心，然后固定氦氖激光器；

11)成像物镜前安装十字圆圈半靶，使氦氖激光器发出的细光束垂直入射十字圆圈半靶的靶板并与靶心相切，十字圆圈半靶上边缘、成像物镜光轴和十字圆圈全靶靶心等高；

12)控制移动平台x轴y轴组合体，使两个轴移动到行程中间，在准直镜后安装全反射镜一和全反射镜二，调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架位置、旋转和俯仰，先粗略调节再现光束入射到全息干板上的角度，使该角度接近全息记录时参考光的入射角，然后精确调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架，使再现像的下半部分与十字圆圈半靶的圆圈同心，再现像的上半部分经过成像物镜成像后也与十字圆圈全靶的圆圈同心，通过多次反复调节全反射镜一和全反射镜二的反射镜架，最终再现像的光轴与成像物镜光轴达到重合；

13)取下十字圆圈半靶和全靶。