技术领域
[0001] 本
发明涉及一种全息图记录方法，特别是涉及一种正弦结构光记录全息图的方法及装置。
背景技术
[0002] 全息图的记录一般是利用两路或两路以上满足干涉条件的光束实现。其中，一路光束作为参考照明光束；另一路光束照明被拍摄物体。通过被拍摄物体透射或反射的调制光束和参考照明光束的干涉
叠加，将物体的
相位信息编码为振幅信息，记录在全息干板上。不论是同轴全息、离轴全息，还是傅里叶变换全息等全息图的拍摄过程，均需要严格的控制参与干涉叠加的各路光的光程，记录全息图过程中，影响光程差稳定的任何微小振动，最终，都会使全息图记录失败。所以，一般全息图的记录过程，均需要隔振平台、安静的环境，特别是对于大尺寸全息图的记录，需要高感光度的全息干板，来避免环境因素产生的振动引起的光程差不稳定问题，以至于造成全息图模糊或者拍摄失败。
[0003]
专利号20050016796.0专利是原理相近专利，涉及的主要内容是“光学系统调制传递函数(MTF)测量”。该专利第一
发明人为本专利
申请的第一发明人，在对该专利的四项关键技术改进后，可用于记录全息图。
[0004] 第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级
光谱输出，不具有可控性；改进方案是将使用精确控制为整数比4∶1及以上占空比的矩形
透射光栅，保证利用二级及三级光谱合成，实现关键
位置，正弦结构光投影的倍增输出；第二，占有输入
能量70％以上的零级
频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦结构光的
对比度；改进方案是根据各级次光谱之间的相位关系，利用1/4波片或1/2波片将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大
曲率位置的条纹
密度及正弦结构光对比度，提高输出的投影正弦结构光
亮度，利于线度5米以上大尺寸、大面积的全息图记录；第三，
傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一
波长光的针对性设计，输出的正弦结构光像场像差较大，是高
分辨率全息图拍摄的一大障碍；改进方案是针对
光源激光器波长，设计专用单色镜头，不需要考虑色差及消色差问题，只需解决球差、场曲、畸变、慧差和像散问题即可，降低镜头设计、
镀膜和制造的难度，并能有效降低投影正弦结构光的波像差，提高全息图拍摄
精度；第四，平行光输出，如果按照输出镜头尺寸4英寸设计，投影尺寸即只有4英寸，限制了全息图的拍摄视场范围，不利于大面积全息图拍摄；改进方案是配合高放大率镜头输出，加大正弦结构光投影面积；以及配合高速扫描振镜扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，全息图拍摄范围可以达到几十米的巨大尺寸。
[0005] 拍摄全息图的正弦结构光投影装置，无移动、振动部件，对拍摄环境要求极低，完全避免了光路光程差变化的影响。只要远心镜头配合的记录系统速度足够快，在普通、干净的空间即可达到拍摄全息图的零失败可能。
发明内容
[0006] 本发明目的在于解决背景技术中：全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板等问题，提供一种正弦结构光记录全息图的方法，本发明目的还在于提供用于实现该方法的装置。本发明属于全息图的记录领域，涉及利用波片、矩形光栅或正弦光栅、滤光片及光学空间
滤波器，进行空间分频、合成，产生较高空间
频率的二维正弦结构光，结合远心镜头及高速CCD(全息干板)，记录全息图的一种方法和装置。
[0007] 为实现上述目的，本发明正弦结构光记录全息图的方法是通过包括下列部分的设备实现：激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密
丝杠8-1、精密
导轨8-2、高速振镜9、用于包容上述各部分的带光学窗口的保护
外壳13，连接有计算机12的远心镜头及高速CCD或者全息干板11、与高速振镜9输出光束和远心镜头及高速CCD或者全息干板11接收光路对应的拍摄目标10；
[0008] 光束整形系统2位于激光器1的后面，对
激光束扩束、
准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3
定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠8-1和精密导轨组8-2上；
[0009] 远心镜头及高速CCD或者全息干板11根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及
软件分析系统对获取的
全息图像，进行数字化处理并存储；
[0010] 采用平行光投影输出正弦结构光，直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头7输出小
角度正弦结构光，标定波面
变形后实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位9于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影。具有提高高空间频率正弦结构光的对比度，有效降低波像差，从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出，能将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，克服
现有技术全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板担
缺陷的优点。
[0011] 作为优化，带光学窗口的保护外壳13，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件固定并防尘、防
水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出；若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0012] 作为优化，所述激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9沿光路依次装配在带调整机构的精密丝杠8-1、精密导轨8-2上后再配置在带光学窗口的保护外壳13内。
[0013] 作为优化，根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0014] 作为优化，a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上，并进一步封装固定；根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；
[0015] b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及标定，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；
[0016] c.光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0017] d.矩形光栅3要求占空比精确控制为整数比4∶1及以上的矩形透射光栅，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，适应高分辨率全息图拍摄，以及全息图局部大曲率位置的精细拍摄；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0018] e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0019] f.频谱选择器5包括电、磁或光寻址空间光
调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3的情况下，可去掉；
[0020] g.波片6配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0021] h.高速振镜9大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影扫描；
[0022] i.在精密丝杠8-1、精密导轨8-2上调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；
[0023] j.带光学窗口的保护外壳13内固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件，并防尘、防水，其光学窗口实现正弦结构光的投影输出；
[0024] k.远心镜头及高速CCD或全息干板11拍摄经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，并记录在全息干板上；
[0025] 或者l.远心镜头及高速CCD或全息干板11，采集经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，传输至计算机12；
[0026] m.计算机12接收远心镜头及高速CCD或全息干板11采集的高度相位编码强度条纹图像，并进行相应的图像、图形计算，完成高度相位编码强度条纹图像数字化记录与存储。
[0027] 用于实现本发明所述方法的装置包括激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9、用于包容上述各部分的带光学窗口的保护外壳13，连接有计算机12的远心镜头及高速CCD或者全息干板11、与高速振镜9输出光束和远心镜头及高速CCD或者全息干板11接收光路对应的拍摄目标10；
[0028] 光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠8-1和精密导轨组8-2上；
[0029] 远心镜头及高速CCD或者全息干板11根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及软件分析系统对获取的全息图像，进行数字化处理并存储；
[0030] 采用平行光投影输出正弦结构光，直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头7输出小角度正弦结构光，标定波面变形后实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位9于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影。具有提高高空间频率正弦结构光的对比度，有效降低波像差，从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出，能将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，克服现有技术全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板担缺陷的优点。
[0031] 作为优化，带光学窗口的保护外壳13，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件固定并防尘、防水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出；若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0032] 作为优化，所述激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9沿光路依次装配在带调整机构的精密丝杠8-1、精密导轨8-2上后再配置在带光学窗口的保护外壳13内。
[0033] 作为优化，根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0034] 作为优化，a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上，并进一步封装固定；根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；
[0035] b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及标定，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；
[0036] c.光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0037] d.矩形光栅3要求占空比精确控制为整数比4∶1及以上的矩形透射光栅，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，适应高分辨率全息图拍摄，以及全息图局部大曲率位置的精细拍摄；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0038] e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0039] f.频谱选择器5包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3的情况下，可去掉；
[0040] g.波片6配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0041] h.高速振镜9大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影扫描；
[0042] i.在精密丝杠8-1、精密导轨8-2上调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；
[0043] j.带光学窗口的保护外壳13内固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件，并防尘、防水，其光学窗口实现正弦结构光的投影输出；
[0044] k.远心镜头及高速CCD或全息干板11拍摄经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，并记录在全息干板上；
[0045] 或者l.远心镜头及高速CCD或全息干板11，采集经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，传输至计算机12；
[0046] ..计算机12接收远心镜头及高速CCD或全息干板11采集的高度相位编码强度条纹图像，并进行相应的图像、图形计算，完成高度相位编码强度条纹图像数字化记录与存储。
[0047] 总之，本发明提出使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦结构光的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出正弦结构光波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出。使用输出的二维正弦结构光，直接投影至被记录物体，均匀分布的正弦结构光受到被记录物体的表面形貌调制，直接产生变形的条纹图像，将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，原理如下：
[0048] 若采用缝宽a，光栅常数d，长L的矩形光栅，则光栅透过率表示为：
[0049]
[0050] 经光学空间傅里叶变换后的频谱为：
[0051]
[0052] 再经光学空间傅里叶变换后的投影输出图像构成是：
[0053]
[0054] 将根据(3)式原理，将获得的正弦结构光投影到三维物体表面，被表面形貌调制后的变形光栅条纹为：
[0055]
[0056] 物体的高度信息，通过远心镜头，在高速CCD(全息干板)上，将被记录为疏密不同的条纹信息，即实现相位分布强度编码：
[0057]
[0058] 通过高速CCD，实现数字化全息图记录，通过软件修正以及
修改后，利用计算全息输出设备输出。
[0059] 全息图的复现过程同离轴全息技术。
[0060] 由(3)式，根据光谱级次n，投影正弦结构光条纹密度比为1∶2∶3；物体的高度信息能够分别用一级，二级，以及三级光谱的正弦条纹记录。
[0061] 若采用40lp/mm的矩形光栅，则输出二维正弦光强的结构光栅
线密度可达40lp/mm以上，物体的细节位置，局部利用2倍频、3倍频倍增条纹密度，投影的二维正弦光强结构光
栅线密度可达120lp/mm以上，结合变倍率镜头输出，栅线密度还能继续大幅度提高。
[0062] 若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0063] 产生正弦结构光的投影装置，均安置在带光学窗口的保护外壳中，无影响光程变化的移动部件，完全避免一般干涉结构，记录全息图过程，对光程差的严格要求，便于大尺寸及高速过程的全息图记录。
[0064] 本发明装置包括：激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、拍摄目标、远心镜头及高速CCD(全息底片)、计算机及软件分析系统、带光学窗口的保护外壳。
[0065] 光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上；
[0066] 远心镜头及高速CCD(全息干板)根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及软件分析系统对获取的全息图像，进行数字化处理并存储；
[0067] 带光学窗口的保护外壳，将激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜等器件固定并防尘、防水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出，
[0068] 采用平行光投影输出正弦结构光，可直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度正弦结构光，标定波面变形后，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后，可以实现；或者，使用高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦结构光投影。
[0069] 本发明的优点：本发明针对背景技术中全息图的记录过程，均需要隔振平台、安静的环境，特别是大尺寸全息图的记录，必须避免环境因素产生的振动引起的光程差不稳定问题，以至于造成全息图模糊或者拍摄失败等关键问题。
[0070] 提出利用波片、矩形光栅(正弦光栅)、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生00lp/mm以上空间频率的二维正弦结构光投影，结合远心镜头及高速CCD(全息干板)记录，记录全息图的一种方法和装置。
[0071] 通过精确制作矩形光栅的占空比，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，以及单一波长设计的单色专用镜头，高速振镜等手段；实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围的正弦结构光投影输出，配合远心镜头及高速CCD(全息干板)记录全息图。
[0072] 矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0073] 拍摄全息图的正弦结构光投影装置，均安置在带光学窗口的保护外壳中，固定各器件并防尘、防水。因此，对拍摄环境要求极低，完全避免了光路光程差变化的影响。只要远心镜头配合的记录系统速度足够快，在普通、干净的空间即可达到拍摄全息图的零失败可能。
[0074] 采用上述技术方案后，本发明正弦结构光记录全息图的方法及装置具有提高高空间频率正弦结构光的对比度，有效降低波像差，从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出，能将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，克服现有技术全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板担缺陷的优点。
附图说明
[0075] 图1是本发明用于实现正弦结构光记录全息图方法的装置结构示意图。
具体实施方式
[0076] 如图所示，本发明正弦结构光记录全息图的方法是通过包括下列部分的设备实现：激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9、用于包容上述各部分的带光学窗口的保护外壳13，连接有计算机12的远心镜头及高速CCD或者全息干板11、与高速振镜9输出光束和远心镜头及高速CCD或者全息干板11接收光路对应的拍摄目标10；
[0077] 光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠8-1和精密导轨组8-2上；
[0078] 远心镜头及高速CCD或者全息干板11根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及软件分析系统对获取的全息图像，进行数字化处理并存储；
[0079] 采用平行光投影输出正弦结构光，直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头7输出小角度正弦结构光，标定波面变形后实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位9于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影。具有提高高空间频率正弦结构光的对比度，有效降低波像差，从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出，能将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，克服现有技术全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板担缺陷的优点。
[0080] 所述带光学窗口的保护外壳13，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件固定并防尘、防水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出；若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0081] 所述激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9沿光路依次装配在带调整机构的精密丝杠8-1、精密导轨8-2上后再配置在带光学窗口的保护外壳13内。
[0082] 根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0083] a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上，并进一步封装固定；根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；
[0084] b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及标定，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；
[0085] c.光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0086] d.矩形光栅3要求占空比精确控制为整数比4∶1及以上的矩形透射光栅，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，适应高分辨率全息图拍摄，以及全息图局部大曲率位置的精细拍摄；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0087] e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0088] f.频谱选择器5包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3的情况下，可去掉；
[0089] g.波片6配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0090] h.高速振镜9大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影扫描；
[0091] i.在精密丝杠8-1、精密导轨8-2上调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；
[0092] j.带光学窗口的保护外壳13内固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件，并防尘、防水，其光学窗口实现正弦结构光的投影输出；
[0093] k.远心镜头及高速CCD或全息干板11拍摄经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，并记录在全息干板上；
[0094] 或者l.远心镜头及高速CCD或全息干板11，采集经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，传输至计算机12；
[0095] ..计算机12接收远心镜头及高速CCD或全息干板11采集的高度相位编码强度条纹图像，并进行相应的图像、图形计算，完成高度相位编码强度条纹图像数字化记录与存储。
[0096] 如图所示，用于实现本发明所述方法的装置包括激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9、用于包容上述各部分的带光学窗口的保护外壳13，连接有计算机12的远心镜头及高速CCD或者全息干板11、与高速振镜9输出光束和远心镜头及高速CCD或者全息干板11接收光路对应的拍摄目标10；
[0097] 光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠8-1和精密导轨组8-2上；
[0098] 远心镜头及高速CCD或者全息干板11根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及软件分析系统对获取的全息图像，进行数字化处理并存储；
[0099] 采用平行光投影输出正弦结构光，直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头7输出小角度正弦结构光，标定波面变形后实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位9于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影。具有提高高空间频率正弦结构光的对比度，有效降低波像差，从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出，能将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，克服现有技术全息图记录必须保证光程差稳定的根本要求，而必须需要隔振平台和安静的空间等苛刻的环境要求等问题，以及大尺寸全息图记录需要的高感光度全息干板担缺陷的优点。
[0100] 所述带光学窗口的保护外壳13，激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件固定并防尘、防水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出；若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0101] 所述激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9沿光路依次装配在带调整机构的精密丝杠8-1、精密导轨8-2上后再配置在带光学窗口的保护外壳13内。
[0102] 根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0103] a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上，并进一步封装固定；根据拍摄目标分辨率及全息图拍摄范围，确定高速振镜9同远心镜头及高速CCD或者全息干板11之间的基线距离b，同拍摄目标10之间的角度θ，以及拍摄距离L0；安装调试计算机14；
[0104] b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及标定，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；
[0105] c.光束整形系统2采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，目无毛刺；
[0106] d.矩形光栅3要求占空比精确控制为整数比4∶1及以上的矩形透射光栅，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，适应高分辨率全息图拍摄，以及全息图局部大曲率位置的精细拍摄；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0107] e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0108] f.频谱选择器5包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3的情况下，可去掉；
[0109] g.波片6配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0110] h.高速振镜9大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影扫描；
[0111] i.在精密丝杠8-1、精密导轨8-2上调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；
[0112] j.带光学窗口的保护外壳13内固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9等器件，并防尘、防水，其光学窗口实现正弦结构光的投影输出；
[0113] k.远心镜头及高速CCD或全息干板11拍摄经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，并记录在全息干板上；
[0114] 或者l.远心镜头及高速CCD或全息干板11，采集经拍摄目标10反射的高度相位编码强度条纹信息，传输至计算机12；
[0115] m.计算机12接收远心镜头及高速CCD或全息干板11采集的高度相位编码强度条纹图像，并进行相应的图像、图形计算，完成高度相位编码强度条纹图像数字化记录与存储。
[0116] 总之，本发明提出使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦结构光的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出正弦结构光波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围全息图拍摄的正弦结构光连续输出。使用输出的二维正弦结构光，直接投影至被记录物体，均匀分布的正弦结构光受到被记录物体的表面形貌调制，直接产生变形的条纹图像，将物体的高度分布信息用变形的条纹图像记录为相位分布强度编码，原理如下：
[0117] 若采用缝宽a，光栅常数d，长L的矩形光栅，则光栅透过率表示为：
[0118]
[0119] 经光学空间傅里叶变换后的频谱为：
[0120]
[0121] 再经光学空间傅里叶变换后的投影输出图像构成是：
[0122]
[0123] 将根据(3)式原理，将获得的正弦结构光投影到三维物体表面，被表面形貌调制后的变形光栅条纹为：
[0124]
[0125] 物体的高度信息，通过远心镜头，在高速CCD(全息干板)上，将被记录为疏密不同的条纹信息，即实现相位分布强度编码：
[0126]
[0127] 通过高速CCD，实现数字化全息图记录，通过软件修正以及修改后，利用计算全息输出设备输出。
[0128] 全息图的复现过程同离轴全息技术。
[0129] 由(3)式，根据光谱级次n，投影正弦结构光条纹密度比为1∶2∶3；物体的高度信息能够分别用一级，二级，以及三级光谱的正弦条纹记录。
[0130] 若采用40lp/mm的矩形光栅，则输出二维正弦光强的结构光栅线密度可达40lp/mm以上，物体的细节位置，局部利用2倍频、3倍频倍增条纹密度，投影的二维正弦光强结构光栅线密度可达120lp/mm以上，结合变倍率镜头输出，栅线密度还能继续大幅度提高。
[0131] 若为大尺寸静止物体的全息记录，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术实现大尺寸物体的全息记录；若为高速运动物体，可以配合高速CCD记录为数字全息图。
[0132] 产生正弦结构光的投影装置，均安置在带光学窗口的保护外壳中，无影响光程变化的移动部件，完全避免一般干涉结构，记录全息图过程，对光程差的严格要求，便于大尺寸及高速过程的全息图记录。
[0133] 本发明装置包括：激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、拍摄目标、远心镜头及高速CCD(全息底片)、计算机及软件分析系统、带光学窗口的保护外壳。
[0134] 光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上；
[0135] 远心镜头及高速CCD(全息干板)根据正弦结构光的投影拍摄区域和位置确定安装位置；若采用全息干板记录，则需要控制曝光时间；若采用高速CCD，则需要计算机及软件分析系统对获取的全息图像，进行数字化处理并存储；
[0136] 带光学窗口的保护外壳，将激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜等器件固定并防尘、防水保护；光学窗口实现正弦结构光的投影输出，
[0137] 采用平行光投影输出正弦结构光，可直接进行小尺寸全息图拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度正弦结构光，标定波面变形后，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头，输出大角度正弦结构光，标定波面变形后，可以实现；或者，使用高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦结构光投影。
[0138] 本发明的优点：本发明针对背景技术中全息图的记录过程，均需要隔振平台、安静的环境，特别是大尺寸全息图的记录，必须避免环境因素产生的振动引起的光程差不稳定问题，以至于造成全息图模糊或者拍摄失败等关键问题。
[0139] 提出利用波片、矩形光栅(正弦光栅)、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生00lp/mm以上空间频率的二维正弦结构光投影，结合远心镜头及高速CCD(全息干板)记录，记录全息图的一种方法和装置。
[0140] 通过精确制作矩形光栅的占空比，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，以及单一波长设计的单色专用镜头，高速振镜等手段；实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围的正弦结构光投影输出，配合远心镜头及高速CCD(全息干板)记录全息图。
[0141] 矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，使用高速CCD，方便高速运动目标及高速动态过程的全息图记录及数字化存储。
[0142] 拍摄全息图的正弦结构光投影装置，均安置在带光学窗口的保护外壳中，固定各器件并防尘、防水。因此，对拍摄环境要求极低，完全避免了光路光程差变化的影响。只要远心镜头配合的记录系统速度足够快，在普通、干净的空间即可达到拍摄全息图的零失败可能。
