CN105675150A - 一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，包括：利用集成有像素偏振片阵列的相机采集通过预设光路输出的参考光光束与空间光调制器调整生成的结构光光束干涉产生的条纹图；其中，所述像素偏振片阵列中每个偏振片单元的尺寸与相机中感光元件的像素尺寸一致且一一对准；将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位。本发明公开的方法，实现了结构光场的光强和相位信息实时测量，使得用户能够深入了解结构光场的物理特性，对于结构光场在光镊，激光微加工，以及光学信号传播领域有很大的推动作用。

Description

一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法

技术领域

本发明涉及衍射光场的波前相位测量领域，尤其涉及一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法。

背景技术

传统单帧照相设备只能衍射平面记录光场的光强信息，而无法得到光场的相位信息。为了记录衍射光场的相位信息，采用相移技术，引入参考光，通过对参考光进行多次相移，分别记录多帧干涉图的光强信息，从而解算出记录平面物光波的光强和相位信息。

传统相移法包括时间相移法和空间相移法两种。时间相移法包括压电陶瓷(PZT)法、移动光栅法、拉伸光纤法、液晶相移法、偏振相移法、空气相移法等。

但是，传统的时间相移方法记录的图像是在同一空间位置不同时刻采集的，因此时间相移局限于对静态或准静态相位的测量。空间相移与时间相移恰好相反，干涉图为同一时刻不同空间位置获得的，因此可以进行动态测量，主要有“普通分光棱镜分光+偏振相移”、“光栅分光+偏振相移”、“光栅分光+光栅相移”三类。空间相移虽然能够进行动态测量，但是由于干涉图记录的空间位置不同，要求不同探测器(若采用多个探测器接收不同相移干涉图)或探测器不同部分(若采用单个探测器的不同部分接收不同相移干涉图)的光电性能一致，且不同空间位置的干涉图之间要求进行像素级的位置匹配和灰度校正，过程繁琐复杂涉及的计算量大。因此实际操作过程难度高精度低，难以被实际应用。另外，传统的时间相移法和空间相移法都需要在很高的隔振条件下进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，实现了结构光场的光强和相位信息实时测量，使得用户能够深入了解结构光场的物理特性，对于结构光场在光镊，激光微加工，以及光学信号传播领域有很大的推动作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，包括：

利用集成有像素偏振片阵列的相机采集通过预设光路输出的结构光与参考光干涉产生的条纹图；其中，所述像素偏振片阵列中每个偏振片单元的尺寸与相机中感光元件的像素尺寸一致且一一对准；

将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位。

进一步的，所述像素偏振片阵列中相邻的每2×2偏振片单元构成一个子单元，子单元内四个偏振片单元的偏振方向不同，分别为0，π/4，π/2，3π/4。

进一步的，所述将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位包括：

集成有像素偏振片阵列的相机采集到的光强与偏振片单元的偏振角有关，其关系式为：

$I=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+2\mathrm{\α}\left)\right)$

其中，I_s为结构光场的光强，I_r为参考光光强，φ为结构光场的衍射相位，α为偏振片单元的偏振角；

像素偏振片阵列中偏振片单元的偏振角包括：0，π/4，π/2，3π/4，则从结构光与参考光干涉产生的条纹图提取出四幅偏振方向不同的条纹图，每一幅条纹图的光强分别为I(0)，I(π/4)，I(π/2)，I(3π/4)：

$I\left(0\right)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}/2\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/2)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}\left)\right);$

$I(3\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+3\mathrm{\π}/2\left)\right);$

从而计算出结构光场的衍射相位φ：

$\mathrm{\φ}=arctan\left(\frac{I(\mathrm{\π}/2)-I\left(0\right)}{I(3\mathrm{\π}/4)-I(\mathrm{\π}/4)}\right).$

进一步的，通过预设光路输出包含了结构光与参考光干涉后的光束过程包括：

由激光器发出的激光依次经过半波片、1号棱镜与2号棱镜进行扩束准直后，照射到1号偏振分光棱镜上，被分为两束互相垂直的线偏振光；

其中一束向前透过非偏振的分光棱镜照射到空间光调制器上，与空间光调制器相连的电脑屏幕所显示的灰度图会对空间光调制的液晶靶面进行像素尺度的电压调控，改变液晶分子的取向和空间结构从而调控入射光场的相位信息，修饰上相应的相位信息后，由非偏振的分光棱镜反射后经过透镜衍射生成结构光场，再经过三号棱镜射入2号偏振分光镜，作为结构光；

另一束线偏振光反射至反射镜，并被反射至2号偏振分光镜，作为参考光；

结构光和参考光于2号偏振分光棱镜处汇合，再经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而发生干涉。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，应用于相移测量中时，采集一帧图像即可获得结构光场的光强和相位信息，因此可用来测量动态结构光场的光强和相位信息，既克服了传统时间相移法不能测量动态光场的缺点，又克服了传统空间相移法需要精确地位置匹配和灰度矫正的缺点；同时，基于像素的偏振片阵列可以和感光元件(CCD或CMOS)集成到一起，不需要在具体应用时对准，大大降低了使用繁琐程度；另外，该方法对抗振要求不高，因此使用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的像素偏振片阵列的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的实现结构光场衍射相位的实时检测方法的光路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的空间光调制器工作原理图；

图4为本发明实施例提供的由单帧图像拆分为四幅图像的示意图；

图5为本发明实施例提供的单帧图像差值平均获得同等分辨率的四幅图像的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，其主要包括如下步骤：

利用集成有像素偏振片阵列的相机采集通过预设光路输出的结构光与参考光干涉产生的条纹图；其中，所述像素偏振片阵列中每个偏振片单元的尺寸与相机中感光元件的像素尺寸一致且一一对准；

将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位。

所述像素偏振片阵列是一种用于测量光经过不同透过方向的像素尺寸的偏振片单元后各个偏振方向的光强的器件，通常与感光元件(CCD或CMOS)搭配使用从而获得包含由该微偏振片阵列测得的各偏振分量的干涉条纹图像，并可以进行实时相移分析。

本发明实施例提供的像素偏振片阵列的结构如图1所示，所述像素偏振片阵列1中相邻的每2×2偏振片单元11构成一个子单元12，子单元12内四个偏振片单元11的偏振方向不同，分别为0，π/4，π/2，3π/4。

每个子单元内的四个偏振片单元所获得的光强值并不是相互独立的，已知其中三个偏振片单元的光强值即可算出另一个偏振片单元的光强值，因此也可只制作具有三个相位延迟量的像素偏振片阵列。

本发明实施例中，用于实现结构光场衍射相位的实时检测方法的光路结构如图2所示。由激光器发出的激光依次经过半波片、1号棱镜与2号棱镜进行扩束准直后，照射到1号偏振分光棱镜上，被分为两束互相垂直的线偏振光；其中一束向前透过非偏振的分光棱镜照射到空间光调制器上，与空间光调制器相连的电脑屏幕所显示的灰度图会对空间光调制的液晶靶面进行像素尺度的电压调控，改变液晶分子的取向和空间结构从而调控入射光场的相位信息，修饰上相应的相位信息后，由非偏振的分光棱镜反射后经过透镜衍射生成结构光场，再经过三号棱镜射入2号偏振分光镜，作为结构光；另一束线偏振光反射至反射镜，并被反射至2号偏振分光镜，作为参考光；结构光和参考光于2号偏振分光棱镜处汇合，再经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而发生干涉。

本发明实施例中，空间光调制器用以生成具有特殊拓扑结构光场的光学元件，结构光场是一种光强、相位等物理信息具有特殊空间分布的电磁波。通过控制空间光调制器液晶靶面的像素电压可以改变液晶分子的取向，从而可以通过改变入射光场透过该靶面的光程差来控制和调节光场的相位信息，受到相位调制的光场经过衍射后可以生成有特定空间结构的目标光场。空间光调制器工作原理如图3所示。

本发明实施例中，由集成有像素偏振片阵列的相机进行信号采集，再将采集的图片中相同透偏振方向单元像素分别取出，可重新组合为四幅图片，如图4所示。其中图4a为由集成了像素偏振片阵列的相机拍摄的单帧图像，将四种透偏振方向的图像灰度值取出，重新组合为四幅干涉图像，如图4b所示，分别代表透偏振方向为0，π/4，π/2，3π/4时CCD所采集到的图像，其光强值分别为I(0)，I(π/4)，I(π/2)，I(3π/4)。

本发明实施例中，被相机采集的光强与偏振片单元的偏振角有关，如下公式所示：

$I=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+2\mathrm{\α}\left)\right)$

其中，I为相机采集的光强，I_s为结构光场的光强，I_r为参考光光强，φ为结构光场的衍射相位，α为偏振片单元的偏振角；

则有：

$I\left(0\right)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}/2\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/2)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}\left)\right);$

$I(3\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+3\mathrm{\π}/2\left)\right);$

从而计算出结构光场的衍射相位φ：

$\mathrm{\φ}=arctan\left(\frac{I(\mathrm{\π}/2)-I\left(0\right)}{I(3\mathrm{\π}/4)-I(\mathrm{\π}/4)}\right).$

当采用图4所示的方式处理图像后可能使图像分辨率降低，因此，可以采用图5所示的二次线性插值的方法，利用差值平均方法补充数据值，从而恢复成原图的分辨率，再利用上面的公式计算结构光场的衍射相位φ。

本发明实施例的上述方案主要具有如下优点：

1)应用于相移测量中时，采集一帧图像即可获得结构光场的光强和相位信息，因此可用来测量动态结构光场的光强和相位信息，既克服了传统时间相移法不能测量动态光场的缺点，又克服了传统空间相移法需要精确地位置匹配和灰度矫正的缺点；

2)基于像素的偏振片阵列可以和感光元件(CCD或CMOS)集成到一起，不需要在具体应用时对准，大大降低了使用繁琐程度；

3)该方法对抗振要求不高，因此使用范围更广。

并获得了如下有益效果：

1)能够生成并测量得到具有特殊空间结构的光场的光强以及相位信息；

2)通过利用空间光调制器在修饰相位上叠加球面波的方法，可以实时获取在光场传播方向任意截面的光强及相位的信息；

3)能够深入了解结构光场的物理特性，对于结构光场在光镊，激光微加工，以及光学信号传播领域有很大的推动作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，其特征在于，包括：

利用集成有像素偏振片阵列的相机采集通过预设光路输出的结构光与参考光干涉产生的条纹图；其中，所述像素偏振片阵列中每个偏振片单元的尺寸与相机中感光元件的像素尺寸一致且一一对准；

将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述像素偏振片阵列中相邻的每2×2偏振片单元构成一个子单元，子单元内四个偏振片单元的偏振方向不同，分别为0，π/4，π/2，3π/4。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述将结构光与参考光干涉产生的条纹图根据偏振片单元的偏振方向提取出四幅偏振方向不同的条纹图来计算结构光场的衍射相位包括：

集成有像素偏振片阵列的相机采集到的光强与偏振片单元的偏振角有关，其关系式为：

$I=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+2\mathrm{\α}\left)\right)$

其中，I_s为结构光场的光强，I_r为参考光光强，φ为结构光场的衍射相位，α为偏振片单元的偏振角；

像素偏振片阵列中偏振片单元的偏振角包括：0，π/4，π/2，3π/4，则从结构光与参考光干涉产生的条纹图提取出四幅偏振方向不同的条纹图，每一幅条纹图的光强分别为I(0)，I(π/4)，I(π/2)，I(3π/4)：

$I\left(0\right)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}/2\left)\right);$

$I(\mathrm{\π}/2)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}\left)\right);$

$I(3\mathrm{\π}/4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}cos(\mathrm{\φ}+3\mathrm{\π}/2\left)\right);$

从而计算出结构光场的衍射相位φ：

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{I(\mathrm{\π}/2)-I\left(0\right)}{I(3\mathrm{\π}/4)-I(\mathrm{\π}/4)}\right).$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过预设光路输出包含了结构光与参考光干涉后的光束过程包括：

由激光器发出的激光依次经过半波片、1号棱镜与2号棱镜进行扩束准直后，照射到1号偏振分光棱镜上，被分为两束互相垂直的线偏振光；

其中一束向前透过非偏振的分光棱镜照射到空间光调制器上，与空间光调制器相连的电脑屏幕所显示的灰度图会对空间光调制的液晶靶面进行像素尺度的电压调控，改变液晶分子的取向和空间结构从而调控入射光场的相位信息，修饰上相应的相位信息后，由非偏振的分光棱镜反射后经过透镜衍射生成结构光场，再经过三号棱镜射入2号偏振分光镜，作为结构光；

另一束线偏振光反射至反射镜，并被反射至2号偏振分光镜，作为参考光；

结构光和参考光于2号偏振分光棱镜处汇合，再经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而发生干涉。