CN108827176A - 一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，利用偏振分光棱镜，扩束镜，1/4波片和偏振片建立偏振四步相移光路，在相移过程中通过旋转2个偏振片分别实现0°、90°、180°和270°四步相移并采集相应散斑图像，随后通过四步相移算法恢复初始时刻的随机相位场。和传统时间相移方法相比，所述方法利用两个可旋转的偏振片替代压电陶瓷，避免压电陶瓷的迟滞、非线性以及蠕变干扰，可采集到稳定的散斑图像，实现精确的随机相位提取。

Description

一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法
技术领域
本发明涉及数字散斑干涉技术领域，具体涉及一种用于数字散斑干涉技术的偏振相移方法。
背景技术
数字散斑干涉技术利用参考光与物体表面漫反射物光发生相互干涉产生散斑图像，通过测量物体受载变形前后的干涉相位变化来实现物体表面的变形测量，具有非接触、测量范围大和灵敏度高等优点，在材料及结构的三维形变、应力应变测量和振动分析等方面具有广泛的应用。为了测量物体变形，如何从散斑图像中提取随机相位是数字散斑干涉的关键技术之一。目前常用的相位提取方法有时间相移法、空间相移法和空间载波法。时间相移法和空间相移法分别在不同时刻和不同空间位置引入固定相位差，通过采集具有固定相位差的散斑图像再根据特定算法(如三步、四步相移法)提取随机相位分布。空间载波法则在频域引入载波使得包含变形信息的高频可以与低频背景分离，再通过傅里叶变换及反正切算法提取随机相位分布。空间相移法和空间载波法可实现动态变形测量，但前者不同位置采集的图像需要严格校准，后者高低频谱的分离也很难实现准确自动化，因此，时间相移法是目前广泛被采用的相位提取方法。在实际工程中，时间相移法一般通过压电陶瓷移动产生固定相位差，但受压电陶瓷的迟滞、非线性以及蠕变特性的影响，采集的散斑图像存在不稳定的现象。本发明利用两个可旋转的偏振片替代压电陶瓷，通过固定安装的两个1/4波片实现四步时间相移法。
发明内容
针对以上出现的问题，本发明提供一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，利用偏振分光棱镜，扩束镜，波片和偏振片搭建偏振相移光路，在相移过程中通过旋转偏振片分别实现0°、90°、180°和270°相移并采集相应散斑图像，随后根据四步相移算法恢复初始时刻的随机相位场。
本发明的技术方案：一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，所述方法包括：
A.构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置的步骤；
B.利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤；
C.利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤。
优选的，所述的构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置，包括：
A1.激光器，将产生相干光源；
A2.偏振态发生光路，其中所述偏振态发生光路包括两个偏振分光棱镜，在所述第一偏振分光棱镜的透射方向包括平面镜、扩束镜和第一偏振片；
在所述第一偏振分光棱镜的反射方向包括第二偏振片，在所述第一偏振片和所述第二偏振片的光轴相交位置设置第二偏振分光棱镜；
A3.偏振四步相移光路，所述偏振四步相移光路包括沿所述第二偏振分光棱镜的光轴方向依次设置共轴的第一1/4波片和第二1/4波片和第三偏振片和第四偏振片；
A4.摄像机，所述摄像机具体包括一个镜头和成像器件。
优选的，所述偏振四步相移光路中的第一1/4波片和第二1/4波片固定，其中所述第一1/4波片光轴与所述第二偏振分光棱镜光轴平行，所述第二1/4波片光轴与所述第一1/4波片光轴成45°，第三偏振片和第四偏振片绕第一1/4波片光轴旋转。
优选的，所述的利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤，包括：
B1.获取初始相位图像I1；
B2.获取振幅减半的90°相移图像I2；
B3.获取180°相移图像I3；
B4.获取振幅减半的270°相移图像I4。
优选的，所述的利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤，包括：根据所采集的四步相移图像，计算物光和参考光干涉后的随机相位场为：
本发明的有益效果：本发明一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法利用两个可旋转的偏振片替代压电陶瓷，避免压电陶瓷的迟滞、非线性以及蠕变干扰，可采集到稳定的散斑图像，实现精确的随机相位提取。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明用于数字散斑干涉偏振相移装置的结构示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，所述方法包括：
A.构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置的步骤；
B.利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤；
C.利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤。
图1所示为本发明用于数字散斑干涉偏振相移装置的结构示意图，如图1所示，所述的构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置，包括：
A1.激光器101，将产生相干光源；
A2.偏振态发生光路001，其中所述偏振态发生光路001包括第一偏振分光棱镜102，在所述第一偏振分光棱镜102的透射方向包括平面镜104、扩束镜105和第一偏振片106；
在所述第一偏振分光棱镜102的反射方向包括第二偏振片103，在所述第一偏振片106和所述第二偏振片103的光轴相交位置设置第二偏振分光棱镜107；
其中所述第一偏振分光棱镜102将激光器101产生的激光分成两束分别用作物光和参考光；其中所述物光的一个方向上的光经平面镜104和扩束镜105投射到被测物表面113，其投射到被测物表面113的反射光线经第一偏振片106至第二偏振分光棱镜107，同时参考光经第二偏振片103直接进入第二偏振分光棱镜107；最后第二偏振分光棱镜107将振动方向和传播方向都正交的物光和参考光汇合，形成调制圆偏振光或椭圆偏振光。
A3.偏振四步相移光路002，所述偏振四步相移光路002包括与所述第二偏振分光棱镜107平行方向依次设置共轴的第一1/4波片108和第二1/4波片109和第三偏振片110和第四偏振片111；
所述偏振四步相移光路002中的第一1/4波片108和第二1/4波片108固定，其中所述第一1/4波片108光轴与所述第二偏振分光棱镜107光轴平行(即与x轴成0°)，所述第二1/4波片109光轴与所述第一1/4波片108光轴成45°(与x轴成45°)，第三偏振片110和第四偏振片111绕与第一1/4波片光轴垂直方向旋转。
A4.摄像机112，所述摄像机112具体包括一个镜头和成像器件(如CCD或CMOS)。所述摄像机将对从偏振相移光路传播过来的带有固定相移的参考光和物光成像，形成数字图像。
B.利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤，其中所述的利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤，包括：
B1.获取初始相位图像：旋转第三偏振片110和第四偏振片111使得第三偏振片110光轴与x轴成0°，第四偏振片111光轴与x轴成0°，成像光路采集散斑图像记为I1。假设沿物光和参考光的振幅分别为A1和A2，两束光的相位差为则
B2.获取振幅减半的90°相移图像：旋转第三偏振片110和第四偏振片111，使得第三偏振片110光轴与x轴成45°，第四偏振片111光轴与x轴成0°，成像光路采集散斑图像记为I2且
B3.获取180°相移图像：旋转第三偏振片110和第四偏振片111，使得第三偏振片110光轴与x轴成90°，第四偏振片111光轴与x轴成90°，成像光路采集散斑图像I3且
B4.获取振幅减半的270°相移图像：旋转第三偏振片110和第四偏振片111，使得第三偏振片110光轴与x轴成135°，第四偏振片111光轴与x轴成90°，成像光路采集散斑图像I4且
C.利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤，其中根据所采集的四步相移图像，计算物光和参考光干涉后的随机相位场为：
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，所述方法包括：
A.构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置的步骤；
B.利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤；
C.利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤。
2.根据权利要求1所述的用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，其特征在于，所述的构建数字散斑干涉的偏振四步相移装置，包括：
A1.激光器，将产生相干光源；
A2.偏振态发生光路，其中所述偏振态发生光路包括两个偏振分光棱镜，在所述第一偏振分光棱镜的透射方向包括平面镜、扩束镜和第一偏振片；
在所述第一偏振分光棱镜的反射方向包括第二偏振片，在所述第一偏振片和所述第二偏振片的光轴相交位置设置第二偏振分光棱镜；
A3.偏振四步相移光路，所述偏振四步相移光路包括与所述第二偏振分光棱镜平行方向依次设置共轴的第一1/4波片和第二1/4波片和第三偏振片和第四偏振片；
A4.摄像机，所述摄像机具体包括一个镜头和成像器件。
3.根据权利要求2所述的用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，其特征在于，所述偏振四步相移光路中的第一1/4波片和第二1/4波片固定，其中所述第一1/4波片光轴与所述第二偏振分光棱镜光轴平行，所述第二1/4波片光轴与所述第一1/4波片光轴成45°，第三偏振片和第四偏振片绕与第一1/4波片光轴垂直方向旋转。
4.根据权利要求1所述的用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，其特征在于，所述的利用所述偏振四步相移装置获取偏振四步相移图像的步骤，包括：
B1.获取初始相位图像I1；
B2.获取振幅减半的90°相移图像I2；
B3.获取180°相移图像I3；
B4.获取振幅减半的270°相移图像I4。
5.根据权利要求4所述的用于数字散斑干涉技术的偏振四步相移方法，其特征在于，所述的利用所述偏振四步相移图像获取随机相位的步骤，包括：根据所采集的四步相移图像，计算物光和参考光干涉后的随机相位场为：
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