CN110487212B - 一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置，由激光器发出的光，经过扩束准直及两个偏振片后，采用泰曼格林系统，在分光棱镜处，一束经扩束透镜组达到空间光调制器调制后发射产生涡旋光束作为参考光，另一束经过被测透明物体后经标准反射镜反射后，或直接经测量面型物体反射，与参考光在分光棱镜处合束，在光电传感器接收面上形成干涉图样；利用相位公式计算得到物体面型；本发明采用泰曼格林系统使空间光调制器与光轴垂直，该角度下空间光调制器的衍射效率达到最大，生成的涡旋光与物光干涉效果质量好。本发明将涡旋光与泰曼格林系统相结合，结构简单，易于操作，相移更加精确，相比现在技术有较大的进步。

Description

一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置。

背景技术

涡旋光束是一种新型的光束，它具有螺旋形波前结构，同时其每一个光子均携带有轨道角动量。涡旋光束的光束中心具有相位奇点，使得其横截面光强呈一环状中空分布。常见的涡旋光束有拉盖尔—高斯光束、贝塞尔光束等。由于涡旋光束具有螺旋相位，其相位分布是螺旋形的[0,2π]分布，因此可以通过设计涡旋光相位旋转角实现相移，从而用相移干涉技术检测物体二维面型情况。空间光调制器作为一种可以避免机械运动且能够在极短时间内改变其相移量的方法，而被广泛的作为相移器件使用，但此方法产生相移的实际测量相位值总在一个小范围内波动，对测量精度产生一定影响。用空间光调制器产生的涡旋光是通过相位角度来实现相移，而非相位值的变化产生相移，从理论上来说，在保证旋转角度精确的情况下，更有利于提高相移精度，从而减小对物体面型测量产生的误差。同时，采用涡旋光与泰曼格林系统相结合的检测装置，更有利于使实际中产生的涡旋光达到高衍射率，系统相移稳定性增强，与物光干涉效果好，从而使测量精确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置，可以精确检测物体面型。

一种检测物体面型装置，包括检测模块、激光光源(1)、扩束准直模块(2)、分光棱镜(5)、扩束透镜组(6)、反射式纯相位液晶空间光调制器(7)、成像透镜(9)以及二维光电传感器(10)；

所述激光光源(1)用于产生激光光束，经扩束准直模块(2)扩束和准直处理后，送入分光棱镜(5)；

分光棱镜(5)将接收的光线分成反射光束和透射光束，其中：

透射光束照射到被测物体(8)后，反射光束再次经分光棱镜(5)反射到成像透镜(9)，并经其聚焦到二维光电传感器(10)上；

反射光束给扩束透镜组(6)，进行光束扩束并准直处理后，送给反射式纯相位液晶空间光调制器(7)，反射式纯相位液晶空间光调制器(7)将其调制成不同初始相位涡旋光，透过分光棱镜(5)后再经成像透镜(9)聚焦到二维光电传感器(10)上；

所述二维光电传感器(10)接收两路光束叠加形成的干涉图样；检测模块根据所述干涉图样检测被测物体(8)的面型。

进一步的，当被测物体(8)为透明物体时，还包括标准平面镜(11)，置于被测物体(8)之后。

较佳的，所述检测模块检测被测物体(8)的面型时，先获得被测物体(8)表面上各点的相位

具体公式为：

其中，(x,y)表示涉图样上各点的坐标，I_n(x,y)表示第n个涡旋光相移下干涉图样上点(x,y)的光强；δ表示不同相位涡旋光每次相移的步长；l表示涡旋光的拓扑荷数，θ表示涡旋光的方位角；N表示涡旋光相移的总次数；

然后再对被测物体(8)表面各点的相位

进行解包裹，得到被测物体(8)的面型。

较佳的，所述反射式纯相位液晶空间光调制器(7)每个周期内均产生不同相位涡旋光，执行多个周期后，则所述检测模块再检测被测物体(8)的面型，获得被测物体(8)表面上点(x,y)的相位

具体公式为：

式中，I_mn(x,y)表示第m个周期第n次相移后光电探测器(10)探测到的点(x,y)的光强；

然后检测模块再对被测物体(8)表面个点的相位

进行解包裹，得到被测物体(8)的面型。

进一步的，还包括第二偏振片(4)，用于接收经扩束准直模块(2)出射光束，将其调整为线偏振状后，送入分光棱镜(5)。

较佳的，所述第二偏振片(4)的偏振方向与反射式纯相位液晶空间光调制器(7)的液晶光轴方向一致。

进一步的，还包括第一偏振片(3)，通过调整自身与第二偏振片(4)的偏振角度的夹角来调整光强。

本发明具有如下有益效果：

本发明公开了一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置，主要是基于涡旋光的螺旋相位角度变化产生不同步长的相移，从而产生不同初始相位的涡旋光束作为参考光，与物光干涉，测得物体面型。由激光器发出的光，经过扩束准直及两个偏振片后，采用泰曼格林系统，在分光棱镜处，一束经扩束透镜组达到空间光调制器调制后发射产生涡旋光束作为参考光，另一束经过被测透明物体后经标准反射镜反射后，或直接经测量面型物体反射，与参考光在分光棱镜处合束，在光电传感器接收面上形成干涉图样。通过拍取多个周期干涉图样、利用相位公式计算得到物体面型。其中系统中的空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器，用于加载涡旋光相息图，产生不同相位的涡旋光，利用相位角度变化产生相移，相比相位值变化产生相移较精确，适用于精密测量。本发明采用泰曼格林系统使空间光调制器与光轴垂直，该角度下空间光调制器的衍射效率达到最大，生成的涡旋光与物光干涉效果质量好。本发明将涡旋光与泰曼格林系统相结合，结构简单，易于操作，相移更加精确，相比现在技术有较大的进步。

附图说明

图1为本发明基于涡旋光螺旋相位相移干涉物体面型检测装置。

图2为本发明基于涡旋光螺旋相位相移干涉透明物体面型检测装置。

图3为本发明用于加载在反射式纯相位液晶空间光调制器产生涡旋光的相息图，这里涡旋光的拓扑荷数l＝1。

图4为本发明被测面型为小锥角，拓扑荷数l＝1的涡旋光束与平面波干涉的图样示意图。

其中，1-激光光源、2-扩束准直模块、3-第一偏振片、4-第二偏振片、5-分光棱镜、6-扩束透镜组、7-反射式纯相位液晶空间光调制器、8-被测物体、9-成像透镜、10-二维光电传感器、11-标准平面镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种基于涡旋光螺旋相位相移干涉检测物体面型装置，包括：检测模块、激光光源1、扩束准直模块2、第一偏振片3、第二偏振片4、分光棱镜5、扩束透镜组6、反射式纯相位液晶空间光调制器7、成像透镜9以及二维光电传感器10。

激光光源1产生激光光束，经扩束准直模块2扩束和准直处理后，再依次经过第一偏振片3和第二偏振片4；分光棱镜5用于分光与合束，其中，将从第二偏振片4接收的光线分成反射光路和透射光路；反射光路中光束经扩束透镜组6，将光束扩束并准直处理，反射式纯相位液晶空间光调制器7接收扩束透镜组6处理后的光束，随时间将其调制成不同初始相位涡旋光，再将其反射回分光棱镜5，经其透射后，最后经成像透镜9聚焦到二维光电传感器10上；透射光路中光束经被测物体8反射回分光棱镜5后，经成像透镜9聚焦到二维光电传感器10上；二维光电传感器10接收反射光路和透射光路中光束叠加形成的干涉条纹。

所述空间光调制器置于XYZ的三维调节的调整架上，用于调整入射光光轴和空间光调制器7液晶面尽量垂直和光斑照射在液晶面中央；空间光调制器7、二维光电传感器10与计算机控制端相连。

所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。

所述的两个偏振片角度，先根据通电后反射式液晶空间光调制器7的液晶方向确定第二片偏振片4的方向，由于反射式纯相位液晶空间光调制器7要求入射光为线偏振光，偏振方向需与空间光调制器7液晶分子光轴方向一致，空间光调制器7才达到最大调制量。通电后空间光调制器7液晶分子光轴方向固定，遮挡物光这一臂的光束，通过旋转偏振片4方向观察单个涡旋光的形状，由于涡旋光束光强为环形分布，偏振片4与液晶分子光轴一致时，涡旋光光强显示为标准的圆环形，偏振片4与液晶分子光轴垂直时，空间光调制器7没有调制作用，显示为圆斑，偏振方向与液晶分子光轴为其他角度时，涡旋光光强显示为中心有不同强度背景色的模糊圆环形，当涡旋光束显示为圆斑时，记录偏振片(偏振片框上有刻度)某一度数的位置之后旋转90°，确定该位置为第二片偏振片4的位置。然后根据第二片偏振片4，调节光强确定第一片偏振片3的位置，第一片偏振片3主要用于调节光路整体光强，第二片偏振片4由空间光液晶决定了其固定的位置，转动第一片偏振片3，其与第二片偏振片4形成不同角度时，由于偏振作用会使整个光路的光强发生变化，从而可以改善干涉条纹的对比度。

所述的分光棱镜5的分光比为50:50。

所述的二维光电传感器10是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。

所述的反射式纯相位液晶空间光调制器7，受计算机控制加载不同相位角度的涡旋光相息图，可产生初始相位不同的涡旋光束计算机生成N种不同相位角度的涡旋光相息图，如图3所示，相邻两幅相息图的相移为δ；则将N幅相息图加载到空间光调制器7后，空间光调制器7对接收的光束进行相位调制，根据相息图，产生N种不同相位角度的涡旋光，作为参考光；其中相移步长为δ＝2π/N；

检测模块利用二维光电传感器10获得的干涉图样检测被测物体8的面型，具体为：

平面波沿z轴传播波动方程为：

E＝Acos(kz-ωt)

其中，k＝2π/λ，ω＝2πν，λ为光的波长，ν表示光的频率，A表示平面波的振幅。

平面波分光后，参考光经过反射式纯相位液晶空间光调制器7后调制成为涡旋光束，另一束为物光，两束光的表示式分为：

E₁＝Acos(lθ+kz-ωt)

E₂＝Acos(kz-ωt)

其中，E₁为涡旋光束，E₂表示物光光束。l表示表示涡旋光的拓扑荷数，θ表示涡旋光的方位角。lθ表示涡旋光的螺旋相位分布，在固定的空间位置上，lθ的二维分布是确定，它是以[-π,π]的相位值，呈极坐标分布的二维分布。

由于设置泰曼格林系统两臂的距离是一致的，在光电传感器的二维面上的平面波与涡旋光干涉函数，表达式为

其中，A表示振幅，l表示表示涡旋光的拓扑荷数，θ表示涡旋光的方位角，此处θ为设计的第一幅涡旋光初始相位的二维分布，即二维相息图对应的二维相位值。δ表示涡旋光的相移的步长，n表示相移的次数，Δφ(x,y)表示所测二维面型的相位分布。

用傅里叶级数拟合二维面上的平面波与涡旋光干涉函数表达式为：

利用相位提取法得到相位表达式：

因此，

式中，N为相移步数，且相移步长

在计算过程中，根据光斑大小，绘制了lθ二维相位分布矩阵与加载的在空间光调制器的第一幅相息图分布是一致的，最后通过对求得的相位进行解包裹获得被测物体的真实面型，如图4所示。

为了消除大气湍流、振动及漂移的影响，进一步降低噪声，可以测量m个周期的数据进行累加平均，加入周期后的相位表达式为

式中，I_mn(x,y)表示第m个周期第n次相移后光电探测器探测的干涉光强，最后通过对求得的相位，进行解包裹获得被测物体的真实面型。

本发明的装置还可以测量被测物体8为透明物体的面型；需要在被测物体8之后放置标准平面镜11，标准平面镜11和分光棱镜5距离需要与反射式纯相位液晶空间光调制器7和分光棱镜5距离相同。经分光棱镜5将光束透射至被测物体8上，透射光束穿过被测物体8，打到标准平面镜11上，经其反射后进入分光棱镜5以后的成像过程与非透明的被测物体8相同，具体算法也相同。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种检测物体面型装置，其特征在于，包括检测模块、激光光源(1)、扩束准直模块(2)、分光棱镜(5)、扩束透镜组(6)、反射式纯相位液晶空间光调制器(7)、成像透镜(9)以及二维光电传感器(10)；

所述激光光源(1)用于产生激光光束，经扩束准直模块(2)扩束和准直处理后，送入分光棱镜(5)；

分光棱镜(5)将接收的光线分成反射光束和透射光束，其中：

透射光束照射到被测物体(8)后，反射光束再次经分光棱镜(5)反射到成像透镜(9)，并经其聚焦到二维光电传感器(10)上；

反射光束给扩束透镜组(6)，进行光束扩束并准直处理后，送给反射式纯相位液晶空间光调制器(7)，反射式纯相位液晶空间光调制器(7)将其调制成不同初始相位涡旋光，透过分光棱镜(5)后再经成像透镜(9)聚焦到二维光电传感器(10)上；

所述二维光电传感器(10)接收两路光束叠加形成的干涉图样；检测模块根据所述干涉图样检测被测物体(8)的面型；

所述检测模块检测被测物体(8)的面型时，先获得被测物体(8)表面上各点的相位

具体公式为：

其中，(x,y)表示涉图样上各点的坐标，I_n(x,y)表示第n个涡旋光相移下干涉图样上点(x,y)的光强；δ表示不同相位涡旋光每次相移的步长；l表示涡旋光的拓扑荷数，θ表示涡旋光的方位角；N表示涡旋光相移的总次数；

然后再对被测物体(8)表面各点的相位

进行解包裹，得到被测物体(8)的面型。

2.如权利要求1所述的一种检测物体面型装置，其特征在于，当被测物体(8)为透明物体时，还包括标准平面镜(11)，置于被测物体(8)之后。

3.如权利要求1或2所述的一种检测物体面型装置，其特征在于，所述反射式纯相位液晶空间光调制器(7)每个周期内均产生不同相位涡旋光，执行多个周期后，则所述检测模块再检测被测物体(8)的面型，获得被测物体(8)表面上点(x,y)的相位

具体公式为：

式中，I_mn(x,y)表示第m个周期第n次相移后光电探测器(10)探测到的点(x,y)的光强；

然后检测模块再对被测物体(8)表面个点的相位

进行解包裹，得到被测物体(8)的面型。

4.如权利要求1或2所述的一种检测物体面型装置，其特征在于，还包括第二偏振片(4)，用于接收经扩束准直模块(2)出射光束，将其调整为线偏振状后，送入分光棱镜(5)。

5.如权利要求4所述的一种检测物体面型装置，其特征在于，所述第二偏振片(4)的偏振方向与反射式纯相位液晶空间光调制器(7)的液晶光轴方向一致。

6.如权利要求4所述的一种检测物体面型装置，其特征在于，还包括第一偏振片(3)，通过调整自身与第二偏振片(4)的偏振角度的夹角来调整光强。

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