CN111121644A - 一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置 - Google Patents

一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置，其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光，另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上，两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布；当物体发生微小位移时两束光的光程差改变，螺旋干涉条纹发生旋转，通过旋转角度可以确定物体的微位移量，该方法可通过观测涡旋光与球面波的螺旋条纹旋转角度，可实时简便的观测物体是否有位移的变化，根据图像处理后获得位移具体值。

Description

一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置
技术领域
本发明属于激光干涉测量技术领域，具体涉及一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置。
背景技术
涡旋光等相位面呈螺旋状，在传播过程中其中心相位具有不确定的点，称为相位奇点，使得光束中心位置的强度分布为零。这些特性使得涡旋光在光学操纵、分辨率显微成像、光通信、量子通信以及光学测量领域都有广泛应用。
光学测量技术以其高精度的光学标准尺度在纳米微位移测量研究中具有重要地位。比较典型的光学测量方法有：X光干涉仪法，各种形式的激光干涉仪，光学光栅法等。但以上光学测量方法观测物体位移变化的可观察的最小变化λ/2，观测范围小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量方法及装置，可以测量纳米级位移，同时可以实时监控物体位移变化。
一种物体微位移测量方法，包括：
将一束激光分成两路后，照射到纯相位工作模式的液晶空间光调制10上，产生拓扑荷数为1的涡旋光；第二路激光照射到被测物体上；采用二维光电探测器探测第一路的涡旋光与第二路从被测物体反射的光产生的干涉条纹；则二维光电探测器探测在被测物体微位移之前和之后分别获得一幅干涉条纹图像；其中，在被测物体产生微位移前，第一路激光与第二路激光的光程相同；
将被测物体位移前的干涉条纹图像与位移后的干涉条纹图像相减，得到的两条螺旋状条纹的交点为旋转中心；
将被测物体位移前的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移前的二值化图中螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第一切线；
将被测物体位移后的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移后的二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第二切线；
计算所述第一切线与第二切线之间的夹角，即得到被测物体位移产生的相位变化
Figure BDA0002343486340000021
通过相位与位移的关系式
Figure BDA0002343486340000022
得到物体的位移量d。
一种物体微位移测量系统，包括：检测模块、激光光源(1)、扩束准直系统(2)、偏振片(3)、第一分光棱镜(4)、透镜(5)、第二分光棱镜(6)、第三分光棱镜(7)、第四分光棱镜(8)、标准反射镜(9)、液晶空间光调制器(10)以及二维光电传感器(11)；标准反射镜(9)固定在被测物体上，用于将光路原路返回；
激光光源(1)产生激光光束，经扩束准直系统(2)，达到第一分光棱镜(4)，第一分光棱镜(4)分光后，其中一束光通过透镜(5)后变为球面波，之后透过第二分光棱镜(6)照射在标准反射镜(9)上，经反射镜(9)反射后光束再由第二分光棱镜(6)反射后到达第四分光棱镜(8)；另一束光透过第三分光棱镜(7)照射在液晶空间光调制器(10)上，产生涡旋光束后反射回第三分光棱镜(7)，再由第三分光棱镜(7)反射后到达分第四分光棱镜(8)；两束光在第四分光棱镜(8)合束后，发生干涉并成像在二维光电传感器(11)；
所述偏振片(3)置于扩束准直系统(2)和第一分光棱镜(4)之间，其偏振方向平行于液晶空间光调制器(10)液晶分子主光轴；
所述检测模块接收二维光电传感器(11)拍摄的物体位移前后的干涉条纹，检测物体产生的位移量，具体包括：
将被测物体位移前的干涉条纹图像与位移后的干涉条纹图像相减，得到的两条螺旋条纹的交点为旋转中心；
将被测物体位移前的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移前二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第一切线；
将被测物体位移后的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移后二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第二切线；
计算所述第一切线与第二切线之间的夹角，即得到被测物体位移产生的相位变化
Figure BDA0002343486340000031
通过相位与位移的关系式
Figure BDA0002343486340000032
得到物体的位移量d。
进一步的，所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。
较佳的，所述的第一分光棱镜(4)、第二分光棱镜(6)、第三分光棱镜(7)和第四分光棱镜(8)的分光比为50:50。
较佳的，所述的二维光电传感器(11)是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。
较佳的，所述的反射式纯相位液晶空间光调制器(10)，受计算机控制加载拓扑荷数为1的涡旋光相息图产生涡旋光束作为参考光。
本发明具有如下有益效果：
基于涡旋光与球面波的干涉原理，公开了一种物体微位移的测量方法及装置。改进马赫泽德干涉光路，其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光，另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上，两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变，螺旋干涉条纹发生旋转，通过旋转角度可以确定物体的微位移量。该方法可通过观测涡旋光与球面波的螺旋条纹旋转角度，可实时简便的观测物体是否有位移的变化，根据图像处理后获得位移具体值。
附图说明
图1为本发明一种基于涡旋光与球面波干涉物体微位移的测量光路系统。
其中，1-激光器，2-准直扩束系统，3-偏振片，4-第一分光棱镜，5-透镜，6-第二分光棱镜，7-第三分光棱镜，8-第四分光棱镜；9-标准反射镜，10-反射式空间光调制器，11-二维光电传感器。
图2为本发明物体位移前拓扑荷数为1的涡旋光与球面波干涉螺旋条纹。
图3为本发明物体位移后拓扑荷数为1的涡旋光与球面波干涉螺旋条纹。
图4为本发明物体位移前后两图干涉螺旋条纹相减后的强度分布。
图5为本发明图像处理后绘制物体位移前旋转中心与干涉螺旋条纹中心起始端面的切线。
图6为本发明图像处理后绘制物体位移后旋转中心与干涉螺旋条纹中心起起始端面的切线。
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。
本发明公开了一种基于涡旋光与球面波干涉的物体微位移测量方法，通过光路结构创新，以马赫泽德干涉仪为基础，将两臂的反射镜换为分光棱镜，使物体与光路垂直实，便于计算物体的位移。使用涡旋光与球面波干涉，干涉螺旋条纹直观显示位移变化，可实时简便的观测物体是否有位移的变化，根据图像处理后获得位移具体值。
如图1所示，一种基于涡旋光与球面波干涉的物体微位移测量系统，包括：检测模块、激光光源1、扩束准直系统2、偏振片3、第一分光棱镜4、透镜5、第二分光棱镜6、第三分光棱镜7、第四分光棱镜8、标准反射镜9、反射式纯相位空间光调制器10以及二维光电传感器11；标准反射镜9固定在被测物体上，用于将光路原路返回；被测物体通过压电陶瓷产生位移。
激光器1产生激光光束，经扩束准直模块2，达到第一分光棱镜，第一分光棱镜分光后，其中一束光通过透镜5后变为球面波，之后透过第二分光棱镜6照射在与压电陶瓷相连的标准反射镜面9，经反射镜9反射后光束再由第二分光棱镜6反射后到达第四分光棱镜8；另一束光透过第三分光棱镜7照射在反射式纯相位液晶空间光调制器8上，产生涡旋光束到达第三分光棱镜7，再由第三分光棱镜7反射后到达分第四分光棱镜8。两束光在第四分光棱镜8合束后，发生干涉，成像在二维光电传感器11，记录下位移前后的干涉图像。
所述偏振片3中作用是匹配反射式液晶空间光调制，反射式纯相位空间光调制器10仅对竖直方向偏振有作用，调整偏振片3角度使其偏振方向平行于液晶空间光调制器10液晶分子主光轴，使得液晶空间光调制器10处于纯相位工作模式。
所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。
所述的分光棱镜4、6、7、8的分光比为50:50。
所述的二维光电传感器11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10，受计算机控制加载拓扑荷数为1的涡旋光相息图产生涡旋光束作为参考光。
检测模块利用二维光电传感器拍摄的物体位移前后的涡旋光与球面波干涉条纹，检测物体产生的位移量。具体包括:
将被测物体位移前的干涉条纹图像(图2)与位移后的干涉条纹图像(图3)相减，如图4所示，得到的图像中有两条螺旋状条纹，该两条条纹的交点即为旋转中心。
如图5所示，将被测物体位移前的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移前二值化图中螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第一切线。
如图6所示，将被测物体位移洁癖的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移后二值化图中螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第二切线；
计算所述第一切线与第二切线之间的夹角，即得到被测物体位移产生的相位变化
Figure BDA0002343486340000061
通过相位与位移的关系式
Figure BDA0002343486340000062
得到物体的位移量d。
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)

1.一种物体微位移测量方法，其特征在于，包括：
将一束激光分成两路后，照射到纯相位工作模式的液晶空间光调制10上，产生拓扑荷数为1的涡旋光；第二路激光照射到被测物体上；采用二维光电探测器探测第一路的涡旋光与第二路从被测物体反射的光产生的干涉条纹；则二维光电探测器探测在被测物体微位移之前和之后分别获得一幅干涉条纹图像；其中，在被测物体产生微位移前，第一路激光与第二路激光的光程相同；
将被测物体位移前的干涉条纹图像与位移后的干涉条纹图像相减，得到的两条螺旋状条纹的交点为旋转中心；
将被测物体位移前的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移前的二值化图中螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第一切线；
将被测物体位移后的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移后的二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第二切线；
计算所述第一切线与第二切线之间的夹角，即得到被测物体位移产生的相位变化
Figure FDA0002343486330000011
通过相位与位移的关系式
Figure FDA0002343486330000012
得到物体的位移量d。
2.一种物体微位移测量系统，其特征在于，包括：检测模块、激光光源(1)、扩束准直系统(2)、偏振片(3)、第一分光棱镜(4)、透镜(5)、第二分光棱镜(6)、第三分光棱镜(7)、第四分光棱镜(8)、标准反射镜(9)、液晶空间光调制器(10)以及二维光电传感器(11)；标准反射镜(9)固定在被测物体上，用于将光路原路返回；
激光光源(1)产生激光光束，经扩束准直系统(2)，达到第一分光棱镜(4)，第一分光棱镜(4)分光后，其中一束光通过透镜(5)后变为球面波，之后透过第二分光棱镜(6)照射在标准反射镜(9)上，经反射镜(9)反射后光束再由第二分光棱镜(6)反射后到达第四分光棱镜(8)；另一束光透过第三分光棱镜(7)照射在液晶空间光调制器(10)上，产生涡旋光束后反射回第三分光棱镜(7)，再由第三分光棱镜(7)反射后到达分第四分光棱镜(8)；两束光在第四分光棱镜(8)合束后，发生干涉并成像在二维光电传感器(11)；
所述偏振片(3)置于扩束准直系统(2)和第一分光棱镜(4)之间，其偏振方向平行于液晶空间光调制器(10)液晶分子主光轴；
所述检测模块接收二维光电传感器(11)拍摄的物体位移前后的干涉条纹，检测物体产生的位移量，具体包括：
将被测物体位移前的干涉条纹图像与位移后的干涉条纹图像相减，得到的两条螺旋条纹的交点为旋转中心；
将被测物体位移前的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移前二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第一切线；
将被测物体位移后的干涉条纹图像进行二值化，再以所述旋转中心位置为起点，向被测物体位移后二值化图中的螺旋状条纹的起始端面做切线，记为第二切线；
计算所述第一切线与第二切线之间的夹角，即得到被测物体位移产生的相位变化
Figure FDA0002343486330000021
通过相位与位移的关系式
Figure FDA0002343486330000022
得到物体的位移量d。
3.如权利要求2所述的一种物体微位移测量系统，其特征在于，所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。
4.如权利要求2所述的一种物体微位移测量系统，其特征在于，所述的第一分光棱镜(4)、第二分光棱镜(6)、第三分光棱镜(7)和第四分光棱镜(8)的分光比为50:50。
5.如权利要求2所述的一种物体微位移测量系统，其特征在于，所述的二维光电传感器(11)是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。
6.如权利要求2所述的一种物体微位移测量系统，其特征在于，所述的反射式纯相位液晶空间光调制器(10)，受计算机控制加载拓扑荷数为1的涡旋光相息图产生涡旋光束作为参考光。
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