一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉的方法和系统，该方法包括：电子设备控制两个图像传感器采集两幅相移干涉图；电子设备控制空间光调制器引入一次任意相移；电子设备控制两个图像传感器采集另外两幅相移干涉图；电子设备获取四幅相移干涉图和各自的相移量，并根据四幅相移干涉图和各自的相移量计算出待测物品的相位。实施本发明专利技术实施例，能够简化操作，提升抗环境干扰能力，并且能够很好地用于任意未知相移量的测量，避免了对相移量的计算，还能够简单、快速、高精度地解决一个条纹以内的相位测量问题，避免了条纹数量和条纹形状的影响，从而实现震动环境中的相位测量和对缓变对象的动态相位测量。

A method and system for dual channel simultaneous polarization and phase shifting interference in airspace and time domain

The invention relates to a two channel simultaneous space and time domain polarization phase shift interference method and system. The method includes: electronic devices control two image sensors to collect two phase shift interferograms; electronic devices control spatial light modulators to introduce an arbitrary phase shift; electronic devices control two image sensors to collect another two Phase shift interferograms; electronic devices obtain four phase shift interferograms and their respective phase shifts, and calculate the phase of the items to be measured according to the four phase shift interferograms and the respective phase shifts. The implementation of the invention can simplify operation, improve the ability to resist environmental interference, and can be used to measure any unknown phase shift well, avoid the calculation of phase shift, and can solve the problem of phase measurement within a stripe simple, fast and high precision, and avoid the number of stripes and the shape of stripe. The phase measurement in the vibration environment and the dynamic phase measurement of the slowly changing object are realized.

【技术实现步骤摘要】
一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉的方法及系统
本专利技术涉及光学干涉测量或数字全息测量领域，具体涉及一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉的方法及系统。
技术介绍
相移干涉测量技术因其非介入、无损伤、高精度、全场和测量快速等优点，现已被广泛地应用于精密光学元件检测、流体动力学、生物细胞检测、折射率测量、数字全息和定量相位成像等诸多领域。在相移干涉测量方法中，传统的时域多步相移方法具有算法简洁、运算量少、精度高等优势，但是该方法需要在同一空间位置不同时刻采集多幅相移干涉图，因此测量结果容易受到外界的振动、空气扰动和激光器功率变化的影响，并且要求全息图之间相移量已知或相移量在整周期上为等间距，可见传统的方法容易受到环境的干扰并且对同时测量数量有相应的限制，同时，由于实行所需时间长，减缓了测量的效率。随后发展的同时空域相移干涉测量法是利用偏振光学元件对正交偏振光进行相移，在一个或多个图像传感器上同时形成三幅或四幅相移量相差π/2的干涉图，再通过三步或四步相移算法计算出其相位的方法。单一图像传感器实现的同时空域相移的方法可以解决传统相移干涉测量方法易受环境干扰的问题，但是这类方法所需元件特殊、对波长和入射角有选择、对频域分辨率有所限制，不适用于待测相位空间频率变化率较大的对象，可见，上述方法构架繁杂，对测量对象有一定限制。多图像传感器实现的同时空域相移方法主要有四通道法和三通道法。这些方法虽然能最大限度利用空间分辨率，但是需要较多的传感器，因此，方法结构复杂，实现繁难。随着相移干涉术的发展，另一类基于干涉条纹图相互之间关系的自校准算法被相继提出，这类方法能够在任意相移量下直接计算待测量相位，但是这类算法非常耗时，且对干涉条纹的数量以及均匀性有一定的要求，其中的两步解调方法还受到背景项消除的影响，可见，这类方法实现要求高，并且容易受到环境干扰。
技术实现思路
本专利技术实施例公开一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉的方法及系统，通过结合时域相移和空域相移的优点，使得本方法能够抵抗环境干扰，并且能够简单地、快捷地实现动态相位测量。本专利技术实施例第一方面公开了一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉方法，所述方法包括：第一图像传感器在电子设备的控制下接收第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量；第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量；空间光调制器在所述电子设备的控制下进行光调制，得到时域相移量；所述第一图像传感器在所述电子设备的控制下接收第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相移干涉图的相移量为所述时域相移量；所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第四成像偏振光，并形成第四相移干涉图，所述第四相移干涉图的相移量为综合相移量，所述综合相移量是通过所述空域相移量和所述时域相移量计算得到的；所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量，并根据所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量计算得到待测相位，所述待测相位为待测物品的相位。作为一种可选的实施方式，在本专利技术实施例第一方面中，所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量，并根据所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量计算得到待测相位，所述待测相位为待测物品的相位，包括：所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量；其中这四幅相移干涉图分别表示为：其中，I1和I2是所述第一图像传感器采集的所述第一相移干涉图和所述第二相移干涉图，I3和I4是所述第二图像传感器采集的所述第三相移干涉图和所述第四相移干涉图，a(x,y)是相移干涉图的背景，b(x,y)是相移干涉图的振幅，是待测相位；x＝(mx-Mx/2)*Δx和y＝(my-My/2)*Δy是以相移干涉图中心为原点的像素点坐标；其中，每幅相移干涉图的中心相同，并且x方向是以相移干涉图中心为原点建立的平面直角坐标系的水平方向，y方向是以相移干涉图中心为原点建立的平面直角坐标系的垂直方向，Δx和Δy分别是x方向的像素间距和y方向的像素间距；mx＝1,2,3,…,Mx，my＝1,2,3,…,My分别是相移干涉图沿x方向和y方向的像素点的顺序；θ1_1是所述第一图像传感器采集的所述第一相移干涉图的相移量，θ1_2是所述第一图像传感器采集的所述第二相移干涉图的相移量，θ2_1是所述第二图像传感器采集的所述第三相移干涉图的相移量，θ2_2是所述第二图像传感器采集的所述第四相移干涉图的相移量，这四幅图之间的相移量满足如下关系：θ1_1＝0,θ1_2＝θt,θ2_1＝θs,θ2_2＝θs+θt其中θs为所述空域相移量，θt为所述空间光调制器引入的所述时域相移量，当所述空域相移量θs为π/2时，将同一图像传感器采集到的两幅相移干涉图进行相减去除背景，得到：所述电子设备通过下面的反正切函数得到所述待测相位：所述待测相位为待测物品的相位。与现有技术相比，本专利技术实施例具有以下有益效果：本专利技术实施例中，双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统通过四分之一波片产生空域相移量，并通过空间光调制器引入时域相移量，使得图像传感器可以得到四幅具有不同相移量的相移干涉图，并使得电子设备可以通过对上述四幅相移干涉图进行四则运算得出待测物品的待测相位，从而能够简化操作，提升抗环境干扰能力，并且能够很好地用于任意未知相移量的测量，避免了对相移量的计算，同时还能够简单、快速、高精度地解决一个条纹以内的相位测量问题，避免了条纹数量和条纹形状的影响，进而实现了在震动环境中的相位测量和对缓变对象的动态相位测量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。图1是本专利技术实施例公开的一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例公开的另一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉方法的流程示意图；图3是本专利技术实施例公开的一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统的实体结构示意图；图4是本专利技术实施例公开的一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统的示意图；图5是本专利技术实施例公开的另一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统的示意图；图6是本专利技术实施例公开的另一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统的示意图；图7是一幅干涉条纹数量少于一条的干涉图，与通过不同算法对该干涉图进行计算得到的五幅相位分布图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉方法，其特征在于，所述方法包括：第一图像传感器在电子设备的控制下接收第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量；第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量；空间光调制器在所述电子设备的控制下进行光调制，得到时域相移量；所述第一图像传感器在所述电子设备的控制下接收第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相移干涉图的相移量为所述时域相移量；所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第四成像偏振光，并形成第四相移干涉图，所述第四相移干涉图的相移量为综合相移量，所述综合相移量是通过所述空域相移量和所述时域相移量计算得到的；所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量，并根据所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量计算得到待测相位，所述待测相位为待测物品的相位。

【技术特征摘要】
1.一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉方法，其特征在于，所述方法包括：第一图像传感器在电子设备的控制下接收第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量；第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量；空间光调制器在所述电子设备的控制下进行光调制，得到时域相移量；所述第一图像传感器在所述电子设备的控制下接收第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相移干涉图的相移量为所述时域相移量；所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第四成像偏振光，并形成第四相移干涉图，所述第四相移干涉图的相移量为综合相移量，所述综合相移量是通过所述空域相移量和所述时域相移量计算得到的；所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量，并根据所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量计算得到待测相位，所述待测相位为待测物品的相位。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量，并根据所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量计算得到待测相位，所述待测相位为待测物品的相位，包括：所述电子设备获取所述第一相移干涉图、所述第二相移干涉图、所述第三相移干涉图、所述第四相移干涉图、所述空域相移量以及所述时域相移量；其中这四幅相移干涉图分别表示为：其中，I1和I2是所述第一图像传感器采集的所述第一相移干涉图和所述第二相移干涉图，I3和I4是所述第二图像传感器采集的所述第三相移干涉图和所述第四相移干涉图，a(x,y)是相移干涉图的背景，b(x,y)是相移干涉图的振幅，是待测相位；x＝(mx-Mx/2)*Δx和y＝(my-My/2)*Δy是以相移干涉图中心为原点的像素点坐标；其中，每幅相移干涉图的中心相同，并且x方向是以相移干涉图中心为原点建立的平面直角坐标系的水平方向，y方向是以相移干涉图中心为原点建立的平面直角坐标系的垂直方向，Δx和Δy分别是x方向的像素间距和y方向的像素间距；mx＝1,2,3,…,Mx，my＝1,2,3,…,My分别是相移干涉图沿x方向和y方向的像素点的顺序；θ1_1是所述第一图像传感器采集的所述第一相移干涉图的相移量，θ1_2是所述第一图像传感器采集的所述第二相移干涉图的相移量，θ2_1是所述第二图像传感器采集的所述第三相移干涉图的相移量，θ2_2是所述第二图像传感器采集的所述第四相移干涉图的相移量，这四幅图之间的相移量满足如下关系：θ1_1＝0,θ1_2＝θt,θ2_1＝θs,θ2_2＝θs+θt其中θs为所述空域相移量，θt为所述空间光调制器引入的所述时域相移量，当所述空域相移量θs为π/2时，将同一图像传感器采集到的两幅相移干涉图进行相减去除背景，得到：所述电子设备通过下面的反正切函数得到所述待测相位：所述待测相位为待测物品的相位。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：第一非偏振分光棱镜接收第一激光正交偏振光，并反射所述激光正交偏振光；所述空间光调制器接收所述第一非偏振分光棱镜反射的所述第一激光正交偏振光，并反射所述第一激光正交偏振光；所述第一非偏振分光棱镜接收所述空间光调制器反射的所述第一激光正交偏振光，并透射所述第一激光正交偏振光；偏振分光棱镜接收所述第一非偏振分光棱镜透射的所述第一激光正交偏振光，并反射所述第一激光正交偏振光包括的第一垂直偏振光，透射所述第一激光正交偏振光包括的第一水平偏振光；第一平面反射镜接收所述第一垂直偏振光，并反射所述第一垂直偏振光；第二平面反射镜接收所述第一水平偏振光，并反射所述第一水平偏振光；其中，所述第二平面反射镜反射的所述第一水平偏振光为第一参考光波；样品台接收所述第一平面反射镜反射的所述第一垂直偏振光，输出第一物光波；所述样品台上放置待测物品，所述第一物光波是所述第一垂直偏振光透射所述待测物品得到的；第一显微镜接收所述样品台输出的所述第一物光波，并输出第一显微物光波；第二显微镜接收所述第二平面反射镜反射的所述第一参考光波，并输出第一显微参考光波；第二非偏振分光棱镜接收所述第一显微镜输出的所述第一显微物光波和所述第二显微镜输出的所述第一显微参考光波，并输出第一正交偏振光；所述第一正交偏振光包括所述第一显微物光波和所述第一显微参考光波；四分之一波片接收所述第二非偏振分光棱镜输出的所述第一正交偏振光，并输出第一圆偏振光；其中，所述第一圆偏振光包括第一相移显微物光波和所述第一显微参考光波；所述第一相移显微物光波是由所述第一显微物光波相移得到的，所述第一相移显微物光波和所述第一显微参考光波相差的相移量为空域相移量；第三非偏振分光棱镜接收所述四分之一波片输出的所述第一圆偏振光，并反射所述第一圆偏振光，透射所述第一圆偏振光；第一偏振片接收所述第三非偏振分光棱镜反射的所述第一圆偏振光，并输出第一成像偏振光，所述第一成像偏振光是所述第一显微参考光波；第二偏振片接收所述第三非偏振分光棱镜透射的所述第一圆偏振光，并输出第三成像偏振光，所述第三成像偏振光是所述第一相移显微物光波；所述第一图像传感器在电子设备的控制下接收第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量，包括：第一图像传感器在电子设备的控制下接收所述第一偏振片输出的所述第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量；所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量，包括：第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收所述第二偏振片输出的所述第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：激光器发射激光；中性密度衰减片接收所述激光器发射的所述激光，并对所述激光进行衰减得到衰减激光，并输出所述衰减激光；半波片接收所述中性密度衰减片输出的所述衰减激光，并输出第一激光正交偏振光；所述第一非偏振分光棱镜接收第一激光正交偏振光，并反射所述第一激光正交偏振光，包括：第一非偏振分光棱镜接收所述半波片输出的所述第一激光正交偏振光，并反射所述第一激光正交偏振光。5.根据权利要4所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器在所述电子设备的控制下进行光调制，得到时域相移量之后，所述方法还包括：所述空间光调制器输出第二激光正交偏振光；所述第一非偏振分光棱镜接收所述空间光调制器输出的所述第二激光正交偏振光，并透射所述第二激光正交偏振光；所述偏振分光棱镜接收所述第二激光正交偏振光，并反射所述第二激光正交偏振光包括的第二垂直偏振光，透射所述第二激光正交偏振光包括的第二水平偏振光；所述第一平面反射镜接收所述第二垂直偏振光，并反射所述第二垂直偏振光；所述第二平面反射镜接收所述第二水平偏振光，并反射所述第二水平偏振光，所述第二平面反射镜反射的所述第二水平偏振光为第二参考光波；所述样品台接收所述第一平面反射镜反射的所述第二垂直偏振光，输出第二物光波；所述样品台上放置待测物品，所述第二物光波是所述第二垂直偏振光透射所述待测物品得到的；所述第一显微镜接收所述样品台输出的所述第二物光波，并输出第二显微物光波；所述第二显微镜接收所述第二平面反射镜反射的所述第二参考光波，并输出第二显微参考光波；所述第二非偏振分光棱镜接收所述第一显微镜输出的所述第二显微物光波和所述第二显微镜输出的所述第二显微参考光波，并输出第二正交偏振光；所述第二正交偏振光包括所述第二显微物光波和所述第二显微参考光波；所述四分之一波片接收所述第二非偏振分光棱镜输出的所述第二正交偏振光，并输出第二圆偏振光；其中，所述第二圆偏振光包括第二相移显微物光波和所述第二显微参考光波；所述第二相移显微物光波是由所述第二显微物光波相移得到的，所述第二相移显微物光波和所述第二显微参考光波相差的相移量为所述空域相移量；所述第三非偏振分光棱镜接收所述四分之一波片输出的所述第二圆偏振光，并反射所述第二圆偏振光，透射所述第二圆偏振光；所述第一偏振片接收所述第三非偏振分光棱镜反射的所述第二圆偏振光，输出第二成像偏振光，所述第二成像偏振光是所述第二显微参考光波；所述第二偏振片接收所述第三非偏振分光棱镜透射的所述第二圆偏振光，并输出第四成像偏振光，所述第四成像偏振光是所述第二相移显微物光波；所述第一图像传感器在所述电子设备的控制下接收第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相移干涉图的相移量为所述时域相移量，包括：所述第一图像传感器在所述电子设备的控制下接收所述第一偏振片输出的所述第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相移干涉图的相移量为所述时域相移量；所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收第四成像偏振光，并形成第四相移干涉图，所述第四相移干涉图的相移量为综合相移量，所述综合相移量是通过所述空域相移量和所述时域相移量计算得到的，包括：所述第二图像传感器在所述电子设备的控制下接收所述第二偏振片输出的所述第四成像偏振光，并形成第四相移干涉图，所述第四相移干涉图的相移量为综合相移量，所述综合相移量是通过所述空域相移量和所述时域相移量计算得到的。6.一种双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统，其特征在于，所述双通道同时空域和时域偏振相移干涉系统包括第一图像传感器、第二图像传感器、空间光调制器以及电子设备，其中：所述第一图像传感器，用于在所述电子设备的控制下接收第一成像偏振光，并形成第一相移干涉图，所述第一相移干涉图的相移量为参考相移量；所述第二图像传感器，用于在所述电子设备的控制下接收第三成像偏振光，并形成第三相移干涉图，所述第三相移干涉图的相移量为空域相移量；所述空间光调制器，用于在所述电子设备的控制下进行光调制，得到时域相移量；所述第一图像传感器，还用于在所述电子设备的控制下接收第二成像偏振光，并形成第二相移干涉图，所述第二相...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓旭，李娇声，钟丽云，刘胜德，章勤男，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44