一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术公开的方法，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ+2α))]]>其中，Is为结构光场的光强，Ir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(0)=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ));]]>I(π/4)=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ+π/2));]]>I(π/2)=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ+π));]]>I(3π/4)=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ+3π/2));]]>从而计算出结构光场的衍射相位φ：φ=arctan(I(π/2)-I(0)I(3π/4)-I(π/4)).]]>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。由上述本专利技术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专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例提供的像素偏振片阵列的结构示意图；图2为本专利技术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为本专利技术实施例提供的空间光调制器工作原理图；图4为本专利技术实施例提供的由单帧图像拆分为四幅图像的示意图；图5为本专利技术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，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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=12(Is+Ir+2IsIrcos(φ+2α))]]>其中，Is为结构光场的光强，Ir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)：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，张云天，马宣，伍小平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34