相移干涉条纹生成系统及其生成方法技术方案

本发明专利技术提出一种相移干涉条纹生成系统及其生成方法，该生成系统包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。该生成方法为基于上述生成系统。该发明专利技术实现了高速、高精度的四幅相移干涉条纹生成，极大程度上解决了以往相移干涉条纹生成装置低速、高额且精度差的问题，同时由于本发明专利技术装置的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。

【技术实现步骤摘要】
相移干涉条纹生成系统及其生成方法
本专利技术属于数字全息领域，尤其涉及一种数字全息的干涉条纹的生成。
技术介绍
数字全息是利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，它将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。首先，使用可干涉距离较长的激光作为光源，使用分光器将一束激光分为两束，由于分光器的物理光学特性，分开的两束激光光波相位可认为相同或者相位差非常微小。其次，其中一束激光不透过任何物体或者不经过物体反射，在空间中传播，称为参照光；而另一束激光透过透明物体或者经过不透明物体的反射后在空间中传播，称为物体光；参照光和物体光传播到另外一个分光器上并进行合成，以相同光轴相同传播方向照射到数字相机传感器的相同位置上。参照光由于无阻碍地在空间中进行传播，照射到数字相机传感器上时的相位可认为与激光器发出的激光初始相位相同，可认为参照光相位值为0；物体光由于经过不透明物体表面反射或者透明物体透射而发生相位的改变。根据光学干涉条件，两列传播方向相同、路径相同、波长相同、相位差恒定、偏振方向相同的光波可在空间中形成明暗相间的干涉条纹，因此参照光和物体光在数字相机传感器表面上形成干涉条纹，其明暗振幅呈余弦波(cos)，其相位取决于物体光和参照光相位差的大小。进一步地，数字相机传感器将干涉条纹进行数字化，以数字图像的形式记录物体光和参照光的干涉条纹。由于数字相机传感器仅能够记录光强信息，因此对于余弦波(cos)振幅变化的干涉条纹，无法分辨物体光和参照光相位差的正与负。而在三维重建时正的相位差表示相对参照平面突起的形状，负的相位差表示相对参照平面凹陷的形状，因此为了精确计算相位差的正与负，必须使用数字菲涅耳衍射变换对干涉条纹进行数学计算，再通过菲涅耳变换域的带通滤波，得到正确的带有符号的相位差。最后，相位差变化2pi(即360°)表示与参照平面产生了一个光波长的距离差(光程差)，这就是干涉测量，利用干涉测量方法，当相位差变化超过2pi时则需要使用相位连接方法，这样就能够实现不透明物体表面形状或者透明物体形状的三维重建。由于可见光的波长单位为纳米，因此，数字全息三维测量能够实现纳米级超精密三维测量。被记录下来的干涉条纹的质量直接决定测量结果的误差以及信噪比。在实际当中，一方面，由玻璃、云母或水晶制成的光学器件，其表面极易产生多次反射，这些反射光线会在数字相机传感器上产生干涉条纹，并作为噪声，与反映物体形变的物体光干涉条纹一同被记录下来，对测量造成极大不利影响。另一方面，数字全息测量中有一种叫做相移数字全息测量法，它通过改变参照光光程(3次，每次1/4光程，也即0.5pi相位值)，记录四幅不同参照光光程的干涉条纹图像，再利用相移法直接计算出带有符号的正确的参照光与物体光的相位差，并代入数字菲涅耳衍射变换，而无需在变换后再经过带通滤波处理，避免了干涉信息的丢失，极大提高了测量精度。但是上述方法存在两个缺点，首先改变参照光光程需要用到压电微变形反射镜，这种反射镜价格昂贵；其次，数字全息三维测量要求压电微变形反射镜一次变形为数十至一百纳米，对于这样的要求，压电微变形反射镜的变形精度低下，所形成的干涉条纹相位差无法保持精确的0.5pi，也就无法高精度的三维测量；最后四幅相移干涉条纹图像不在同一时刻拍摄，且由于压电微变形反射镜的变形低速而导致拍摄缓慢，其过程中容易收到空气流动、环境振动、温度变化等外界因素的影响，例如空气流动会带来干涉条纹的变化，这样四幅干涉条纹的相移差不可能保持精确的0.5pi，对测量结果和测量精度造成极大恶性影响。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种干涉条纹生成系统以及干涉条纹生成方法，该专利技术可在极短时间内完成四幅相移干涉条纹的生成，且保证干涉条纹间相位差的高精度，极大程度上解决了以往干涉条纹生成装置中存在的价格昂贵、精度低下以及生成速度低下的问题，同时由于本专利技术的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。作为本专利技术的进一步优化，所述偏振检波器包括可将圆偏振光与线偏振光互转的调光单元，以及可透过单一方向偏振光的偏振板，所述调光单元与所述偏振板顺次间隔设置。作为本专利技术的进一步优化，所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、透明目标物以及第二非偏振分光器，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。作为本专利技术的进一步优化，所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。作为本专利技术的进一步优化，所述光源的发出光线路径上设置有平面反射镜，该平面反射镜设置于所述分光单元的一侧，且该侧与所述光源分立两侧，经过平面反射镜的光线反射至所述分光单元。作为本专利技术的进一步优化，所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。作为本专利技术的进一步优化，所述调光单元为1/4波长板。作为本专利技术的进一步优化，所述光源与所述分光单元之间设置有1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。一种相移干涉条纹生成方法，基于上述任一实施例所述相移干涉条纹生成系统，包括以下步骤：启动相移干涉条纹生成系统；多次旋转偏振板，使参照光与物体光的相位差形成不同角度，以获得相移干涉条纹图像；根据获得的相移干涉条纹图像，计算相位值。作为本专利技术的进一步优化，在旋转偏振板的步骤中，分四次旋转偏振板，旋转角度相对于初始角度依次为0度、45度、90度和135度，对应的干涉条纹相位变化相对于初始相位的干涉条纹为0度、90度、180度和270度。。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：1、本专利技术的干涉条纹生成系统，通过设置偏振检波器，即可获得四幅相移干涉条纹图像，且高速旋转偏振板即可实时获得相移干涉条纹，极大程度上解决了以往干涉条纹生成装置中存在的价格昂贵、精度低下以及生成速度低下的问题，同时由于本专利技术的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。2、本专利技术的干涉条纹生成系统，由1/4波长板和偏振板组成的偏振检波器价格便宜，相对于昂贵的压电微变形平面镜，成本较低，实现了极高的性价比。附图说明图1为本专利技术相移干涉条纹生成系统的框图示意；图2为本专利技术相移干涉条纹生成系统第一种实施方式的结构示意图；图3为本专利技术相移干涉条纹生成系统第二种实施方式的结构示意图；图4为本专利技术相移干涉条纹生成方法中偏振板相对于初始角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。

【技术特征摘要】
1.一种相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。2.根据权利要求1所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述偏振检波器包括可将圆偏振光与线偏振光互转的调光单元，以及可透过单一方向偏振光的偏振板，所述调光单元与所述偏振板顺次间隔设置。3.根据权利要求1或2所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、透明目标物以及第二非偏振分光器，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。4.根据权利要求1或2所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：于綦悦，王国栋，张祥光，李洋，
申请(专利权)人：青岛全维医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37