载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法技术

本发明专利技术公开了一种载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法，采用具有同心圆环强度分布的高阶涡旋光束作为探测光束，与探测光束共轭的高阶涡旋光束作为参考光束，二者相干叠加产生二维花瓣状涡旋干涉图；利用匀速旋转的斩波器和成像芯片上写有多环图案的面阵相机将二维干涉图转换为多组一维时域信号；当被测表面未发生形变时，对一维时域信号进行傅里叶变换获得载频信号；当被测表面发生轴对称形变时，多组一维时域信号的傅里叶频谱分别产生相对于载频信号的多普勒频移，定位各多普勒频移获得不同半径处的表面形变速度；通过对速度随时间的积分获得任意时刻的表面形变轮廓，实现轴对称表面形变的动态测量。实现轴对称表面形变的动态测量。实现轴对称表面形变的动态测量。

【技术实现步骤摘要】
载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法


[0001]本专利技术涉及光电测量
，尤其涉及一种载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变的动态测量方法，其应用于机械和热物理动力学中轴对称表面形变的动态检测，实现光学系统中纳米级至微米级的轴对称表面形变测量。

技术介绍

[0002]在纳米到微米尺度上具有轴对称轮廓的非均匀表面变形在微力学和热物理动力学中常见，如受外力作用的微机械表面变形和激光加热引起的材料表面热膨胀/收缩。因此，轴对称表面形变的动态测量对于理解这些动力学具有重要意义。
[0003]光学涡旋干涉仪在表面位移和变形测量中受到了越来越多的关注。涡旋光束与其共轭光束的相干叠加产生花瓣状涡旋干涉图，干涉图的花瓣状条纹随着相移在方位角方向旋转。干涉图旋转的角分辨率所决定的相位反演精度，理论上可以在方位角方向上以2π为自然基准来保证。因此，在光学涡旋干涉仪相位反演中，首选对花瓣状二维干涉图进行像素化形态运算，如花瓣形心识别、图像相关、圆形互相相关、反相关像素差分、主成分分析等。然而，上述形态学操作的成功得益于均匀相移使得旋转过程中保持花瓣状条纹空间不变性，即花瓣状条纹作为一个整体旋转。此外，实际中的角分辨率受到形态运算中像素分辨率的限制，导致相位反演精度不高。
[0004]对于轴对称非均匀表面变形引起的相移，花瓣状条纹在不同半径处以不同角度旋转，导致花瓣扭曲和拉伸，这降低了通过形态操作进行精确相位检索的可行性。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的不足之处，提供一种载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法，其基于分段解调以克服通过形态操作进行精确相位检索的不足之处，实现具有轴对称轮廓的非均匀表面变形的动态测量。
[0006]本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007]本专利技术载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法的特点是：
[0008]采用具有同心圆环强度分布的高阶涡旋光束作为轴对称表面形变测量的探测光束，与探测光束共轭的高阶涡旋光束作为参考光束，所述探测光束与参考光束相干叠加产生二维花瓣状涡旋干涉图，即二维干涉图；
[0009]利用匀速旋转的斩波器和成像芯片上写有多环图案的面阵相机将所述二维干涉图转换为多组一维时域信号，所述成像芯片上的各环半径分别对应高阶涡旋光束的各同心圆环半径；
[0010]当被测表面未发生形变时，所述一维时域信号为载波信号，对所述载波信号通过傅里叶变换获得载频；
[0011]当被测表面发生轴对称形变时，二维干涉图不同半径处的花瓣因具有不同的相移而产生不同的旋转速度，成像芯片上各环对应的一维时域信号的傅里叶频谱分别产生相对
于载频的多普勒频移，各多普勒频移与涡旋光束中各同心圆环的半径相对应；根据所述载频信号定位各多普勒频移获得涡旋光束圆环半径处对应的表面形变速度；
[0012]通过对速度随时间的积分获得任意时刻的表面形变轮廓，实现轴对称表面形变的动态测量。
[0013]本专利技术载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法的特点也在于：所述高阶涡旋光束为拉盖尔高斯光束或贝塞尔光束。
[0014]本专利技术载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法的特点也在于构建测量系统为：
[0015]由激光发射器出射的具有设定波长的激光束经扩束器扩径后通过第一分束器导入空间光调制器，由所述空间光调制器产生高阶涡旋光束；
[0016]所述高阶涡旋光束由第二分束器分为两路涡旋光束，其中一路涡旋光束作为探测光束，另一路涡旋光束作为参考光束；所述探测光束经第三分束器到达被测表面，并经被测表面反射进入第四分束器；所述参考光束经反射镜的镜面反射与第四分束器的出射光结合，使所述两路涡旋光束分别经历奇数次反射和偶数次反射形成共轭，共轭涡旋光束同轴相干叠加产生二维花瓣状涡旋干涉图；
[0017]设置由光学斩波器和成像芯片组成的探测系统，将所述二维干涉图转换成一维时域信号。
[0018]本专利技术载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法的特点也在于：在第一分束器和第二分束器之间设置用于空间滤波的4f系统，所述4f系统由两个焦距相等的镜头和一个可变光阑组成。
[0019]本专利技术载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法的特点也在于：被测表面形变具有轴对称分布，是由中心受外力驱动的平板变形产生，或由激光束诱导材料表面热弹性形变产生。
[0020]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0021]1、本专利技术载波光学涡旋干涉仪利用匀速旋转的斩波器和成像芯片上写有多环图案的面阵相机将二维花瓣状涡旋干涉图转换为一维时域信号；当被测表面未发生形变时，对一维时域信号进行傅里叶变换获得载频；当被测表面发生轴对称形变时，一维时域信号的傅里叶频谱产生相对于载频的多普勒频移，定位多普勒频移获得表面形变速度，通过对速度随时间的积分可获得表面形变轮廓，从而克服了形态运算的局限性。
[0022]2、本专利技术将具有多个同心圆环的高径向阶数的涡旋光干涉仪扩展到轴对称表面形变的动态测量场景；高径向阶数的涡旋光具有不同半径的同心圆环强度分布，成像芯片上的各环半径分别对应高阶涡旋光束的各同心圆环半径；当被测表面发生形变时，成像芯片上各环对应的一维时域信号的傅里叶频谱分别产生相对于载频的多普勒频移，这些多普勒频移与涡旋光束中各同心圆环的半径相对应，定位这些多普勒频移可获得不同半径处的表面形变速度，通过对速度随时间的积分可获得不同半径处的表面形变轮廓，从而将传统光学涡旋干涉仪扩展到轴对称表面形变的动态测量。
附图说明
[0023]图1为本专利技术测量方法光学原理图；
[0024]图2为涡旋光束的同心圆强度分布图和成像芯片上的多环图案；
[0025]图3为被测表面无形变时所得载波时域信号和载波频谱；
[0026]图4为表面轴对称形变的有限元分析结果、拉盖尔高斯光束多环强度分布剖面图和不同半径所对应的表面形变速度；
[0027]图5为表面发生形变时干涉图不同半径处的时域信号；
[0028]图6为表面发生形变时干涉图不同半径处的时域信号的频谱；
[0029]图7为多普勒频移误差和速度误差以及频移和速度的相对误差；
[0030]图8为有限元分析得到的形变和反演得到的形变以及形变误差。
[0031]图中标号：1激光发射器，2空间光调制器，3第一分束器，4为4f系统，5第二分束器，6光束反射镜，7第三分束器，8第四分束器，9光学斩波器，10成像芯片，11被测表面。
具体实施方式
[0032]本实施例载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法是：
[0033]采用具有同心圆环强度分布的高阶涡旋光束作为轴对称表面形变测量的探测光束，涡旋光束为具有多个同心圆环的拉盖尔高斯光束或贝塞尔光束。将探测光束与参考光束通过同轴相干叠加产生二维花瓣状涡旋干涉图，利用匀速旋转的斩波器和成像芯片上写有多环图案的面阵相机将二维花瓣状涡旋干涉图转换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法，其特征是：采用具有同心圆环强度分布的高阶涡旋光束作为轴对称表面形变测量的探测光束，与探测光束共轭的高阶涡旋光束作为参考光束，所述探测光束与参考光束相干叠加产生二维花瓣状涡旋干涉图，即二维干涉图；利用匀速旋转的斩波器和成像芯片上写有多环图案的面阵相机将所述二维干涉图转换为多组一维时域信号，所述成像芯片上的各环半径分别对应高阶涡旋光束的各同心圆环半径；当被测表面未发生形变时，所述一维时域信号为载波信号，对所述载波信号通过傅里叶变换获得载频；当被测表面发生轴对称形变时，二维干涉图不同半径处的花瓣因具有不同的相移而产生不同的旋转速度，成像芯片上各环对应的一维时域信号的傅里叶频谱分别产生相对于载频的多普勒频移，各多普勒频移与涡旋光束中各同心圆环的半径相对应；根据所述载频信号定位各多普勒频移获得涡旋光束圆环半径处对应的表面形变速度；通过对速度随时间的积分获得任意时刻的表面形变轮廓，实现轴对称表面形变的动态测量。2.根据权利要求1所述的载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方法，其特征是：所述高阶涡旋光束为拉盖尔高斯光束或贝塞尔光束。3.根据权利要求1所述的载波光学涡旋干涉仪轴对称表面形变动态测量方...

【专利技术属性】
技术研发人员：董敬涛，李洋洋，赵恩曦，谢丽媛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：