一种针对结构光场衍射相位的实时检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种针对结构光场衍射相位的实时检测方法，包括：
[0008] 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 对准；
[0009] 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。
[0010] 进一步的，所述像素偏振片阵列中相邻的每2X2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，分别为〇，V4，V2,3V4。
[0011] 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：
[0012] 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：
[0013]
[0014] ,. , ________________________^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；
[0015] 像素偏振片阵列中偏振片单元的偏振角包括:0，V4，V2，3 V4，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 (〇)，I(jt/4)，I(V2)，I(3V4):
[0020] 从而计算出结构光场的衍射相位Φ :
[0021]
[0022] 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：
[0023] 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 至1Jl号偏振分光棱镜上，被分为两束互相垂直的线偏振光；
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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。
[0027] 由上述本发明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】
[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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。
[0029] 图1为本发明实施例提供的像素偏振片阵列的结构示意图；
[0030] 图2为本发明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；
[0031] 图3为本发明实施例提供的空间光调制器工作原理图；
[0032] 图4为本发明实施例提供的由单帧图像拆分为四幅图像的示意图；
[0033] 图5为本发明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】
[0034] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
[0035] 本发明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：
[0036] 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 对准；
[0037] 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。
[0038] 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 单元后各个偏振方向的光强的器件，通常与感光元件(CCD或CMOS)搭配使用从而获得包含 由该微偏振片阵列测得的各偏振分量的干涉条纹图像，并可以进行实时相移分析。
[0039] 本发明实施例提供的像素偏振片阵列的结构如图1所示，所述像素偏振片阵列1中 相邻的每2X2偏振片单元11构成一个子单元12,子单元12内四个偏振片单元11的偏振方向 不同，分别为〇，V4，V2,3jt/4。
[0040] 每个子单元内的四个偏振片单元所获得的光强值并不是相互独立的