，已知其中三 个偏振片单元的光强值即可算出另一个偏振片单元的光强值，因此也可只制作具有三个相 位延迟量的像素偏振片阵列。
[0041 ]本发明实施例中，用于实现结构光场衍射相位的实时检测方法的光路结构如图2 所示。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。
[0042] 本发明实施例中，空间光调制器用以生成具有特殊拓扑结构光场的光学元件，结 构光场是一种光强、相位等物理信息具有特殊空间分布的电磁波。通过控制空间光调制器 液晶靶面的像素电压可以改变液晶分子的取向，从而可以通过改变入射光场透过该靶面的 光程差来控制和调节光场的相位信息，受到相位调制的光场经过衍射后可以生成有特定空 间结构的目标光场。空间光调制器工作原理如图3所示。
[0043] 本发明实施例中，由集成有像素偏振片阵列的相机进行信号采集，再将采集的图 片中相同透偏振方向单元像素分别取出，可重新组合为四幅图片，如图4所示。其中图4a为 由集成了像素偏振片阵列的相机拍摄的单帧图像，将四种透偏振方向的图像灰度值取出， 重新组合为四幅干涉图像，如图4b所示，分别代表透偏振方向为0, 31/4,31/2,331/4时〇：0所采 集到的图像，其光强值分别为I(〇)，I(V4)，I(V2)，I(3V4)。
[0044] 本发明实施例中，被相机采集的光强与偏振片单元的偏振角有关，如下公式所示：
[0045]
[0046] 其中，I为相机米集的光强，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7Π 的偏振角；
[0047]则有：
[0052]从而计算出结构光场的衍射相位Φ :
[0053]
[0054]当采用图4所示的方式处理图像后可能使图像分辨率降低，因此，可以采用图5所 示的二次线性插值的方法，利用差值平均方法补充数据值，从而恢复成原图的分辨率，再利 用上面的公式计算结构光场的衍射相位Φ。
[0055] 本发明实施例的上述方案主要具有如下优点：
[0056] 1)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；
[0057] 2)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；
[0058] 3)该方法对抗振要求不高，因此使用范围更广。
[0059] 并获得了如下有益效果：
[0060] 1)能够生成并测量得到具有特殊空间结构的光场的光强以及相位信息；
[0061] 2)通过利用空间光调制器在修饰相位上叠加球面波的方法，可以实时获取在光场 传播方向任意截面的光强及相位的信息；
[0062] 3)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。
[0063] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
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 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，V2,3V 4〇3. 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米集到的光强与偏振片单7Π 的偏振角有关，其关系式 为：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兀的偏振角包括:〇，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1(0)，1 (jt/4)，Ι(>/2)，Ι(3π/4):从而计算出结构光场的衍射相位Φ :4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01J9/02, G01J1/42
【公开号】CN105675150
【申请号】CN201610027761
【发明人】张青川, 张云天, 马宣, 伍小平
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月15日