[發明專利]利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法及系統

有效

• 申請號: 201611016625.2
• 申請日: 2016-11-11
• 公開（公告）號: CN106767427B
• 公開（公告）日: 2018-10-12
• 發明（設計）人: 孫平;薛婧璇;趙冉
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

1.利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，包括以下步驟：

利用三束具有不同波前傾斜的平面波干涉產生光學渦旋陣列，作為物光；

在光路中加入平面波作為參考光；

當物光與參考光干涉時，在點陣中形成密集的“叉”形渦旋光干涉條紋；

采集物體變形前后兩幅干涉條紋，運用光流場理論，即得到兩幀連續圖像之間離面位移相位信息。

2.如權利要求1所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，在產生光學渦旋陣列時，三個反射鏡各成一定的微小角度，以物面中心為坐標原點，水平方向取作x軸，豎直方向為y軸，觀察方向沿z軸方向，為簡便運算，取三個平面波的光矢量相對于z軸對稱，其截面形成等邊三角形ΔABC，光矢量與z軸的夾角相同，設為γ，令設三個平面鏡M1、M2和M3反射的平面光由ΔABC的A、B和C點射向被測物面，由空間幾何關系知三束平面波的光矢量。

3.如權利要求2所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，所述三束平面波的光矢量分別為：

其中k是光矢量的模，為2π/λ，λ為入射光的波長。

4.如權利要求1所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，三束平面波復振幅記為表達為

式中A₀(x，y，z，t)為振幅，為簡化運算可取為常數，記為A₀，記為是三光束分別對物面上某觀察點P(x，y)的相位角；

三光束分別對物面上某觀察點P(x，y)的相位角可以表示為

其中表示三束光針對物面上某觀察點P(x，y)的位置矢量，是三束光對點P(x，y)的光矢量，λ為入射光的波長，k_ix三束光對點P(x，y)的在x方向的光矢量，k_iy三束光對點P(x，y)的在y方向光矢量，k_iz三束光對點P(x，y)的在z方向光矢量。

5.如權利要求4所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，三束平面波相干疊加后物面上復振幅為形成的光強I_O(x，y，z，t)視為物光，記為I_O，在xoy(z＝0)面上的表達式為

由于三束平面波經由同一光波分光得到，圓頻率ω相同，將(3)式代入(4)式得

由式(5)看出，光學渦旋陣列看成與x軸垂直的一維光柵和與x軸成±30°的一維光柵的調制疊加，將該光學渦旋陣列投影到物面，實現物面的渦旋陣列編碼。

6.如權利要求5所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，假設物面上形成的渦旋編碼陣列在成像過程中以平行光的方式沿著z軸傳播，與反射的平面參考光干涉，平面參考光光矢量其中θ為光矢量相對于z軸的入射角度，平面參考光表達為

像面z處記錄到的復振幅為忽略透鏡孔徑對光波傳輸的影響，在像平面z處記錄干涉條紋，I(x，y，z，t)的表達式為

I(x，y，z，t)表示在渦旋陣列中由于干涉形成的干涉條紋的光強。

7.如權利要求3所述的利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，其特征是，設物體加載后物面上點P(x，y)的位移為變形引入的相位差為由于靈敏度矢量為觀察方向的矢量與照明光矢量的向量差，i＝1、2、3，故三束平面波引入的相位差分別為

觀察方向沿z軸方向，故設物體形變的面內位移遠小于離面位移，為簡化運算，只考慮離面位移d_z，物體發生離面位移d_z后，三束平面光波各自引入的相位差都相同，將式(1)分別代入式(7)，三束平面光波各自引入的相位差表達式相同，記為