[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

本發明公開了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，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。本發明利用了渦旋陣列中的密集干涉條紋，較點陣測量方法提高了條紋空間頻率，進而提高了測量靈敏度。

技術領域

本發明涉及物理光學測量技術領域，具體涉及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。

背景技術

渦旋光是具有螺旋型相位波前和相位奇點的空心光束，相位奇點處光波的光強為零，相位圍繞奇點沿垂直于傳播方向呈螺旋狀分布。渦旋光束具有軌道角動量，能夠實現對微粒的操作以及對微小形變的測量。由渦旋光束組成的光渦旋陣列可用于研究陣列奇點的非線性傳播，能夠高效的進行大規模分子篩選、組裝并驅動微機械泵。在亞細胞工程、微型平板印刷、面型微測量、微變形測量等諸多研究和應用領域有潛在的應用前景。

利用平面波干涉法可以產生光學渦旋陣列。通過改進邁克爾遜干涉儀或馬赫-曾德爾干涉儀，三束小角度平面波或具有相同曲率的球面波干涉后也可以產生渦旋陣列。針對光學渦旋陣列中相位奇點位置變化進行精密測量，可形成光學渦旋干涉儀(OVI)，可應用于顯微光刻、超分辨顯示以及三維面型測量等微測量領域。通過對光學渦旋陣列的分析，可以測定物體平動和轉動的角度。在OVI的一束平面波光路中插入已知角度的透明光楔玻璃后，渦旋陣列的結構也會隨之發生變化，通過對變形前后的陣列分析，可以測量波前形變。

光學渦旋陣列變形測量的基本工作原理是采用三束平面波干涉產生規則的光學渦旋點陣，通過標定和測量渦旋點陣的位置變化來確定物體位置的微小變化。目前，對渦旋陣列的分析方法有兩種，一種是通過對比變形前后渦旋點處三角形進行幾何運算的三元組法，另一種是比較變形前后渦旋點所形成的四邊形的變化進行計算的細胞法。與雙光束干涉測量儀相類似，光學渦旋干涉儀OVI根據其獨特的光學性質可以與多種測量技術相結合，其測量的局限性在于其測量精度主要取決于渦旋點陣標定的準確性，另外，利用光學渦旋干涉儀OVI對相位重構時將涉及到相位解包裹問題。

發明內容

為解決現有技術存在的不足，本發明公開了利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，將光學渦旋陣列與電子散斑干涉相結合，三束平面波干涉產生的規則渦旋陣列(光學渦旋陣列發生器，OVLP)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。采集變形前后兩幀條紋圖，運用光流場理論，即可得到兩幀連續圖像之間離面位移相位信息。

同時本發明還公開了利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的系統，通過搭建上述系統架構，能夠實現利用上述方法測量位移信息。

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：

利用渦旋光陣列奇異特性測量物體離面位移的方法，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。

進一步的，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。

進一步的，所述三束平面波的光矢量分別為：