[发明专利]利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法及系统

权利要求书

1.利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，包括以下步骤：

利用三束具有不同波前倾斜的平面波干涉产生光学涡旋阵列，作为物光；

在光路中加入平面波作为参考光；

当物光与参考光干涉时，在点阵中形成密集的“叉”形涡旋光干涉条纹；

采集物体变形前后两幅干涉条纹，运用光流场理论，即得到两帧连续图像之间离面位移相位信息。

2.如权利要求1所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，在产生光学涡旋阵列时，三个反射镜各成一定的微小角度，以物面中心为坐标原点，水平方向取作x轴，竖直方向为y轴，观察方向沿z轴方向，为简便运算，取三个平面波的光矢量相对于z轴对称，其截面形成等边三角形ΔABC，光矢量与z轴的夹角相同，设为γ，令设三个平面镜M1、M2和M3反射的平面光由ΔABC的A、B和C点射向被测物面，由空间几何关系知三束平面波的光矢量。

3.如权利要求2所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，所述三束平面波的光矢量分别为：

其中k是光矢量的模，为2π/λ，λ为入射光的波长。

4.如权利要求1所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，三束平面波复振幅记为表达为

式中A₀(x，y，z，t)为振幅，为简化运算可取为常数，记为A₀，记为是三光束分别对物面上某观察点P(x，y)的相位角；

三光束分别对物面上某观察点P(x，y)的相位角可以表示为

其中表示三束光针对物面上某观察点P(x，y)的位置矢量，是三束光对点P(x，y)的光矢量，λ为入射光的波长，k_ix三束光对点P(x，y)的在x方向的光矢量，k_iy三束光对点P(x，y)的在y方向光矢量，k_iz三束光对点P(x，y)的在z方向光矢量。

5.如权利要求4所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，三束平面波相干叠加后物面上复振幅为形成的光强I_O(x，y，z，t)视为物光，记为I_O，在xoy(z＝0)面上的表达式为

由于三束平面波经由同一光波分光得到，圆频率ω相同，将(3)式代入(4)式得

由式(5)看出，光学涡旋阵列看成与x轴垂直的一维光栅和与x轴成±30°的一维光栅的调制叠加，将该光学涡旋阵列投影到物面，实现物面的涡旋阵列编码。

6.如权利要求5所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，假设物面上形成的涡旋编码阵列在成像过程中以平行光的方式沿着z轴传播，与反射的平面参考光干涉，平面参考光光矢量其中θ为光矢量相对于z轴的入射角度，平面参考光表达为

像面z处记录到的复振幅为忽略透镜孔径对光波传输的影响，在像平面z处记录干涉条纹，I(x，y，z，t)的表达式为

I(x，y，z，t)表示在涡旋阵列中由于干涉形成的干涉条纹的光强。

7.如权利要求3所述的利用涡旋光阵列奇异特性测量物体离面位移的方法，其特征是，设物体加载后物面上点P(x，y)的位移为变形引入的相位差为由于灵敏度矢量为观察方向的矢量与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别为

观察方向沿z轴方向，故设物体形变的面内位移远小于离面位移，为简化运算，只考虑离面位移d_z，物体发生离面位移d_z后，三束平面光波各自引入的相位差都相同，将式(1)分别代入式(7)，三束平面光波各自引入的相位差表达式相同，记为