飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法

摘要

一种利用飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法。装置构成主要包括飞秒激光源和CCD摄象机及计算机控制和处理系统，所述的方法利用该装置将物体移动前后的散斑场分别用CCD探测器记录下来并储存于计算机中，对移动前的散斑场和移动后的散斑场进行相关性运算，就可以确定出场的移动量；本发明可以对散斑场移动作实时测量；精确到亚像素大小。飞秒激光与分子、生物体的相互作用导致散斑的产生是常见的现象，本发明利用飞秒散斑的信息，可以得知散射体的空间运动信息有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于物体在平面内微小位移的测量，特别是涉及用飞秒激光散斑相关法测量平面内微小位移的装置和方法。

背景技术

激光散斑属于全息干涉现象，它普遍存在于光学成像的过程中，散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产生了许多的应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体运动的速度，利用散斑进行光学信息处理，甚至利用散斑验光等等。激光散斑可以用曝光的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用。

本发明用飞秒激光散斑相关法确定场的移动，物体移动前后的散斑场分别用CCD探测器记录下来并储存于计算机中，对移动前的散斑场和移动后的散斑场进行相关性运算，就可以确定出场的移动量，它不需要进行条纹分析，也不需要对照相干板作处理，这就使得该方法可以对散斑场移动作实时测量，测量位移的精度可以达到亚像素级。比传统的散斑干涉条纹法[J.C.Dainty，“Laser Speckle and Related Phenomena”，Springer-Verlag，1984]操作简单。飞秒激光与分子、生物体的相互作用导致散斑的产生是常见的现象[Wenjun Liu and Changhe Zhou，“Femtosecond laser speckles”，APPLIED OPTICS_Vol.44，No.30，p6506-6510，2005]。本发明通过利用飞秒散斑的信息，得知散射体的空间运动信息有着应用意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种飞秒激光散斑相关法测量物体微小位移的装置和方法，它应具有实时操作，方法简便，精度可以达到亚像素级的要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种用飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置，包括一飞秒激光器，在该飞秒激光器的光束前进方向依次设有第一个透镜、第二个透镜、待测体、CCD探测器，所述的第一个透镜、第二个透镜的焦点重合，所述的CCD探测器的输出端与一计算机的输入端相连，所述的飞秒激光器发射的飞秒激光经过第一个透镜被会聚到焦点，然后经过第二个透镜变成平行光，照射到待测体的表面。

一种飞秒激光散斑相关法测量微小位移的方法，其主要是：

(1)用CCD探测器记录下待测体移动前和移动后的散斑场，移动前的散斑场作为参考场F₁，散射体移动后的散斑场作为移动场F₂，

(2)从F₁和F₂用相关算法计算待测体从S(X，Y)移动到S′(X+ΔX，Y+ΔY)所发生的位移。

所述的飞秒激光散斑相关法测量微小位移的方法，其具体步骤如下：

(1)建立飞秒激光散斑相关法测量平面内微小位移的装置；

(2)由CCD探测器记录下待测体初始状态的散斑场F₁存入计算机，待测体的状态发生变化后，再用CCD探测器记录下此时的散斑场F₂并存入计算机；

(3)利用计算机对初始散斑场F₁进行自相关运算，求自相关的峰值坐标为(x₁，y₁)像素，坐标(x₁，y₁)为散射体的初始位置；

(4)对初始散斑场F₁和待测体变化后的散斑场F₂进行互相关运算，互相关的峰值坐标为(x₂，y₂)像素，则(x₂，y₂)为物体微量移动后的位置；

(5)散斑场的移动量为(Δx，Δy)，Δx＝x₂-x₁，Δy＝y₂-y₁，每个像素的大小为μ微米，CCD的放大率为M，则待测体的位移量为(μΔx/M，μΔy/M)微米。

本发明的工作原理是：

假设观察面任意两点上的散斑光强分布为I(x₁，y₁)，I(x₂，y₂)，光强分布的自相关函数为：

G(x₁，y₁；x₂，y₂)＝<I(x₁，y₁)I(x₂，y₂)>         (1)

其中I(x₁，y₁)表示观察面上任一点Q₁的光强，I(x₂，y₂)表示观察面上另一点Q上的光强，<>表示统计平均值。

I(x，y)＝U(x，y)U*(x，y)             (2)

式中U(x，y)表示光场的复振幅。根据散斑统计学的理论可以得到如下的公式：

G(x₁，y₁；x₂，y₂)＝<I(x₁，y₁)I(x₂，y₂)>+|U(x₁，y₁)U*(x₂，

y₂)|²＝<I>[1+μ(x₁，y₁；x₂，y₂)]             (3)

式中μ(x₁，y₁；x₂，y₂)＝|<U(x₁，y₁)U*(x₂，y₂)>|²/<I>²称做复相干系数。由于激光器出射的光斑为高斯分布的，根据衍射理论可推出复相干系数为：

μ(x₁，y₁；x₂，y₂)＝exp[-(Δx²+Δy²)/S²]              (4)

式中Δx＝(x₂-x₁)，Δy＝(y₂-y₁)，代入(3)式化为

G(x₁，y₁；x₂，y₂)＝<I>²[1+μ(x₁，y₁；x₂，y₂)]＝<I>²{1+

                       exp[-(Δx²+Δy²)/S²]}          (5)

其中S的意义即代表散斑的平均半径。

假设观察面任意一点Q₁上的散斑光强分布为I(x₁，y₁)，当散射体发生变化后，如散射体发生一个微小的平移d＝(d_ξ+d_η)^1/2，观察面任意一点Q₂上的散斑光强分布为I’(x₂，y₂)，光强分布的互相关函数为：

GC(x₁，y₁；x₂，y₂)＝<I(x₁，y₁)I’(x₂，y₂)>          (6)

同上面一样有

I(x，y)＝U(x，y)U*(x，y)                (7)

I’(x，y)＝U’(x，y)U’*(x，y)          (8)

式中U(x，y)和U’(x，y)分别表示两个散斑光场的复振幅。根据散斑统计学的理论我们可以得到两个散斑场的互相关函数为：

在实际测量中由于利用CCD和计算机，因此测量得到的是一组离散化、数字化的光强值(每一个CCD像素得到一个8位二进制的数)，I(i，j)，i＝1，2，…n_x；j＝1，2，….，n_y。n_x和n_y为面阵CCD在水平和垂直方向的像元数，N₀＝n_x×n_y为总像素数。采样完毕后计算散斑场的归一化样本相关函数。样本相关函数定义为

$>>G>>(>l>,>m>)>>=>>1>N>>>\Sigma >>i>=>1>>>n>x>\; >>\Sigma >>j>=>1>>>n>y>\; >I>>(>i>,>j>)>>>(>i>+>l>,>j>+>m>)>>>s>$

其中N＝(n_x-l)(n_y-m)。令：

g(l，m)＝G(l，m)/<I>²，

该g(l，m)称为归一化的样本相关函数。因此我们可以通过CCD测量和样本相关函数的计算来测量散斑的变化，再从散斑的变化得到散射体的位移信息。

经实验表明：本发明方法可以测量物体在平面内的微小位移，实时操作，方法简便，测量精度可以达到亚像素级。

附图说明

图1是本发明装置的示意图

图中：1-飞秒激光器  2-第一会聚透镜  21-第二会聚透镜3-散射体  4-CCD探测器  5-计算机控制及处理系统

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明装置的示意图，由图可见，本发明飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置，包括一飞秒激光器1，在该飞秒激光器1的光束前进方向依次设有第一个透镜2、第二个透镜21、待测体3、CCD探测器4，所述的第一个透镜2和第二个透镜21的焦点重合，所述的CCD探测器4的输出端与计算机5的输入端相连，所述的飞秒激光器1发射的飞秒激光经过第一个透镜2被会聚到焦点，然后经过第二个透镜21变成平行光，照射到待测体3的表面。待测体3用来产生散斑，CCD探测器4用于记录下待测体3移动前和移动后的散斑场，计算机5用于数据处理。

一种飞秒激光散斑相关法测量微小位移的方法，主要是：

(1)用CCD探测器4记录下待测体3移动前和移动后的散斑场，移动前的散斑场作为参考场F₁，散射体3移动后的散斑场作为移动场F₂，

(2)从F1和F2用相关算法计算待测体3从S(X，Y)移动到S′(X+ΔX，Y+ΔY)所发生的位移的过程的实质是：从F₁和F₂中分别截取一个子图像S₁和S₂，用相关算法计算子图像S₁和S₂之间的统计特性的近似性，类似于用参考场S₁对移动场S₂进行扫描，当扫描到S₂中某区域的统计特性与参考场S₁的统计特性相同时，这一区域就是子图像S₁移动后的场S₁′，相关运算的峰值位置就是子图像S₁从(X，Y)移动到S₁′(X+ΔX，Y+ΔY)所发生的位移。

所述的飞秒激光散斑相关法测量平面内微小位移的方法，特征是其具体步骤如下：

(1)建立飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置；

(2)由CCD探测器4记录下待测体3初始状态的散斑场F₁存入计算机5，待测体3的状态发生变化后，再用CCD探测器4记录下此时的散斑场F₂并存入计算机5；

(3)利用计算机5对初始散斑场F₁进行自相关运算，求自相关的峰值坐标为(x₁，y₁)像素，坐标(x₁，y₁)为散射体的初始位置；

(4)对初始散斑场F₁和待测体3变化后的散斑场F₂进行互相关运算，互相关的峰值坐标为(x₂，y₂)像素，则(x₂，y₂)为物体微量移动后的位置；

(5)散斑场的移动量为(Δx，Δy)，Δx＝x₂-x₁，Δy＝y₂-y₁，每个像素的大小为μ微米，CCD的放大率为M，则待测体3的位移量为(μΔx/M，μΔy/M)微米。

经实验表明：本发明方法可以测量物体在平面内的微小位移，实时操作，方法简便，测量精度可以达到亚像素级。