專利名稱：飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物體在平面內(nèi)微小位移的測(cè)量，特別是涉及用飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量平面內(nèi)微小位移的裝置和方法。
背景技術(shù)：
激光散斑屬于全息干涉現(xiàn)象，它普遍存在于光學(xué)成像的過程中，散斑攜帶了光束和光束所通過的物體的許多信息，于是產(chǎn)生了許多的應(yīng)用。例如用散斑的對(duì)比度測(cè)量反射表面的粗糙度，利用散斑的動(dòng)態(tài)情況測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的速度，利用散斑進(jìn)行光學(xué)信息處理，甚至利用散斑驗(yàn)光等等。激光散斑可以用曝光的辦法進(jìn)行測(cè)量，但最新的測(cè)量方法是利用CCD和計(jì)算機(jī)技術(shù)，因?yàn)橛么思夹g(shù)避免了顯影和定影的過程，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的目的，在科研和生產(chǎn)過程中得到日益廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明用飛秒激光散斑相關(guān)法確定場(chǎng)的移動(dòng)，物體移動(dòng)前后的散斑場(chǎng)分別用CCD探測(cè)器記錄下來并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，對(duì)移動(dòng)前的散斑場(chǎng)和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，就可以確定出場(chǎng)的移動(dòng)量，它不需要進(jìn)行條紋分析，也不需要對(duì)照相干板作處理，這就使得該方法可以對(duì)散斑場(chǎng)移動(dòng)作實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量位移的精度可以達(dá)到亞像素級(jí)。比傳統(tǒng)的散斑干涉條紋法[J.C.Dainty，“Laser Speckle and Related Phenomena”，Springer-Verlag，1984]操作簡(jiǎn)單。飛秒激光與分子、生物體的相互作用導(dǎo)致散斑的產(chǎn)生是常見的現(xiàn)象[Wenjun Liu and Changhe Zhou，“Femtosecond laser speckles”，APPLIED OPTICS_Vol.44，No.30，p6506-6510，2005]。本發(fā)明通過利用飛秒散斑的信息，得知散射體的空間運(yùn)動(dòng)信息有著應(yīng)用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題提供一種飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量物體微小位移的裝置和方法，它應(yīng)具有實(shí)時(shí)操作，方法簡(jiǎn)便，精度可以達(dá)到亞像素級(jí)的要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置，包括一飛秒激光器，在該飛秒激光器的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有第一個(gè)透鏡、第二個(gè)透鏡、待測(cè)體、CCD探測(cè)器，所述的第一個(gè)透鏡、第二個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合，所述的CCD探測(cè)器的輸出端與一計(jì)算機(jī)的輸入端相連，所述的飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光經(jīng)過第一個(gè)透鏡被會(huì)聚到焦點(diǎn)，然后經(jīng)過第二個(gè)透鏡變成平行光，照射到待測(cè)體的表面。
一種飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的方法，其主要是(1)用CCD探測(cè)器記錄下待測(cè)體移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)，移動(dòng)前的散斑場(chǎng)作為參考場(chǎng)F1，散射體移動(dòng)后的散斑場(chǎng)作為移動(dòng)場(chǎng)F2，(2)從F1和F2用相關(guān)算法計(jì)算待測(cè)體從S(X，Y)移動(dòng)到S′(X+ΔX，Y+ΔY)所發(fā)生的位移。
所述的飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的方法，其具體步驟如下(1)建立飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量平面內(nèi)微小位移的裝置；(2)由CCD探測(cè)器記錄下待測(cè)體初始狀態(tài)的散斑場(chǎng)F1存入計(jì)算機(jī)，待測(cè)體的狀態(tài)發(fā)生變化后，再用CCD探測(cè)器記錄下此時(shí)的散斑場(chǎng)F2并存入計(jì)算機(jī)；(3)利用計(jì)算機(jī)對(duì)初始散斑場(chǎng)F1進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，求自相關(guān)的峰值坐標(biāo)為(x1，y1)像素，坐標(biāo)(x1，y1)為散射體的初始位置；(4)對(duì)初始散斑場(chǎng)F1和待測(cè)體變化后的散斑場(chǎng)F2進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)的峰值坐標(biāo)為(x2，y2)像素，則(x2，y2)為物體微量移動(dòng)后的位置；(5)散斑場(chǎng)的移動(dòng)量為(Δx，Δy)，Δx＝x2-x1，Δy＝y(tǒng)2-y1，每個(gè)像素的大小為μ微米，CCD的放大率為M，則待測(cè)體的位移量為(μΔx/M，μΔy/M)微米。
本發(fā)明的工作原理是假設(shè)觀察面任意兩點(diǎn)上的散斑光強(qiáng)分布為I(x1，y1)，I(x2，y2)，光強(qiáng)分布的自相關(guān)函數(shù)為G(x1，y1；x2，y2)＝<I(x1，y1)I(x2，y2)> (1)其中I(x1，y1)表示觀察面上任一點(diǎn)Q1的光強(qiáng)，I(x2，y2)表示觀察面上另一點(diǎn)Q上的光強(qiáng)，<>表示統(tǒng)計(jì)平均值。
I(x，y)＝U(x，y)U*(x，y) (2)式中U(x，y)表示光場(chǎng)的復(fù)振幅。根據(jù)散斑統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論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稱做復(fù)相干系數(shù)。由于激光器出射的光斑為高斯分布的，根據(jù)衍射理論可推出復(fù)相干系數(shù)為μ(x1，y1；x2，y2)＝exp[-(Δx2+Δy2)/S2] (4)式中Δx＝(x2-x1)，Δy＝(y2-y1)，代入(3)式化為
G(x1，y1；x2，y2)＝<I>2[1+μ(x1，y1；x2，y2)]＝<I>2{1+exp[-(Δx2+Δy2)/S2]} (5)其中S的意義即代表散斑的平均半徑。
假設(shè)觀察面任意一點(diǎn)Q1上的散斑光強(qiáng)分布為I(x1，y1)，當(dāng)散射體發(fā)生變化后，如散射體發(fā)生一個(gè)微小的平移d＝(dξ+dη)1/2，觀察面任意一點(diǎn)Q2上的散斑光強(qiáng)分布為I’(x2，y2)，光強(qiáng)分布的互相關(guān)函數(shù)為GC(x1，y1；x2，y2)＝<I(x1，y1)I’(x2，y2)> (6)同上面一樣有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)分別表示兩個(gè)散斑光場(chǎng)的復(fù)振幅。根據(jù)散斑統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論我們可以得到兩個(gè)散斑場(chǎng)的互相關(guān)函數(shù)為GC(Δx,Δy)=<I>2{1+exp{-Δx+dξ[1+P2/ρ(P1)]S2}exp{-Δy+dη[1+P2/ρ(P1)]S2}}---(9)]]>在實(shí)際測(cè)量中由于利用CCD和計(jì)算機(jī)，因此測(cè)量得到的是一組離散化、數(shù)字化的光強(qiáng)值(每一個(gè)CCD像素得到一個(gè)8位二進(jìn)制的數(shù))，I(i，j)，i＝1，2，…nx；j＝1，2，….，ny。nx和ny為面陣CCD在水平和垂直方向的像元數(shù)，N0＝nx×ny為總像素?cái)?shù)。采樣完畢后計(jì)算散斑場(chǎng)的歸一化樣本相關(guān)函數(shù)。樣本相關(guān)函數(shù)定義為G(l,m)=1NΣi=1nxΣj=1nyI(i,j)(i+l,j+m)]]>
其中N＝(nx-l)(ny-m)。令<I>=1N0Σi=1nxΣj=1nyI(i,j)]]>則g(l，m)＝G(l，m)/<I>2，該g(l，m)稱為歸一化的樣本相關(guān)函數(shù)。因此我們可以通過CCD測(cè)量和樣本相關(guān)函數(shù)的計(jì)算來測(cè)量散斑的變化，再?gòu)纳叩淖兓玫缴⑸潴w的位移信息。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明方法可以測(cè)量物體在平面內(nèi)的微小位移，實(shí)時(shí)操作，方法簡(jiǎn)便，測(cè)量精度可以達(dá)到亞像素級(jí)。


圖1是本發(fā)明裝置的示意中1-飛秒激光器 2-第一會(huì)聚透鏡 21-第二會(huì)聚透鏡3-散射體 4-CCD探測(cè)器 5-計(jì)算機(jī)控制及處理系統(tǒng)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明裝置的示意圖，由圖可見，本發(fā)明飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置，包括一飛秒激光器1，在該飛秒激光器1的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有第一個(gè)透鏡2、第二個(gè)透鏡21、待測(cè)體3、CCD探測(cè)器4，所述的第一個(gè)透鏡2和第二個(gè)透鏡21的焦點(diǎn)重合，所述的CCD探測(cè)器4的輸出端與計(jì)算機(jī)5的輸入端相連，所述的飛秒激光器1發(fā)射的飛秒激光經(jīng)過第一個(gè)透鏡2被會(huì)聚到焦點(diǎn)，然后經(jīng)過第二個(gè)透鏡21變成平行光，照射到待測(cè)體3的表面。待測(cè)體3用來產(chǎn)生散斑，CCD探測(cè)器4用于記錄下待測(cè)體3移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)，計(jì)算機(jī)5用于數(shù)據(jù)處理。
一種飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的方法，主要是
(1)用CCD探測(cè)器4記錄下待測(cè)體3移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)，移動(dòng)前的散斑場(chǎng)作為參考場(chǎng)F1，散射體3移動(dòng)后的散斑場(chǎng)作為移動(dòng)場(chǎng)F2，(2)從F1和F2用相關(guān)算法計(jì)算待測(cè)體3從S(X，Y)移動(dòng)到S′(X+ΔX，Y+ΔY)所發(fā)生的位移的過程的實(shí)質(zhì)是從F1和F2中分別截取一個(gè)子圖像S1和S2，用相關(guān)算法計(jì)算子圖像S1和S2之間的統(tǒng)計(jì)特性的近似性，類似于用參考場(chǎng)S1對(duì)移動(dòng)場(chǎng)S2進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到S2中某區(qū)域的統(tǒng)計(jì)特性與參考場(chǎng)S1的統(tǒng)計(jì)特性相同時(shí)，這一區(qū)域就是子圖像S1移動(dòng)后的場(chǎng)S1′，相關(guān)運(yùn)算的峰值位置就是子圖像S1從(X，Y)移動(dòng)到S1′(X+ΔX，Y+ΔY)所發(fā)生的位移。
所述的飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量平面內(nèi)微小位移的方法，特征是其具體步驟如下(1)建立飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置；(2)由CCD探測(cè)器4記錄下待測(cè)體3初始狀態(tài)的散斑場(chǎng)F1存入計(jì)算機(jī)5，待測(cè)體3的狀態(tài)發(fā)生變化后，再用CCD探測(cè)器4記錄下此時(shí)的散斑場(chǎng)F2并存入計(jì)算機(jī)5；(3)利用計(jì)算機(jī)5對(duì)初始散斑場(chǎng)F1進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，求自相關(guān)的峰值坐標(biāo)為(x1，y1)像素，坐標(biāo)(x1，y1)為散射體的初始位置；(4)對(duì)初始散斑場(chǎng)F1和待測(cè)體3變化后的散斑場(chǎng)F2進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)的峰值坐標(biāo)為(x2，y2)像素，則(x2，y2)為物體微量移動(dòng)后的位置；(5)散斑場(chǎng)的移動(dòng)量為(Δx，Δy)，Δx＝x2-x1，Δy＝y(tǒng)2-y1，每個(gè)像素的大小為μ微米，CCD的放大率為M，則待測(cè)體3的位移量為(μΔx/M，μΔy/M)微米。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明方法可以測(cè)量物體在平面內(nèi)的微小位移，實(shí)時(shí)操作，方法簡(jiǎn)便，測(cè)量精度可以達(dá)到亞像素級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種用飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置，其特征在于包括一飛秒激光器(1)，在該飛秒激光器(1)的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有第一個(gè)透鏡(2)、第二個(gè)透鏡(21)、待測(cè)體(3)、CCD探測(cè)器(4)，所述的第一個(gè)透鏡(2)、第二個(gè)透鏡(21)的焦點(diǎn)重合，所述的CCD探測(cè)器(4)的輸出端與計(jì)算機(jī)(5)的輸入端相連，所述的飛秒激光器(1)發(fā)射的飛秒激光經(jīng)過第一個(gè)透鏡(2)被會(huì)聚到焦點(diǎn)，然后經(jīng)過第二個(gè)透鏡(21)變成平行光，照射到待測(cè)體(3)的表面。
2.一種飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的方法，其特征是(1)用CCD探測(cè)器(4)記錄下待測(cè)體(3)移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)，移動(dòng)前的散斑場(chǎng)作為參考場(chǎng)F1，散射體(3)移動(dòng)后的散斑場(chǎng)作為移動(dòng)場(chǎng)F2，(2)由F1和F2用相關(guān)算法計(jì)算待測(cè)體(3)從S(X，Y)移動(dòng)到S′(X+ΔX，Y+ΔY)所發(fā)生的位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的方法，其特征是具體步驟如下(1)建立飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置；(2)由CCD探測(cè)器(4)記錄下待測(cè)體(3)初始狀態(tài)的散斑場(chǎng)F1存入計(jì)算機(jī)(5)，待測(cè)體(3)的狀態(tài)發(fā)生變化后，再用CCD探測(cè)器(4)記錄下此時(shí)的散斑場(chǎng)F2并存入計(jì)算機(jī)(5)；(3)利用計(jì)算機(jī)(5)對(duì)初始散斑場(chǎng)F1進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，求自相關(guān)的峰值坐標(biāo)為x1，y1像素，坐標(biāo)x1，y1為散射體的初始位置；(4)對(duì)初始散斑場(chǎng)F1和待測(cè)體(3)變化后的散斑場(chǎng)F2進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)的峰值坐標(biāo)為x2，y2像素，則x2，y2為待測(cè)體微量移動(dòng)后的位置；(5)散斑場(chǎng)的移動(dòng)量為Δx，Δy，Δx＝x2-x1，Δy＝y(tǒng)2-y1，每個(gè)像素的大小為μ微米，CCD的放大率為M，則待測(cè)體(3)的位移量為μΔx/M，μΔy/M微米。
全文摘要
一種利用飛秒激光散斑相關(guān)法測(cè)量微小位移的裝置和方法。裝置構(gòu)成主要包括飛秒激光源和CCD攝象機(jī)及計(jì)算機(jī)控制和處理系統(tǒng)，所述的方法利用該裝置將物體移動(dòng)前后的散斑場(chǎng)分別用CCD探測(cè)器記錄下來并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，對(duì)移動(dòng)前的散斑場(chǎng)和移動(dòng)后的散斑場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，就可以確定出場(chǎng)的移動(dòng)量；本發(fā)明可以對(duì)散斑場(chǎng)移動(dòng)作實(shí)時(shí)測(cè)量；精確到亞像素大小。飛秒激光與分子、生物體的相互作用導(dǎo)致散斑的產(chǎn)生是常見的現(xiàn)象，本發(fā)明利用飛秒散斑的信息，可以得知散射體的空間運(yùn)動(dòng)信息有重要意義。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1844844SQ20061002662
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者周常河, 劉文軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所