相位波前编码散斑场理论与应用研究

In the traditional theory and applications of laser speckle, the light waves reach the receiving system by the free space diffraction. In this mode with the increasing displacements in horizontal and vertical speckle field, the cross-relation coefficient of the speckle intensity decreases dramatically in the interference field. It would cause the low contrast of the fringes which limits the precision and range of applications in displacement measurement. With coding and modulation in the phase front, this projection explores the atomized transmission and transfer functions to enhance the spatial correlation in the receiving field. It would reduce the impact on the intensity of displacement and raise the image contrast to be applied in large deformation measurements. The main research content of this project is: the impact on the speckle transfer function of coded phase front; the atomized model of coded phase front function; the development of coded-phase optical elements in speckle measurement; the design of coded-speckle detection in enlarged measuring range. The project would achieve the construction of theory model in coded-speckle measuring system and its application in actual projects.

传统的激光散斑理论研究和技术应用中，散斑场光波都是通过空间自由衍射传输到接收系统的。在该传输模式下，随着散斑场在横向和纵向位移量的增大，接收器获得的干涉场的散斑强度互相关系数迅速下降，导致干涉条纹对比度迅速降低，限制了散斑技术进行位移测量的精度和范围。本项目探索采用相位波前编码调制方法，优化散斑场光波到接收系统的传输方式及其传递函数，增强接收面上散斑场的空间相关性，降低物面散斑场位移对散斑强度互相关系数的影响，提高散斑检测的成像对比度并应用于大形变测量。本项目主要研究内容为：相位波前编码对散斑场传递函数的作用；优化的相位波前编码函数模型；散斑测量使用的相位编码光学元件研制；扩展测量范围的编码散斑检测系统设计。项目成果将构建编码散斑测量系统的理论模型，并将之应用到实际工程测量中。

本项目主要完成了几个方面的研究：首先完成了编码散斑相关函数的描述方法研究，研究相位波前编码对散斑场传递函数的作用，以及相位编码元件调制后的散斑场相关函数的描述方法；其次，设计了增强散斑相关性的光学相位编码元件。研究优化的相位波前编码函数模型，并在此基础上研制所需的相位编码光学元件；第三，研究了编码散斑场三维空间相关性的制约关系。通过研究编码散斑场的三维空间相关性，研究了散斑统计尺寸的两个分量长度和宽度之间的制约关系；最后，完成了编码散斑检测技术的实际应用研究。分析了编码散斑场的测量的方法是否适用于散斑检测的各个领域，包括散斑照相、散斑干涉、散斑相关等。研究了编码元件的引入对散斑测量系统其他参数的影响，应用于实际测量系统中的散斑检测方法和实验验证。.通过上述的研究内容，获得了重要的研究结果：首先，散斑干涉技术中，条纹对比度是以形变前后散斑场相关系数为变量的增函数；其次，相位编码能够有效提高形变和位移大范围内散斑场的相关系数，对散斑场退相关的具有很有效的抑制作用；第三，随着编码相位板相位系数的增大，散斑的横向和纵向相关尺寸也随着增大，同时条纹对比度也逐渐降低；编码相位板相位系数在40～80范围内比较合适；第四，焦距越大，散斑的相关尺寸也越大，但同时也降低中央峰值与旁瓣光强比，降低散斑场相关性因此系统的焦距也需要在一个合适的范围。.项目的研究成果对传统的散斑测量技术的进一步发展有重要意义，在国内尚无研究成果；建立的编码散斑场的理论模型对于散斑其它研究领域有指导作用；构建的编码散斑测量方法能够用于实际测量应用，能拓展现有技术的应用范围。