CN100410624C - 对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法。该方法的步骤为(1)通过单光束照明的电子散斑干涉系统对具有对称变形的物体进行测量，采用载波调制和傅里叶方法、或者相移方法得到物体变形的相位图；(2)对变形相位图进行镜像翻转、反相运算后得到第二幅相位图，对两幅相位图进行解包络、图像复位、叠加以及代数运算后分离出面内位移场和离面位移场，获得物体的二维变形场的分量值。本发明仅对一幅相位图进行相应运算就可实现二维位移场分离，从而得到物体的二维位移场的分量值。该方法为近似计算方法，但是系统简单，为二维测量提供了一种快速、稳定的检测方法。

Description

对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法

技术领域

本发明涉及对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法，属于采用电子散斑干涉测量物体变形二维分量的技术领域。

技术背景

电子散斑干涉测量技术可以精确测量物体的变形场，具有精度高、非接触、对隔震要求低等优点，在物体的静、动态测量中得到广泛应用。但目前典型的电子散斑干涉技术只能测量物体的一维变形。由于物体的变形是三维的，常常需要测量物体的二维或三维变形分量。但在已有的研究成果中，单光束照明的电子散斑干涉只能获得离面位移场或者混合场，不能测量物体的二维或三维变形分量。物体的二维位移分量的测量，其实验系统往往比较复杂，通常采用对称光束照明或者多光束照明的方式。复杂的光学系统增加了测量的不确定度，不利于实现物体位移场的快速、稳定的测量，从而限制了该技术在工业等领域的某些应用。事实上很多物体的变形场是具有对称性的，可以根据变形场对称的特点，通过图像处理的办法，由单光束照明测量得到的相位场中分离获得二维的变形分量。

发明内容

本发明针对现有电子散斑干涉技术存在只能测量物体的一维变形的问题，提供一种能够快速、稳定地测量对称变形场物体变形二维分量的对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法。

本发明对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法的步骤为：

(1)通过单光束照明的电子散斑干涉系统对具有对称变形的物体进行测量，采用载波调制和傅里叶方法、或者相移方法得到物体变形的相位图；

(2)对变形相位图进行镜像翻转、反相运算后得到第二幅相位图，对两幅相位图进行解包络、图像复位、叠加以及代数运算后分离出面内位移场和离面位移场，获得物体的二维变形场的分量值。

本发明采用相移或者载波调制和傅里叶解调的方法得到变形的相位场。根据变形场对称的特点，仅对一个位移方程进行变化就可实现相位场的分离运算，也就是仅通过对这一幅相位图进行相应运算就可实现二维位移场分离，从而得到物体的二维位移场的分量值。该方法为近似计算方法，但是系统简单，简化了测量过程，也减少了测量时间，为二维测量提供了一种快速、稳定的检测方法。该方法适用对称变形的情况，可使物体对称变形场的二维检测变地更简单，便于应用。

附图说明

图1为典型的电子散斑干涉系统光路示意图。

图2为周边固定、中心加载的铝制圆盘的对称变形场特征示意图。

图3为大剪切电子散斑干涉系统结构示意图。

图4为物体变形前载波条纹图像。

图5为物体加载变形后，载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲后的载波条纹图。

图6为通过傅立叶变换法得到的变形场的包络相位图。

图7为将相位图水平镜像旋转180度并将其反相后的包络相位图。

图8为分离出的面内位移场的条纹图。

图9为分离出的离面位移场的条纹图。

图10为离面位移场等位移线图。

图11为面内位移场等位移线图。

图中：1、激光器，2、半透半反镜，3、反射镜，4、反射镜，5、反射镜，6、扩束镜，7、扩束镜，8、摄像头，9、半透半反镜，10、透镜，11、圆盘，12、激光器，13、扩束镜，14、大剪切棱镜，15、透镜，16、摄像头，17、偏振片，18、参考物。

具体实施方式

实施例

要获得位移场的分量值，一般采用对称照明的方法。即改变下式(1)中入射角度的符号，并实现二幅相位场的测量，通过相位分离计算得到位移场的分量值。若测量的对象是对称变形，则可以通过将相位图翻转、求反相获得第二幅相位图，二幅相位代数计算即可分离位移场分量。对称变形的物体例子在工程测量中常常遇见，本实施例以周边固定、中心加载的圆盘为物体例说明本发明的位移场分量分离。

典型的单光束照明电子散斑干涉系统如图1所示，包括激光器1、反射镜3、4和5、扩束镜6和7、透镜10、半透半反镜2和9以及摄像头8。它测量的是物体变形的混合场。当入射到待测物体表面的照明光束的入射角是θ很小或者垂直时，测量得到的是离面位移分量。物体表面变形引起的相位变化可由位移分量和入射角θ表示：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[w(1+\cos \mathrm{\θ})+u\sin \mathrm{\θ}]---\left(1\right)$

式(1)中，w表示物体的离面位移，u代表物体的面内位移水平分量。

当物面饶y轴翻转后，式(1)中的三个变量变化。物面翻转后，表面的法线方向沿z轴的反方向，则有θ变化为-θ，w变化为-w，u不变化。

将变化后的变量代入式(1)，则物面翻转后的相位为

${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{inv}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left\{(-w)\right[1+\cos (-\mathrm{\θ})]+u\sin (-\mathrm{\θ})\}$

$=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[w(1+\cos \mathrm{\θ})+u\sin \mathrm{\θ}]---\left(2\right)$

式(2)说明，当物面翻转后，变形相位与原相位反相。

图2所示的是周边固定、中心加载的铝制圆盘11的对称变形场特征示意图，P(x，y)点对应的相位变化如式(1)所示。将圆盘11翻转后，P(x，y)点旋转到了y轴的对称点P′(-x，y)点。当旋转前的相位图与旋转后的相位图复位叠加运算时，原相位图的P(x，y)点相位与旋转后相位图上的P′(-x，y)点相位叠加。由于变形具有对称性，假定P(x，y)点与其对称点P′(-x，y)的位移大小近似相同，则在旋转前的同一张相位图上，P′(-x，y)点的离面位移w大小方向均保持不变，与P(x，y)点相同；而其面内位移分量u的大小不变但方向不同，与P(x，y)点面内位移u的方向相反。因此，考虑形变的影响后，由式(2)可得旋转后的相位图上的P′(-x，y)点相位为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{inv}}^{\′}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[w(1+\cos \mathrm{\θ})-u\sin \mathrm{\θ}]---\left(3\right)$

将式(1)和式(3)相加，可得到面内位移分量：

$\mathrm{\Δ\φ}+{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{inv}}^{\′}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}u\sin \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

将式(1)和式(3)相减，可得到物体变形的离面位移：

$\mathrm{\Δ\φ}-{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{inv}}^{\′}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}w(1+\cos \mathrm{\θ})---\left(5\right)$

可见，在变形对称的情况下，只要一幅由相移方法或者载频调制法得到的变形相位图，就可以求解w场和u场的信息。

用如图3所示的大剪切电子散斑干涉系统对圆盘11进行测量，大剪切电子散斑干涉系统包括激光器12、扩束镜13、大剪切棱镜14、透镜15、摄像头16、偏振片17和参考物18。激光器12的激光光源为He-Na，光源波长为0.6328μm。圆盘11厚2mm，直径为60mm，中心用千分尺加载。参考物18为漫散射物面，可在步进电机的驱动下作微小偏转。被测物和参考物由入射角度θ为47°的扩束光照明，物面和参考面产生的散斑场经大剪切棱镜14和偏振片17在摄像头16的靶面上干涉叠加。

首先，旋转参考物18，引入载波条纹，如图4所示。然后物体加载，载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲，如图5所示。通过傅立叶变换法得到变形场的相位图，如图6所示。根据变形场对称性，将相位图水平镜像旋转180度并将其反相，如图7所示。经相位解包络计算得二幅解包络相位图，二幅解包络相位图叠加并图像复位，运用式(4)和式(5)，可分离出面内位移相位场和离面位移相位场。为了方便对照，根据分离出的相位场重建成条纹图的形式，图8为面内位移场的条纹图，图9为离面位移场条纹图。图10和图11分别为离面位移场等位移线图和面内位移场等位移线图。其中横坐标与纵坐标的范围为50mm，位移单位为微米。

本发明利用典型的单光束照明电子散斑系统，采用相移或者载波调制和傅里叶解调的方法得到变形的相位场。根据变形场对称的特点，仅通过对这一幅相位图进行相应运算就可实现二维位移场分离，从而得到物体的二维位移场的分量值。

该方法适用对称变形的情况，可使物体对称变形场的二维检测变得更简单，便于应用。为电子散斑干涉技术应用于实际检测提供了一种新的途径。

Claims (1)

1. 一种对称变形场的单光束电子散斑干涉二维检测方法，其特征是该方法的步骤为：

(1)通过单光束照明的电子散斑干涉系统对具有对称变形的物体进行测量，采用载波调制和傅里叶方法、或者相移方法得到物体变形的相位图；

(2)对变形相位图进行镜像翻转、反相运算后得到第二幅相位图，对两幅相位图进行解包络、图像复位、叠加以及代数运算后分离出面内位移场和离面位移场，获得物体的二维变形场的分量值。

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