CN101769722B - 一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于激光散斑干涉测量领域的一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法。该方法结合了时间序列散斑干涉测量和外差式干涉测量方法，直接给出时变场的相位函数，并引入频率差，确保形变测量精度。本发明简化了物体变形检测系统，并通过使用铌酸锂偏振控制器更好地适应了高速CCD的存储速度。

Description

一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法

技术领域

本发明涉及激光散斑干涉测量领域，尤其涉及一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法。

背景技术

当激光照射在具有漫反射性质的物体表面时，根据惠更斯原理，物体表面每一点都可以看成一个点光源，从物体表面反射的光在空间相干叠加，就会在整个空间发生干涉，形成随机分布的亮斑和暗斑，称为激光散斑。散斑现象普遍存在于光学成像过程中，随着物体的变形或运动而变化。最初人们主要研究的是如何减少散斑带来的影响，但在研究过程中发现，物体变形前后，散斑有一定的规律，且携带了物体表面变形或位移的信息，逐渐产生了许多应用。20世纪70年代初，激光散斑干涉测量方法得到了发展，它除了具有全息干涉测量方法的非接触式、可以遥感、直观、能给出全场情况等一系列优点外，还具有光路简单，对试件表面要求不高，对实验条件要求较低，计算方便等特点。激光散斑干涉测量技术的用途广泛，除了测量物体的位移、应变外，还可以用于无损探伤、物体表面粗糙度测量、振动测量等方面。

电子散斑干涉(ESPI)是在本世纪初就已经被广泛应用于漫射体表面位移或变形监测的现代光学计量方法。在以往的计量中，它们主要是以强度相关条纹的形式来表征所需要测量的位移或者变形量的，但是由于复杂的环境影响和条纹本身的复杂性与随机性，很难形成统一的条纹处理模式与定量解释方式。为了解决散斑计量中的定量检测问题，在ESPI技术中引入了相移技术(PSESPI)。该方法可以方便地对变形场进行定量检测，但需要同一变形状态下的多幅干涉图进行相位求解。同时相移装置的引入也增加了实验系统的复杂性和对环境噪声的敏感性，因此PSESPI不适合时变环境下的变形检测。载波电子散斑干涉技术(CESPI)是在ESPI装置中引入载波条纹，利用傅里叶变换技术，就可以解调出全场相位，因此它可用于无法使用PSESPI的场合，如连续变形或运动场等。

从传统的散斑法到ESPI、PSESPI和CESPI，位移场的测量都是基于两个状态，即变形前后的状态，都没有涉及到时间参数。随着大容量计算机、高速CCD等设备的出现，使得在一定时间间隔内记录数字序列图像变成了现实。90年代末，德国的C.Joenathan等人提出了一种新的测量物体变形的技术，称为时间序列散斑干涉技术(TSPI)。TSPI是将整个物体变形的全过程记录下来，然后用傅里叶变换技术提取出物体变形的信息，观察物体上每一个点随时间的变化。但是存在的一个问题是，测量精度不高；一旦待测物体上个别点的变形小于5λ，TSPI难以精确测量出这些点的变形。为了解决这个问题，本世纪初C.Joenathan等人又提出了引入恒定的频率差的方法，即外差干涉测量。C.Joenathan使用的产生频差的方法是：激光器射出的线偏振光经过空间滤波后，入射到一个1/2波片和一个1/4波片组成的频移器，其中1/2波片通过外界机械制动，以一定的角频率转动，1/4波片固定不动。当线偏振光经过旋转的1/2波片和固定的1/4波片后，就会变成含有两个频率的正交线偏振光，两束光具有一定的频率差。但是此方法也存在一定的缺点：1、旋转1/2波片属于机械式旋转，稳定性不高，且机械旋转产生的振动对整个光学系统有一定的影响；2、旋转波片时会产生一定的偏摆，使得旋转中的1/2波片所在的平面无法保证在旋转中能够垂直于入射光，对测量过程中的相位会有一定的影响；3、C.Joenathan采用的方法是激光器出射的光先过空间滤波器再过频移器，由于激光过空间滤波器后光束会扩大，而1/2波片和1/4波片由于制造技术的限制，使得通光孔径较小，阻挡了扩束后的激光，使得测量面积减小。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所描述的外差干涉测量技术存在的问题，提出了一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法。

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择He-Ne激光器，输出频率是ω的线偏振光；

步骤二：线偏振光通过偏振控制器后变成含有两个频率的正交线偏振光；

步骤三：上述含有两个频率的正交线偏振光经过空间滤波器进行空间滤波和扩束；

步骤四：扩束后的含有两个频率的正交线偏振光透射过普通分光镜，入射偏振分光棱镜并被分开成两束；

其中一束光被偏振分光棱镜反射向上通过检偏器入射平面反射镜，被反射后再次通过检偏器，在偏振分光棱镜处被反射到普通分光镜处，作为参考光；

另一束光透射过偏振分光棱镜后，入射到待测物体上，发生散射，带有物体变形信息的散射光反射回偏振分光棱镜处并透过它入射到普通分光镜处，作为测量光；

步骤五：所述测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器后干涉，形成物体变形散斑图；该散斑图成像于高速CCD上；

步骤六：对高速CCD获得的散斑图进行傅里叶变换，获得调制频率图和频谱图，其中，通过调制频率图确定物体各个部位变形的方向；通过频谱图获得物体基于时间的变形量。

所述偏振控制器为铌酸锂偏振控制器。

本发明结合了时间序列散斑干涉测量和外差式干涉测量方法的优点，简化了检测系统，很大程度地提高了测量整个物体变形的精度；通过使用铌酸锂偏振控制器更好地适应了高速CCD的存储速度。

附图说明

图1：外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法的光路图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示：光源是He-Ne激光器1，输出频率是ω的线偏振光，耦合进入铌酸锂偏振控制器2中，该偏振控制器通过外加电压得到含有两个频率的正交线偏振光，且通过改变电压改变外差调制频率。含有两个频率的正交线偏振光的琼斯矢量为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{A}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}\mathrm{expi}(\mathrm{\ω}+2{\mathrm{\ω}}_0)t\\ \mathrm{expi}(\mathrm{\ω}-2{\mathrm{\ω}}_0)t\end{array}\right)$

其中，A是振幅。含有两个频率的正交线偏振光通过空间滤波器3进行空间滤波和扩束，然后透射过普通分光镜4，入射到偏振分光棱镜10。在偏振分光棱镜处，含有两个频率的正交线偏振光被分开，一束光被偏振分光棱镜反射向上通过检偏器11入射平面反射镜12，被反射后再次通过检偏器11，在偏振分光棱镜处被反射回到普通分光镜处，称为参考光；另一束光透射过偏振分光棱镜后，入射到待测物体—铁板13上，发生散射，带有物体变形信息的散射光反射回偏振分光棱镜处并透过它入射到普通分光镜处，称为测量光。

测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器5后干涉，形成散斑图。远心成像系统由第一凸透镜6、夹缝7和第二凸透镜8组成，作用是将散斑图成像于高速CCD 9上，高速CCD可将铁板变形的过程记录下来，散斑图强度函数可表示为：

I(x，y，t)＝I₀(x，y){1+Vcos[Φ₀(x，y)+4ω₀t]}

其中，I₀(x，y)是干涉场平均强度，V是对比调制能见度，Φ₀(x，y)是随机相位，4ω₀是前面产生的外差调制频率，用来调制散斑强度。当待测铁板没有变形的时候，外差调制频率4ω₀可在高速CCD上观察到。当铁板发生变形后，上式变为：

$I(x,y,t)=I_0(x,y)\{1+V\cos [{\mathrm{\Φ}}_0(x,y)+4{\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{4\mathrm{\π\Δz}(x,y,t)}{\mathrm{\λ}}\left]\right\}---\left(1\right)$

其中，Δz(x，y，t)是铁板变形函数，当铁板变形时向着偏振分光棱镜靠近时，该值为正；当铁板变形是远离偏振分光棱镜时，该值为负。

时间序列散斑干涉测量就是利用傅里叶变换方法将铁板变形函数提取出来，进而直观的观察铁板的变形。

在一定时间t内的铁板变形函数Δz产生的中值调制频率为：

$f_{\mathrm{med}}(x,y)=\frac{2\mathrm{\Δz}(x,y,t)}{\mathrm{\λt}}$

铁板上不同的点在变形中产生的变形对应不同的中值调制频率，其值将会与外差调制频率相加或者相减，这取决于该点变形的方向。

铁板进行连续的运动后，引起散斑强度的时间调制变化，这个过程被高速CCD采集到大量的散斑图。对高速CCD获得的物体变形散斑强度图进行傅里叶变换，处理数据可获得调制频率图和频谱图。从获得的调制频率的大小可以得出待测物体各个部位变形的方向，调制频率增大则说明该点向着偏振分光镜移动；反之，调制频率减小则说明该点远离偏振分光棱镜。对于频谱图，其形式为：

F{I(x，y)}＝A(f·y)+Q(f+f₀·y)+Q^*(f-f₀·y)     (2)

上式为(1)式的傅里叶变换，对其进行滤波，得到正一级或负一级分量，这里选取正一级分量Q(f+f₀·y)。接着对其进行逆傅里叶变换：

F^-1{Q}＝q(x，y)

其中相位函数Φ(x，y)就包含在q(x，y)中，又：

Φ(x，y)＝tan^-1{Im[q(x，y)]/Re[q(x，y)]}            (3)

其中，Re[q(x，y)]是q(x，y)的实部，Im[q(x，y)]是q(x，y)的虚部，经过(3)式即可得到相位函数：

$\mathrm{\Φ}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_0(x,y)+4{\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{4\mathrm{\π\Δz}(x,y,t)}{\mathrm{\λ}}$

最后对获得的相位函数Φ(x，y)进行展开，即可获得变形函数Δz(x，y，t)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择He-Ne激光器，输出频率是ω的线偏振光；

步骤二：线偏振光通过偏振控制器后变成含有两个频率的正交线偏振光；

步骤三：上述含有两个频率的正交线偏振光经过空间滤波器进行空间滤波和扩束；

步骤四：扩束后的含有两个频率的正交线偏振光透射过普通分光镜，入射偏振分光棱镜并被分开为两束；

其中一束光被偏振分光棱镜反射向上通过检偏器入射平面反射镜，被反射后再次通过检偏器，在偏振分光棱镜处被反射到普通分光镜处，作为参考光；

另一束光透射过偏振分光棱镜后，入射到待测物体上，发生散射，带有物体变形信息的散射光反射回偏振分光棱镜处并透过它入射到普通分光镜处，作为测量光；

步骤五：所述测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器后干涉，形成物体变形散斑图；该散斑图成像于高速CCD上；

步骤六：对高速CCD获得的散斑强度图进行傅里叶变换，获得调制频率图和频谱图，其中，通过调制频率图确定物体各个部位变形的方向；通过频谱图获得物体基于时间的变形量。

2.根据权利要求1所述的一种外差式时间序列散斑干涉测量物体变形的方法，其特征在于，所述偏振控制器为铌酸锂偏振控制器。

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