CN102221342A - 一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法，结合了时域散斑干涉测量技术、外差式干涉测量技术和多波长测量技术。引入多波长以扩大测量范围，引入外差以保证测量精度，时域技术可以直接给出时变场的相位函数。本发明中精简了物体变形检测系统，使用了两个中心波长不同的激光器，实现多波长测量，扩大了测量范围。

Description

一种时域多波长外差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技术领域，特别是涉及一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法。

背景技术

当激光照射到具有漫反射表面的物体时，从物体表面漫反射回来的高强度的相干光会发生干涉，形成随机分布的亮斑和暗斑，被命名为“散斑”。最初，散斑被视为一种干扰，因为它严重影响到了激光的分辨率。因此人们在激光使用中努力减少散斑的产生。20世纪60年代末，研究发现散斑携带的一些有用信息，人们开始意识到散斑不仅是一种噪声，也可能是不可多得的随机编码的手段，利用它可以对表面进行编码和检测。随后，科学家们开始研究散斑特有的性质，逐渐发展成为一门在现代光学测量中具有重要作用和实用价值的新技术——散斑测量技术。随着科技的不断发展，散斑测量技术因其具有全场性、高精度、非接触、高灵敏度、不避光、实施快速和在线检测等特点，在测量变形、震动、位移、粗糙度、强度和刚度中用途广泛，在机械、土木、航空航天、兵器工业和生物医学领域的检测中具有重要的地位。

电子散斑干涉测量技术(ESPI)发明于上世纪七十年代，本世纪初已广泛应用于漫反射物体的变形或位移测量。ESPI技术中，散斑干涉场由光电器件转换成电信号记录下来，并利用电子手段实时处理和显示信息。同光学的实现方法相比，ESPI具有操作简单、自动化程度高、实用性强，可以进行静态和动态测量。在ESPI最初的计量中，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变形量。但是条纹本身的复杂性与随机性，使得很难形成统一的条纹处理模式和定量解释方式。为了解决散斑计量中的定量检测问题，在ESPI技术中引入相移方法(PSESPI)，尽管该方法能够很容易地对变形场进行定量检测，但它需要同一变形状态下的多幅干涉图进行相位求解，较难适用于时变境下的变形检测，同时增加了系统的复杂性和环境对测量的影响。散斑相关法只能测量微小的变形或位移，因为当变形较大时会改变散斑场的微观结构，导致子图像的相关性变差。变形越大，相关性越差、相关系数越小，相关系数的单峰性也越来越不明显，同时在主峰的周围出现大的次峰，有时甚至出现次峰比主峰还高的情形，这时进行相关峰搜索就会出现误判，得出错误的测量结果。

从传统的散斑干涉测量到电子散斑测量，数字散斑干涉测量等技术，都无法避免两个问题：一是上述技术都只是记录了变形或者位移前后的两个状态，没有涉及到时间参量，不能进行实时测量；二是在保证测量精度的情况下，测量范围有限。针对这一问题，上世纪九十年代，德国的C.Joenathan等人提出了一种时间序列散斑干涉测量技术(TSPI)。TSPI技术是把物体位移或者形变的整个过程用摄像机记录下来，拍摄一系列散斑干涉图。通过后期处理将一系列散斑干涉图提取相位信息，最后从相位信息中得到每个时间点的位移或者形变量。TSPI是一项很有发展前景的技术。该技术的最大优势是可以完成对动态变形物体的实时测量，而这是传统的ESPI技术所不具备的。该技术的问题是当测量点的形变或者位移量达到5λ，就难以准确测量该点的形变或者位移。为此，C.Joenathan等人在TSPI技术中又引入了恒定频率差，即外差时间序列散斑干涉测量技术(HTSPI)。C.Joenathan引入外差的方法是：在激光器的线偏振光通过空间滤波后，加入由一个旋转的1/2波片和一个固定的1/4波片组成的移频器，形成具有两个频率的正交线偏振光。1/2波片的旋转依靠外界机械驱动。该方法在较大程度上提高了系统的抗干扰性，提高了系统的测量精度，但依然需要进行相位展开(Phase Unwrapping)，相位模糊(Phase ambiguity)的问题依旧存在，因而该方法并没有有效的扩大测量范围。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种有效的解决现有HTSPI技术中所存在问题的方法，有效的扩大测量范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法，有效的实现了多波长测量，扩大了测量范围。

为了解决上述问题，本发明公开了一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法，所述方法包括：

选择两台中心波长不同的半导体激光器，输出频率分别是ω₁和ω₂的线偏振光；

两束线偏振光通过偏振控制器后，每束光都变成具有两个频率的正交线偏振光；

两束分别含有两个频率的正交线偏振光通过空间滤波器进行空间滤波和扩束；

扩束后的线偏振光透射过普通分光镜，入射到偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光；

测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器后干涉，形成散斑图；

远心成像系统将散斑图成像于高速CCD上，高速CCD将物体变形的过程记录下来；

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，通过调制频率图获得各个部位变形的方向；通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量；

通过在两个波长情况下的相位变化量，计算物体基于时间的变形量。

优选的，所述参考光由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(参考镜)，被反射后再次通过检偏器，在偏振分光棱镜处被反射回到普通分光镜处形成。

优选的，所述测试光由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形成。

优选的，所述两束分别含有两个频率的正交线偏振光，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光的过程相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过公开的一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法，结合了时域散斑干涉测量技术、外差式干涉测量技术和多波长测量技术。引入多波长以扩大测量范围，引入外差以保证测量精度，时域技术可以直接给出时变场的相位函数。本发明中精简了物体变形检测系统，使用了两个中心波长不同的激光器，实现多波长测量，扩大了测量范围。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法流程图；

图2是本发明实施例所述的一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法的光路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：

参照图1，示出了本发明的一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法流程图，所述方法具体包括：

步骤S101，选择两台中心波长不同的半导体激光器，输出频率分别是ω₁和ω₂的线偏振光；

步骤S102，两束线偏振光通过偏振控制器后，每束光都变成具有两个频率的正交线偏振光；

步骤S103，两束分别含有两个频率的正交线偏振光通过空间滤波器进行空间滤波和扩束；

步骤S104，扩束后的线偏振光透射过普通分光镜，入射到偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光；

其中，所述参考光由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(参考镜)，被反射后再次通过检偏器，在偏振分光棱镜处被反射回到普通分光镜处形成。

所述测试光由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形成。

步骤S105，测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器后干涉，形成散斑图；

步骤S106，远心成像系统将散斑图成像于高速CCD上，高速CCD将物体变形的过程记录下来；

步骤S107，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，通过调制频率图获得各个部位变形的方向；通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量；

步骤S108，通过在两个波长情况下的相位变化量，计算物体基于时间的变形量。

整个实现中，所述两束分别含有两个频率的正交线偏振光，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光的过程相同。

更为具体的，参照图2，光源为半导体激光器1和半导体激光器2，输出频率分别为ω₁和ω₂的线偏振光，耦合进入偏振控制器4中，该偏振控制器通过外加电压时两束偏振光分别变为各自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。分别含有两个频率的两束正交线偏振光的琼斯适量为：

${\stackrel{\‾}{E}}_1=\frac{A}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}\mathrm{expi}({\mathrm{\ω}}_1+2{\mathrm{\ω}}_0)t\\ \mathrm{expi}({\mathrm{\ω}}_1-2{\mathrm{\ω}}_0)t\end{array}\right),$ ${\stackrel{\‾}{E}}_2=\frac{A}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}\mathrm{expi}({\mathrm{\ω}}_2+2{\mathrm{\ω}}_0)t\\ \mathrm{expi}({\mathrm{\ω}}_2-2{\mathrm{\ω}}_0)t\end{array}\right)$

其中，A为振幅。琼斯适量为

的线偏振光通过空间滤波器5进行空间滤波和扩束，然后透射过普通分光镜6，入射到偏振分光棱镜7。在偏振分光棱镜处，每一束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8入射平面反射镜9(参考镜)，被反射后再次通过检偏器8，在偏振分光棱镜7处被反射回到普通分光镜处6，称为参考光；另一束光透射过偏振分光棱镜后7，入射到待测物体上10，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7并透过它入射到普通分光镜处6，称为测量光。测量光和参考光被普通分光镜6反射，通过检偏器11后干涉，形成散斑图。琼斯适量为的线偏振光也经过同样的过程，形成干涉图。远心成像系统12将散斑图成像于高速CCD13上，高速CCD 13可将物体变形的过程记录下来。

获得场强分布表达式后，虽然结果项较多，但余弦项中只含有ω₁，ω₂和ω₁-ω₂项由于频率太高(最少也为10⁶Hz)，因此CCD上观察到的只是其时间平均值，可以略去；因此观察平面上的光强可以表示如下：散斑图强度函数可表示为：

式中

对第一、二项进行傅里叶变换分析可以分别获得

和

形变量

时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法中，要利用傅里叶变换提取相位，从而计算变形量。

在一定时间t内的物体变形函数Δz产生的中值调制频率为：

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

物体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。物体进行连续的运动后，从而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，从调制频率图上就可以确定物体各个部位变形的方向。式(1)频谱图形式为：

H(f，y)＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C^*(f+f₀，y)

用适当滤波器将A(f，y)和C^*(f+f₀，y)过滤，剩下C(f-f₀，y)后将其移到原点处变为C(f，y)。再对C(f，y)做傅里叶逆变换就得到一个实部和虚部同时存在的复数光场：I(x，y)＝Re[c(x，y)]+i Im[c(x，y)]。因此有：

对上式进行解包裹得到连续的相位，分别求出

和

考虑两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器作为测量光源。如果设不发生相位模糊的变形为l(一般为波长级)，则有：

式中n为整数。可以合并两式得：

$l=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)}{({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)2\mathrm{\π}}$

采用λ₁＝780nm，λ₂＝830nm的激光，则l约为13000nm，提高了一个数量级左右。

通过

和

得到l，获取形变量。

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。

以上对本发明所提供的一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种时域多波长外差散斑干涉测量物体变形的方法，其特征在于，所述方法包括：

选择两台中心波长不同的半导体激光器，输出频率分别是ω₁和ω₂的线偏振光；

两束线偏振光通过偏振控制器后，每束光都变成具有两个频率的正交线偏振光；

两束分别含有两个频率的正交线偏振光通过空间滤波器进行空间滤波和扩束；

扩束后的线偏振光透射过普通分光镜，入射到偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光；

测量光和参考光被普通分光镜反射，通过检偏器后干涉，形成散斑图；

远心成像系统将散斑图成像于高速CCD上，高速CCD将物体变形的过程记录下来；

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，通过调制频率图获得各个部位变形的方向；通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量；

通过在两个波长情况下的相位变化量，计算物体基于时间的变形量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述参考光由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(参考镜)，被反射后再次通过检偏器，在偏振分光棱镜处被反射回到普通分光镜处形成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述测试光由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形成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述两束分别含有两个频率的正交线偏振光，在偏振分光棱镜处被分为测量光和参考光的过程相同。

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