CN102322807A - 一种物体动态三维变形的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光测量技术领域中的一种物体动态三维变形的实时测量方法。本发明将面内X方向测量子系统、面内Y方向测量子系统和离面Z方向测量子系统的散斑图成像于CCD上，对CCD获得的散斑图进行傅立叶变换，获得频谱图，通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量，从而算出基于时间的形变化量，得到整个物体三维的形变量。本发明精简了检测的系统，提高了测量的精度和测量的范围，具有实时测量、三维测量、精确测量、抗干扰性强和应用范围广等特点。

Description

一种物体动态三维变形的实时测量方法

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，尤其涉及一种物体动态三维变形的实时测量方法。

背景技术

当激光照射在具有漫反射性质的物体表面时，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。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、可以直观获得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。

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。它具有精度高、全场，非接触等优点。电子散斑干涉ESPI技术自问世以来就得到广泛的应用。它的应用领域有位移和变形测量，应变分析，动态测试，无损探伤等。可以应用于检测工程机械领域的各种变形、振动、冲击、表面粗糙度、刚度和硬度等特性；检测复合材料、集成电路、压力容器和焊接物体的表面或内部缺陷，并且还可以用于土木结构和水利设施的变形测量。总之，电子散斑干涉ESPI在机械、土木、水利、电器、航空航天、兵器工业以及生物医学领域具有非常重要的地位和广阔的前景。

从传统的散斑干涉测量到电子散斑测量等技术，都无法避免的问题是它们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，不能进行真正意义上的动态实时测量。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。该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，通过后期处理对这些散斑干涉图提取相位信息，最后从中得到每个点的位移或者形变量。该技术的问题是测量精度不高，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等人在时间序列散斑干涉测量TSPI技术中引入了恒定频率差，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。外差时间序列散斑干涉测量技术HTSPI具有测量范围较大、抗干扰能力较强、能实时测量物体动态变形等诸多优点，因此具有非常光明的发展前景。

随着机械工业、航空航天和国防工业等领域的飞速发展，对于散斑干涉测量技术提出了更高的要求：能够实时精确测量被测物体的动态三维变形信息。虽然已有关于能够完成离面和面内测量的时间序列散斑干涉测量TSPI的报道，但其离面和面内测量是分别进行的，即不是同时完成测量的，这样实际上没有发挥外差时间序列散斑干涉测量技术HTSPI可以测量形变随时间变化物体的巨大优势，而本发明很好地解决了这个问题。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有散斑测量装置无法对物体三维动态形变进行实时测量的不足，本发明提出了一种物体动态三维变形的实时测量方法。

本发明的技术方案是，一种物体动态三维变形的实时测量方法，该方法应用于激光测量装置，该装置包括He-Ne激光器(1)、偏振控制器(2)、空间滤波器和扩束装置(3)、普通分光镜(4)、第一检偏器(5)、第一远心成像系统(6)、第一平面反射镜(7)、第二检偏器(8)、第一偏振分光棱镜(9)、待测物体(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第四平面反射镜(14)、第五平面反射镜(15)、第三检偏器(16)和第二远心成像系统(17)；利用以上组成部分构成的面内X方向测量子系统、面内Y方向测量子系统和离面Z方向测量子系统实现；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：He-Ne激光器(1)输出的偏振光通过偏振控制器(2)后变为含有两个频率的正交线偏振光；

步骤2：上述含有两个频率的正交线偏振光经过空间滤波器和扩束装置(3)进行滤波和扩束；并分为以下三个方向的光路：

X方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内X方向测量子系统；

Y方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内Y方向测量子系统；

Z方向：经过普通分光镜(4)进入离面Z方向测量子系统；

步骤3：进入面内X方向测量子系统或面内Y方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到第二偏振分光棱镜(11)后被分开为两束光；

第一束光被第二偏振分光棱镜(11)反射到第二平面反射镜(12)上，经反射后照射在待测物体(10)上；

第二束光通过第三平面反射镜(13)和第四平面反射镜(14)改变方向后也照射在待测物体(10)上；

照射在待测物体(10)上的两束光通过第五平面反射镜(15)被反射向上通过第三检偏器(16)，经第二远心成像系统(17)发生干涉形成散斑图，将该散斑图成像于CCD上；

步骤4：进入离面Z方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到普通分光镜(4)后，经第一偏振分光棱镜(9)被分开为两束光；

第一束光被第一偏振分光棱镜(9)反射通过第二检偏器(8)入射到第一平面反射镜(7)上，被反射后再次通过第二检偏器(8)，在第一偏振分光棱镜(9)处被反射回到普通分光镜(4)处作为参考光；

第二束光通过第一偏振分光棱镜(9)后入射到待测物体(10)上发生漫反射，带有物体变形信息的散射光反射回第一偏振分光棱镜(9)并透过其入射到普通分光镜(4)上，该光束作为测量光；

参考光和测量光被普通分光镜(4)反射，通过第一检偏器(5)后发生干涉，形成带有物体变形信息的散斑图，第一远心成像系统(6)将散斑图成像于CCD上；

步骤5：对CCD获得的散斑图进行傅立叶变换，获得频谱图，通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量，从而算出基于时间的形变化量，得到整个物体三维的形变量。

所述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：

为正交线偏振光的琼斯矢量；

A为振幅；

ω为入射光的角频率；

ω₀为偏向角随时间变化的角速度。

所述偏振控制器为铌酸锂偏振控制器。

所述散斑图的强度函数为：

其中：

I(x，y，t)为散斑图强度函数；

I₀(x，y)为干涉场平均强度；

V为对比度；

4ω₀为外差调制频率；

为随机相位。

所述CCD为面阵高速电荷耦合元件CCD。

本发明结合了时间序列散斑干涉测量技术和外差式干涉测量技术的优点，精简了检测的系统，很大程度上提高了测量的精度和测量的范围，具有实时测量、三维测量、精确测量、抗干扰性强和应用范围广等特点。

附图说明

图1为时域外差散斑干涉测量物体离面Z方向变形的子系统光路图；

1-He-Ne激光器；2-偏振控制器；3-空间滤波器和扩束装置；4-普通分光镜；5-第一检偏器；6-第一远心成像系统；7-第一平面反射镜；8-第二检偏器；9-第一偏振分光棱镜；10-待测物体；

图2为时域外差散斑干涉测量物体面内Y方向变形的子系统光路图。

1-He-Ne激光器；2-偏振控制器；3-空间滤波器和扩束装置；11-第二偏振分光棱镜；12-第二平面反射镜；13-第三平面反射镜；14-第四平面反射镜；15-第五平面反射镜；16-第三检偏器；10-待测物体；17-第二远心成像系统。

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。

本发明的目的是针对背景技术中所描述的外差时域三维干涉测量中存在的问题，提出了一种物体动态三维变形的实时测量方法。

本发明方法应用于激光测量装置，该装置主要包括He-Ne激光器(1)、偏振控制器(2)、空间滤波器和扩束装置(3)、普通分光镜(4)、第一检偏器(5)、第一远心成像系统(6)、第一平面反射镜(7)、第二检偏器(8)、第一偏振分光棱镜(9)、待测物体(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第四平面反射镜(14)、第五平面反射镜(15)、第三检偏器(16)和第二远心成像系统(17)，利用以上组成部分构成的面内X方向测量子系统、面内Y方向测量子系统和离面Z方向测量子系统实现。

本发明方法的具体步骤为：

步骤1：He-Ne激光器(1)输出的偏振光通过偏振控制器(2)后变为含有两个频率的正交线偏振光；

步骤2：上述含有两个频率的正交线偏振光经过空间滤波器和扩束装置(3)进行滤波和扩束；并分为以下三个方向的光路：

X方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内X方向测量子系统；

Y方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内Y方向测量子系统；

Z方向：经过普通分光镜(4)进入离面Z方向测量子系统；

步骤3：进入面内X方向测量子系统或面内Y方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到第二偏振分光棱镜(11)后被分开为两束光；

第一束光被第二偏振分光棱镜(11)反射到第二平面反射镜(12)上，经反射后照射在待测物体(10)上；

第二束光通过第三平面反射镜(13)和第四平面反射镜(14)改变方向后也照射在待测物体(10)上；

照射在待测物体(10)上的两束光通过第五平面反射镜(15)被反射向上通过第三检偏器(16)，经第二远心成像系统(17)发生干涉形成散斑图，将该散斑图成像于CCD上；

步骤4：进入离面Z方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到普通分光镜(4)后，经第一偏振分光棱镜(9)被分开为两束光；

第一束光被第一偏振分光棱镜(9)反射通过第二检偏器(8)入射到第一平面反射镜(7)上，被反射后再次通过第二检偏器(8)，在第一偏振分光棱镜(9)处被反射回到普通分光镜(4)处作为参考光；

第二束光通过第一偏振分光棱镜(9)后入射到待测物体(10)上发生漫反射，带有物体变形信息的散射光反射回第一偏振分光棱镜(9)并透过其入射到普通分光镜(4)上，该光束作为测量光；

参考光和测量光被普通分光镜(4)反射，通过第一检偏器(5)后发生干涉，形成带有物体变形信息的散斑图，第一远心成像系统(6)将散斑图成像于CCD上；

步骤5：对CCD获得的散斑图进行傅立叶变换，获得频谱图，通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量，从而算出基于时间的形变化量，得到整个物体三维的形变量。

下面用图一和图二分别说明Z方向和Y方向的变形测量原理；

1)Z方向变形的测量

如图1所示：He-Ne激光器(1)输出频率为ω的线偏振光，耦合进入偏振控制器(2)中，偏振控制器(2)采用铌酸锂偏振控制器，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，并且通过改变电压来改变外差调制频率。含有两个频率的正交线偏振光的琼斯矢量为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{A}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}\mathrm{expi}(\mathrm{\ω}+2{\mathrm{\ω}}_0)t\\ \mathrm{expi}(\mathrm{\ω}-2{\mathrm{\ω}}_0)t\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中：

为正交线偏振光的琼斯矢量；

A为振幅；

ω为入射光的角频率；

ω₀为偏向角随时间变化的角速度，其大小可以由控制电压控制。

含有两个频率的正交线偏振光通过空间滤波器和扩束装置(3)进行空间滤波和扩束，然后透射过普通分光镜(4)，入射到第一偏振分光棱镜(9)。在第一偏振分光棱镜(9)处，含有两个频率的正交线偏振光被分开：

一束光被第一偏振分光棱镜(9)向上反射通过第二检偏器(8)入射到第一平面反射镜(7)(参考镜)，被反射后再次通过第二检偏器(8)，通过第一偏振分光棱镜(9)反射回到普通分光镜(4)处，作为参考光(此处的第二检偏器(8)主要是调节参考光的光强，使之和测量光的光强相匹配)；

另一束光透射过第一偏振分光棱镜(9)后，入射到待测物体(10)上，发生散射，带有物体变形信息的散射光反射回第一偏振分光棱镜(9)并入射到普通分光镜(4)处，作为测量光。测量光和参考光被普通分光镜(4)反射，通过第一检偏器(5)后干涉，形成散斑图。第一远心成像系统(6)将散斑图成像于面阵高速电荷耦合元件CCD上，面阵高速电荷耦合元件CCD可将物体变形的过程记录下来，散斑图的强度函数可表示为：

其中：

I(x，y，t)为散斑图的强度函数；

I₀(x，y)为干涉场平均强度；

V为对比度；

4ω₀为外差调制频率；

为随机相位。

物体没有变形，外差调制频率4ω₀可以用面阵高速电荷耦合元件CCD上观察到。待测物体发生变形后，上式(2)变为：

其中：

λ为入射光的波长；

Δz(x，y，t)为物体离面变形函数。

当物体变形时向偏振分光棱镜靠近时，Δz(x，y，t)的值为正；当物体变形远离偏振分光棱镜时，Δz(x，y，t)的值为负；时间序列散斑干涉测量就是利用傅里叶变换方法将物体变形函数提取出来，能够较直观的观察物体变形。

一定时间t内，Δz(x，y，t)产生的中值调制频率为：

$f_{\mathrm{med}}(x,y)=\frac{2\mathrm{\Δz}(x,y,t)}{\mathrm{\λt}}---\left(4\right)$

其中：

f_med(x，y)为中值调制频率。

物体上不同点在变形后对应不同的中值调制频率，该值将会和调制频率相加或相减，这是由该点变形方向所决定的。物体连续运动后引起了强度时间的调制变化，这段时间面阵高速电荷耦合元件CCD采集到大量的散斑图。

傅里叶变换法求相位原理如下：

设某一时刻的散斑图灰度分布函数为：

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[2πf₀x+φ(x，y)]    (5)

其中：

I(x，y)为散斑图灰度分布函数；

a(x，y)为散斑图的平均强度分布；

b(x，y)为散斑图的调制度；

f₀为空间载波频率；

φ(x，y)为待求的物体相位分布。

这里的a(x，y)相当于式(2)中的I₀(x，y)；b(x，y)相当于I₀(x，y)·V；2πf₀x相当于4ω₀t，φ(x，y)为所求的相位项。当物体没有变形时，

物体变形后，

根据欧拉公式，(5)式变为：

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πf₀x)+c^*(x，y)exp(-2πf₀x)    (6)

其中：

对上式进行傅里叶变换得：

H(f，y)＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C*(f+f₀，y)    (7)

其中：

H(f，y)为I(x，y)的傅里叶变换；

A(f，y)为a(x，y)的傅里叶变换；

C(f-f₀，y)为c(x，y)exp(2πf₀x)的傅里叶变换；

C^*(f+f₀，y)为c^*(x，y)exp(2πf₀x)的傅里叶变换。

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)]+iIm[c(x，y)]。有物体的相位分布

这里得到的相位是不连续的，需要对它作相位去包裹处理才能得到最终的连续相位，在获得相位分布后，物体沿Z方向的变形Δz(x，y，t)可以由下式获得：

$\mathrm{\Δz}(x,y,t)=\frac{\mathrm{\λ\φ}(x,y)}{4\mathrm{\π}}---\left(9\right)$

2)Y方向变形测量原理如图2所示

测量原理和Z方向的测量原理不同之处在于：第二平面反射镜(12)和第四平面反射镜(14)相对于待测物体的法线等倾角入射，待测物体的形变情况由第五平面反射镜(15)反射到面阵高速电荷耦合元件CCD上。

Y和X方向的形变测量采用了散斑测量中的面内测量方式，与式(3)相似，其变形后的散斑图的强度函数为：

I(x，z，t)＝I₀(x，z){1+V cos[Φ₀(x，z)+4ω′t]±4πΔy(x，z，t)sini/λ}    (10)

其中：

I(x，z，t)为变形后的散斑图的强度函数；

I₀(x，z)为散斑图的平均强度分布；

Φ₀(x，z)为随机相位；

ω′为偏向角随时间变化的角速度；

i为激光入射的角度；

Δy(x，z，t)为面内变形函数。

经过解调相位后得到：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_Y=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δy}(x,z,t)\sin i---\left(11\right)$

其中：

Δφ_Y为物体沿Y方向的变形相位分布；

最后对相位函数Δφ_Y进行展开，从而获得面内Y方向的变形函数Δy(x，z，t)。同理X方向的变形函数为Δx(y，z，t)(X方向的测量原理和Y方向完全相同，这里不再赘述)，结合离面变形Δz(x，y，t)函数得到物体三维变形函数。

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，任何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 (5)

1.一种物体动态三维变形的实时测量方法，该方法应用于激光测量装置，该装置包括He-Ne激光器(1)、偏振控制器(2)、空间滤波器和扩束装置(3)、普通分光镜(4)、第一检偏器(5)、第一远心成像系统(6)、第一平面反射镜(7)、第二检偏器(8)、第一偏振分光棱镜(9)、待测物体(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第四平面反射镜(14)、第五平面反射镜(15)、第三检偏器(16)和第二远心成像系统(17)；利用以上组成部分构成的面内X方向测量子系统、面内Y方向测量子系统和离面Z方向测量子系统实现；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：He-Ne激光器(1)输出的偏振光通过偏振控制器(2)后变为含有两个频率的正交线偏振光；

步骤2：上述含有两个频率的正交线偏振光经过空间滤波器和扩束装置(3)进行滤波和扩束；并分为以下三个方向的光路：

X方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内X方向测量子系统；

Y方向：经过第二偏振分光棱镜(11)进入面内Y方向测量子系统；

Z方向：经过普通分光镜(4)进入离面Z方向测量子系统；

步骤3：进入面内X方向测量子系统或面内Y方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到第二偏振分光棱镜(11)后被分开为两束光；

第一束光被第二偏振分光棱镜(11)反射到第二平面反射镜(12)上，经反射后照射在待测物体(10)上；

第二束光通过第三平面反射镜(13)和第四平面反射镜(14)改变方向后也照射在待测物体(10)上；

照射在待测物体(10)上的两束光通过第五平面反射镜(15)被反射向上通过第三检偏器(16)，经第二远心成像系统(17)发生干涉形成散斑图，将该散斑图成像于CCD上；

步骤4：进入离面Z方向测量子系统的含有两个频率的正交线偏振光入射到普通分光镜(4)后，经第一偏振分光棱镜(9)被分开为两束光；

第一束光被第一偏振分光棱镜(9)反射通过第二检偏器(8)入射到第一平面反射镜(7)上，被反射后再次通过第二检偏器(8)，在第一偏振分光棱镜(9)处被反射回到普通分光镜(4)处作为参考光；

第二束光通过第一偏振分光棱镜(9)后入射到待测物体(10)上发生漫反射，带有物体变形信息的散射光反射回第一偏振分光棱镜(9)并透过其入射到普通分光镜(4)上，该光束作为测量光；

参考光和测量光被普通分光镜(4)反射，通过第一检偏器(5)后发生干涉，形成带有物体变形信息的散斑图，第一远心成像系统(6)将散斑图成像于CCD上；

步骤5：对CCD获得的散斑图进行傅立叶变换，获得频谱图，通过频谱图获得物体基于时间的相位变化量，从而算出基于时间的形变化量，得到整个物体三维的形变量。

2.根据权利要求1所述的一种物体动态三维变形的实时测量方法，其特征是所述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：

为正交线偏振光的琼斯矢量；

A为振幅；

ω为入射光的角频率；

ω₀为偏向角随时间变化的角速度。

3.根据权利要求1所述的一种物体动态三维变形的实时测量方法，其特征是所述偏振控制器为铌酸锂偏振控制器。

4.根据权利要求1所述的一种物体动态三维变形的实时测量方法，其特征是所述散斑图的强度函数为：

其中：

I(x，y，t)为散斑图强度函数；

I₀(x，y)为干涉场平均强度；

V为对比度；

4ω₀为外差调制频率；

为随机相位。

5.根据权利要求1所述的一种物体动态三维变形的实时测量方法，其特征是所述CCD为面阵高速电荷耦合元件CCD。

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