CN102506716A - 面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置和方法。本发明利用面内位移的激光散斑干涉测量光路与离面位移的激光散斑干涉测量光路相结合的方法，通过一次布置光路，同时实现被测物体面内位移和离面位移分布信息的测量。本发明所述的装置和方法具有简单易行、快速、准确的特点，可广泛应用于光电无损检测等领域的微小位移的实时、高精度可靠测量。

Description

面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量微小位移的激光散斑测量装置和方法，具体的说是涉及一种利用激光散斑同时测量面内位移和离面位移的装置和方法。 

背景技术

激光散斑是指当激光照射在粗糙物体上后，散射的光线在成像空间相互干涉形成的明暗相间的斑点。激光散斑携带了被测物体的信息，通过对散斑场的分析可以得到被测物体的变化信息。激光散斑测量方法具有光路简单、全场测量、非接触等优点；因而，在无损检测领域得到了广泛的应用。经文献检索，专利“飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法”(授权号为ZL20061002662.1，授权日为2008.04.02)，通过对物体变形前后两幅散斑光强图的相关运算能够实现亚像素位移的精度测量，不足之处是该方法需要飞秒激光系统，由于该系统昂贵且不易维护，限制了其实际应用范围；专利“X射线散斑装置及其在微位移测量中的应用”(授权号为ZL200510023203.3，授权日为2008.07.02)，该专利采用X射线作为散斑测试光源，比可见光测量精度提高了3-4个数量级，但X射线对人体健康有害，该方法不宜普及，仅适合特定场合下的检测；专利“便携式离面位移测量仪”(授权号为ZL200610024418.1，授权日为2008.03.12)，该装置具有结构紧凑、可测量离面位移的特点；而很多时候物体的面内位移与离面位移同时发生，这就丢失了物体面内位移的信息。 

分析可知，在现有公开的文献资料中，在对激光散斑测量方法及其应用研究方面，尚缺少对测试条件要求低、能同时测量物体形变的面内位移与离面位移的装置与方法。 

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置和方法，通过一次布置光路，同时实现被测物体形变的面内位移和离面位移分布信息的测量，并且具有简单易行、快速、准确的优点。 

本发明的为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置，设有连续波激光器，在该连续波激光器的光束前进方向依次设有准直扩束器、偏振分束器Ⅰ；经偏振分束器Ⅰ后，激光束分为透射光Ⅰ和反射光Ⅰ，反射光Ⅰ与透射光Ⅰ成90°夹角，反射光Ⅰ作为物光束Ⅰ直接照射在被测物体上；透射光Ⅰ前进后照射在偏振分束器Ⅱ上，透射光Ⅰ又被分为透射光Ⅱ和反射光Ⅱ；透射光Ⅱ前进后照射在反射镜Ⅰ上，偏折90°后照射在反射镜Ⅱ上，然后，再偏折90°后作为物光束Ⅱ照射在被测物体上；反射光Ⅱ照射在反射镜Ⅲ上，被反射后垂直照射在偏振分束器Ⅳ上，经偏振分束器Ⅳ后分为透射光Ⅴ和反射光Ⅴ，反射光Ⅴ作为参考光； 

所述的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相同的入射角对称照射在被测物体上；

所述的照射在被测物体上的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ经被测物体散射后，散射光照射在会聚透镜上，会聚后又照射在偏振分束器Ⅲ上，散射光经偏振分束器Ⅲ后分为透射光Ⅲ和反射光Ⅲ，反射光Ⅲ作为成像光束Ⅰ进入CCD相机Ⅰ成像，然后存储进计算机；透射光Ⅲ照射在偏振分束器Ⅳ上，经偏振分束器Ⅳ后分为透射光Ⅳ和反射光Ⅳ；透射光Ⅳ和参考光一起进入CCD相机Ⅱ成像，然后存储进计算机。

一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量方法，其主要是： 

（1）用CCD相机Ⅰ记录下被测物体在变形前和变形后的散斑场，利用面内位移的激光散斑干涉测量原理，通过计算得到被测物体的面内位移信息；

（2）同时，用CCD相机Ⅱ记录下被测物体在变形前和变形后的散斑场，利用离面位移的激光散斑干涉测量原理，通过计算得到被测物体的离面位移信息。

所述的面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量方法，其具体步骤如下： 

（1）将连续波激光器、准直扩束器、偏振分束器Ⅰ、偏振分束器Ⅱ、偏振分束器Ⅲ、偏振分束器Ⅳ、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、反射镜Ⅲ、会聚透镜、CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ和计算机按照上文装置所述布置好测量光路；

（2）打开连续波激光器电源，连续波激光器发出激光束，物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相等的入射角对称的照射在被测物体上，利用CCD相机Ⅰ记录下被测物体变形前的面内位移散斑场Ⅰ ₁，存储进计算机；

（3）同时，利用CCD相机Ⅱ记录下被测物体变形前透射光Ⅳ和参考光相互干涉形成的离面位移散斑场 

，然后存储进计算机；

（4）被测物体变形后，利用CCD相机Ⅰ记录下变形后的面内位移散斑场Ⅰ ₂，存储进计算机；

（5）同时，利用CCD相机Ⅱ记录下被测物体变形后的离面位移散斑场

，存储进计算机；

（6）然后，利用公式

，对被测物体变形前获得的面内位移散斑场Ⅰ ₁和被测物体变形后的面内位移散斑场Ⅰ ₂进行处理，得到面内位移条纹分布图；其中，Ⅰ ₀₁和Ⅰ ₀₂分别对应于物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的强度分布，

为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的初相位差，

为因被测物体变形而引起的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的附加相位差，为被测物体表面沿测量方向的面内位移分量，λ为测试激光波长，θ为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的入射角； 

（7）对面内位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式进行计算，亮条纹时，利用式

进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体变形后的面内位移分布；

（8）同时，利用公式，对被测物体变形前获得的离面位移散斑场

和被测物体变形后的离面位移散斑场

进行处理，得到离面位移条纹分布图；其中，Ⅰ _o和Ⅰ _r分别对应于透射光Ⅳ和参考光的强度分布，

为透射光Ⅳ和参考光间的初相位差，

为因被测物体变形而引起的透射光Ⅳ和参考光间的附加相位差，

为被测物体变形的离面位移分量，λ为测试激光波长；

（9）对离面位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式进行计算，亮条纹时，利用式进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体变形后的离面位移分布

；

（10）最终，通过一次布置光路，同时实现了对被测物体面内位移和离面位移（

，

）的测量。

本发明的工作原理是： 

当用激光散斑方法测量面内位移时，假设被测物体变形前CCD相机Ⅰ记录的强度分布表示为，

                                 （1）

式中，Ⅰ ₀₁和Ⅰ ₀₂分别对应于两束物光束的强度分布，

为两束入射光波的初相位差。

被测物体变形后CCD相机Ⅰ记录的强度分布为， 

                            （2）

式中，

为因被测物体变形而引起的两束入射光波的附加相位差，表示为，

                                           （3）

式中，

为被测物体表面沿测量方向的面内位移分量，λ为测试激光波长，θ为两物光束的入射角。

被测物体变形前后所记录的强度相减所得差的平方表示为 

                 （4）

式中，正弦项为高频成分，对应于散斑噪声；余弦项为低频成分，对应于被测物体变形。因此当满足条件

                                （5）

时，条纹亮度达到最小，即暗条纹将产生于

                             （6）

当满足条件

                            （7）

时，条纹亮度达到最大，即亮条纹将产生于

                           （8）

根据公式（6）和（8）及亮、暗条纹的分布，获得被测物体变形后的面内位移分布信息

。

当利用激光散斑测量被测物体形变的离面位移时，假设被测物体变形前CCD相机Ⅱ记录的光强分布为， 

                                  （9）

式中，Ⅰ _o和Ⅰ _r分别对应于物光束与参考光束的强度分布，

为两光波之间的初相位差。

被测物体变形后CCD相机Ⅱ记录的强度分布为， 

                            （10）

式中，

为因被测物体变形而引起的物光束与参考光束间的附加相位差，表示为，

                                             （11）

式中，

为被测物体形变的离面位移分量。

采用相减模式，两幅数字散斑图像相减所得差的平方表示为 

                （12）

因此当满足条件

                              （13）

时，条纹亮度最小，即暗纹产生于

                              （14）

当满足条件

                          （15）

时，条纹亮度最大，即亮条纹产生于

                         （16）

根据公式（14）和（16）及亮、暗条纹的分布，即可获得被测物体变形后的离面位移分布信息。最终，同时实现了对面内位移和离面位移（

，

）的测量。

与以往技术相比，本发明的优点：本发明能一次布置光路，同时实现被测物体形变的面内位移和离面位移分布信息的测量，测量精度能达到亚波长量级；并且具有简单易行、快速、准确的特点。可广泛应用于光电无损检测等领域，尤其适合于这些领域的微小位移的实时、高精度可靠测量。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图中标记：100、连续波激光器，110、准直扩束器，121、偏振分束器Ⅰ，122、偏振分束器Ⅱ，131、反射镜Ⅰ，132、反射镜Ⅱ，200、被测物体，140、会聚透镜，123、偏振分束器Ⅲ，151、CCD相机Ⅰ，133、反射镜Ⅲ，124、偏振分束器Ⅳ，152、CCD相机Ⅱ，300、计算机。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。 

如图所示，本发明一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置，设有连续波激光器100，在该连续波激光器100的光束前进方向依次设有准直扩束器110、偏振分束器Ⅰ121；经偏振分束器Ⅰ121后，激光束分为透射光Ⅰ和反射光Ⅰ，反射光Ⅰ与透射光Ⅰ成90°夹角，反射光Ⅰ作为物光束Ⅰ直接照射在被测物体200上；透射光Ⅰ前进后照射在偏振分束器Ⅱ 122上，透射光Ｉ又被分为透射光Ⅱ和反射光Ⅱ；透射光Ⅱ前进后照射在反射镜Ⅰ131上，偏折90°后照射在反射镜Ⅱ 132上，然后，再偏折90°后作为物光束Ⅱ照射在被测物体200上；反射光Ⅱ照射在反射镜Ⅲ133上，被反射后垂直照射在偏振分束器Ⅳ124上，经偏振分束器Ⅳ124后分为透射光Ⅴ和反射光Ⅴ，反射光Ⅴ作为参考光； 

所述的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相同的入射角θ对称照射在被测物体200上；

所述的照射在被测物体200上的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ经被测物体200散射后，散射光照射在会聚透镜140上，会聚后又照射在偏振分束器Ⅲ123上，散射光经偏振分束器Ⅲ 123后分为透射光Ⅲ和反射光Ⅲ，反射光Ⅲ作为成像光束Ⅰ，进入CCD相机Ⅰ151成像，然后存储进计算机300；透射光Ⅲ照射在偏振分束器Ⅳ124上，经偏振分束器Ⅳ124后分为透射光Ⅳ和反射光Ⅳ；透射光Ⅳ和参考光一起进入CCD相机Ⅱ152成像，也就是说透射光Ⅳ和反射光Ⅴ一起进入CCD相机Ⅱ152成像，然后存储进计算机300。

本发明中的设置的偏振分束器Ⅰ121、反射镜Ⅰ131、反射镜Ⅱ132和被测物体构成一个方形，也就是说偏振分束器Ⅰ121、反射镜Ⅰ131、反射镜Ⅱ132和被测物体分别设置在方形的四个角位置点上，照射在被测物体200上的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ经被测物体200散射后通过会聚透镜140会聚后依次通过偏振分束器Ⅲ123和偏振分束器Ⅳ124，直到成像输入计算机300。 

使用该装置的测量方法，其具体步骤如下： 

（1）将连续波激光器100、准直扩束器110、偏振分束器Ⅰ121、偏振分束器Ⅱ122、偏振分束器Ⅲ123、偏振分束器Ⅳ124、反射镜Ⅰ131、反射镜Ⅱ132、反射镜Ⅲ133、会聚透镜140、CCD相机Ⅰ151、CCD相机Ⅱ152和计算机300按照上文激光散斑测量装置所述布置好测量光路；

（2）打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出激光束，物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相等的入射角对称的照射在被测物体200上，利用CCD相机Ⅰ151记录下被测物体200变形前的面内位移散斑场Ⅰ ₁，存储进计算机300；

（3）同时，利用CCD相机Ⅱ152记录下被测物体200变形前透射光Ⅳ和参考光相互干涉形成的离面位移散斑场

，然后存储进计算机300；

（4）被测物体200变形后，利用CCD相机Ⅰ151记录下变形后的面内位移散斑场Ⅰ ₂，存储进计算机300；

（5）同时，利用CCD相机Ⅱ152记录下被测物体(200)变形后的离面位移散斑场

，存储进计算机300；

（6）然后，利用公式

，对被测物体200变形前获得的面内位移散斑场Ⅰ ₁和被测物体200变形后的面内位移散斑场Ⅰ ₂进行处理，得到面内位移条纹分布图；其中，Ⅰ ₀₁和Ⅰ ₀₂分别对应于物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的强度分布，

为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的初相位差，

为因被测物体200变形而引起的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的附加相位差，

为被测物体200表面沿测量方向的面内位移分量，λ为测试激光波长，θ为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的入射角；

（7）对面内位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式

进行计算，亮条纹时，利用式

进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体200变形后的面内位移分布

；

（8）同时，利用公式，对被测物体200变形前获得的离面位移散斑场

和被测物体200变形后的离面位移散斑场

进行处理，得到离面位移条纹分布图；其中，Ⅰ _o和Ⅰ _r分别对应于透射光Ⅳ和参考光的强度分布，

为透射光Ⅳ和参考光间的初相位差，

为因被测物体200变形而引起的透射光Ⅳ和参考光间的附加相位差，

为被测物体200形变的离面位移分量，λ为测试激光波长；

（9）对离面位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式

进行计算，亮条纹时，利用式进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体200变形后的离面位移分布

；

最终，通过一次布置光路，同时实现了对被测物体200面内位移和离面位移（

，）的测量。

Claims (3)

1.面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置，其特征在于：设有连续波激光器（100），在该连续波激光器（100）的光束前进方向依次设有准直扩束器（110）、偏振分束器Ⅰ（121）；经偏振分束器Ⅰ（121）后，激光束分为透射光Ⅰ和反射光Ⅰ，反射光Ⅰ与透射光Ⅰ成90°夹角，反射光Ⅰ作为物光束Ⅰ直接照射在被测物体（200）上；透射光Ⅰ前进后照射在偏振分束器Ⅱ（122）上，透射光Ⅰ又被分为透射光Ⅱ和反射光Ⅱ；透射光Ⅱ前进后照射在反射镜Ⅰ（131）上，偏折90°后照射在反射镜Ⅱ（132）上，然后，再偏折90°后作为物光束Ⅱ照射在被测物体（200）上；反射光Ⅱ照射在反射镜Ⅲ（133）上，被反射后垂直照射在偏振分束器Ⅳ（124）上，经偏振分束器Ⅳ（124）后分为透射光Ⅴ和反射光Ⅴ，反射光Ⅴ作为参考光；

所述的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相同的入射角对称照射在被测物体（200）上；

所述的照射在被测物体（200）上的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ经被测物体散射后，散射光照射在会聚透镜（140）上，会聚后又照射在偏振分束器Ⅲ（123）上，散射光经偏振分束器Ⅲ（123）后分为透射光Ⅲ和反射光Ⅲ，反射光Ⅲ作为成像光束Ⅰ，进入CCD相机Ⅰ（151）成像，然后存储进计算机（300）；透射光Ⅲ照射在偏振分束器Ⅳ（124）上，经偏振分束器Ⅳ（124）后分为透射光Ⅳ和反射光Ⅳ；透射光Ⅳ和参考光一起进入CCD相机Ⅱ（152）成像，然后存储进计算机（300）。

2.一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置的测量方法，其特征在于：

（1）、用CCD相机Ⅰ（151）记录下被测物体在变形前和变形后的散斑场，利用面内位移的激光散斑干涉测量原理，通过计算得到被测物体的面内位移信息；

（2）、同时，用CCD相机Ⅱ（152）记录下被测物体在变形前和变形后的散斑场，利用离面位移的激光散斑干涉测量原理，通过计算得到被测物体的离面位移信息。

3.根据权利要求2所述的一种面内位移和离面位移同时测量的激光散斑测量装置的测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）、将连续波激光器（100）、准直扩束器（110）、偏振分束器Ⅰ（121）、偏振分束器Ⅱ（122）、偏振分束器Ⅲ（123）、偏振分束器Ⅳ（124）、反射镜Ⅰ（131）、反射镜Ⅱ（132）、反射镜Ⅲ（133）、会聚透镜（140）、CCD相机Ⅰ（151）、CCD相机Ⅱ（152）和计算机（300）根据测量光路布置好；

（2）、打开连续波激光器（100）的电源，连续波激光器发出激光束，物光束Ⅰ和物光束Ⅱ以相等的入射角对称的照射在被测物体上，利用CCD相机Ⅰ（151）记录下被测物体变形前的面内位移散斑场I ₁，存储进计算机；

（3）、同时，利用CCD相机Ⅱ（152）记录下被测物体变形前透射光Ⅳ和参考光相互干涉形成的离面位移散斑场                                                

，然后存储进计算机；

（4）、被测物体变形后，利用CCD相机Ⅰ（151）记录下变形后的面内位移散斑场I ₂，存储进计算机；

（5）、同时，利用CCD相机Ⅱ（152）记录下被测物体变形后的离面位移散斑场

，存储进计算机；

（6）、然后，利用公式

，对被测物体200变形前获得的面内位移散斑场Ⅰ ₁和被测物体200变形后的面内位移散斑场Ⅰ ₂进行处理，得到面内位移条纹分布图；其中，Ⅰ ₀₁和Ⅰ ₀₂分别对应于物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的强度分布，为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的初相位差，

为因被测物体200变形而引起的物光束Ⅰ和物光束Ⅱ间的附加相位差，为被测物体200表面沿测量方向的面内位移分量，λ为测试激光波长，θ为物光束Ⅰ和物光束Ⅱ的入射角；

（7）、对面内位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式进行计算，亮条纹时，利用式

进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体200变形后的面内位移分布

；

（8）、同时，利用公式

，对被测物体200变形前获得的离面位移散斑场

和被测物体200变形后的离面位移散斑场

进行处理，得到离面位移条纹分布图；其中，Ⅰ _o和Ⅰ _r分别对应于透射光Ⅳ和参考光的强度分布，

为透射光Ⅳ和参考光间的初相位差，

为因被测物体200变形而引起的透射光Ⅳ和参考光间的附加相位差，

为被测物体200形变的离面位移分量，λ为测试激光波长；

（9）、对离面位移条纹分布图进行分析，暗条纹时，利用式进行计算，亮条纹时，利用式

进行计算，其中n为条纹级数；获得被测物体200变形后的离面位移分布

；

（10）、最终，通过一次布置光路，同时实现了对被测物体200面内位移和离面位移（

，

）的测量。