CN102506735A - 基于三色激光的瞬态三维变形测量系统 - Google Patents

基于三色激光的瞬态三维变形测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统。它由红绿蓝三种波长的激光器组件、一个彩色CCD摄像机的图像接收系统和平面反射镜及透镜或光纤构成分光和传光系统组成。三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离。本系统可以同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量，克服了现有散斑三维变形测量系统分时测量的缺点。本发明结构合理紧凑，操作简便，适用于物体表面的瞬态三维变形测量。

Description

基于三色激光的瞬态三维变形测量系统
技术领域
    本发明涉及光学三维变形测量系统，特别是一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统。
背景技术
    随着工业的发展，人们对材料受力后产生的变形、应力、应变等性能参数的研究和应用要求不断提高。从过去的只能应用于物体单点测量的金属应力量表到可以测量物体较大区域的散斑技术，在变形测量技术方面得到了很大的进步。利用散斑技术对物体进行两维或三维的变形测量的硬件系统和变形处理等算法处理方面已经有不少的方法。
     在专利“Method and apparatus for determining deformation and elongation on curved bodies”（专利号：US 6188483 B1）中，利用一个激光器提供光源，将两个双光束电子散班干涉系统和一个离面变形检测系统结合到一个系统中，分别依靠出射的四束激光束完成面内变形检测，并利用四束激光中的一束和另一束光束构成离面变形检测系统。将变形前后获得的电子散斑图运用直接相减算法进行处理后，得到三维变形数据。此系统的缺点是不能同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量，对测量环境要求严格，而且，利用一个激光光源采用分立的元件进行分光、传光，光学器件繁多。
     在专利“基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统”（专利号：ZL 2007 1 0038728.3）中，通过光纤的空间位置旋转控制，来实现物体面内竖直方向，水平方向以及离面方向的变形测量。此系统的缺点是不能同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。
     在专利“基于分束光纤的三维变形测量系统” （专利号：ZL 2007 0038782.8） 中，通过光纤出口端的遮挡开关的选择，来实现物体面内竖直方向，水平方向以及离面方向的变形测量。此系统的缺点是不能同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。
在文献“Three-wavelength electronic speckle pattern interferometry with the Fourier-transform method for simultaneous measurement of microstructure-scale deformations in three dimensions”（Applied Optics,Vol.45, Issue14,pp.3218-3225 (2006)）是通过三个CCD摄象机同时采集来实现物体面内竖直方向，水平方向以及离面方向的变形测量。此系统的缺点是由于采用多个CCD摄象机，且图像需要同步采集和位置匹配，系统复杂不容易产品化。
通过其它文献的查阅可以得出：基于激光电子散斑干涉技术的三维变形测量系统虽然能实现三维测量但不能实现瞬态测量。
发明内容
    本发明的目的在于针对已有技术中存在的缺陷，提供一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，结构简单，操作方便，并能保证测量精度。
    为了达到上述目的，本发明的基本原理是：
一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，如图1所示，它由光源组件，分光和传光组件，被测物体，彩色CCD摄像机和计算机组成。其中光源组件由红绿蓝三种波长的激光器组成，分光和传光系统组件由平面反射镜及透镜或光纤组成。其特征在于所述的红绿蓝三种波长的激光器分别与彩色CCD摄像机的三原色相对应，由三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离，从而使本系统能同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。
根据上述原理，本发明采用下述技术方案：
一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，由光源组件、分光和传光组件、被测物体、彩色CCD摄像机和计算机组成，其中光源组件由红绿蓝三种波长的激光器组成，分光和传光组件由平面反射镜及透镜或光纤组成，其特征在于所述的红绿蓝三种波长的激光器分别与彩色CCD摄像机的三原色相对应，该激光器出射光束经分光和传光组件，向被测物体分别出射面内垂直变形测量光束、面内水平变形测量光束和离面变形测量光束，由三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离，然后由彩色CCD摄像机采集记录，送入计算机。
所述三个激光器波长取值范围分别为450-470nm、540-550nm和630-650nm。
所述分光和传光组件的结构是：由一个棱镜将激光器出射光束分成两束光，一束光经一个平面反射镜和一个扩束透镜后照射物体，另一束光经过两个平面反射镜和一个扩束透镜后照射物体，完成测量面内竖直方向的变形；激光器出射光束由一个棱镜分成两束光，一束光经一个平面反射镜和一个扩束透镜后照射物体，另一束光经过两个平面反射镜和一个扩束透镜后照射物体，完成测量面内水平方向的变形；激光器出射光束由一个棱镜分成两束光，一束光经一个平面反射镜和一个棱镜进入CCD，另一束光经过一个棱镜，一个平面反射镜和一个扩束透镜后照射物体，完成测量面离面方向的变形。
所述分光和传光组件的结构是：所述激光器发出的光束经过一个显微透镜进入一个一分二型光纤分光器分成两束光，一束经一个扩束透镜后照射物体，另一束经一个扩束透镜后照射物体，完成测量面内竖直方向的变形；激光器发出的光束经过一个显微透镜进入一个一分二型光纤分光器分成两束光，一束经一个扩束透镜后照射物体，另一束经一个二合一型光纤耦合器和一个扩束透镜后照射物体，完成测量面内水平方向的变形；激光器发出的光束经过一个显微透镜进入一个一分二型光纤分光器分成两束光，一束经一个扩束透镜和一个棱镜后照射CCD，另一束经一个二合一型光纤耦合器和一个扩束透镜后照射物体，完成测量面离面方向的变形。
所述彩色CCD摄像机采用单CCD彩色摄像机，微型滤光片的光谱分别取460nm±30nm、545nm±30nm和640nm±30nm。
    本发明与现有三维电子散斑变形检测系统相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：本系统中采用了三个激光器从而减少了分光元件；三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离，本发明专利所需光学器件少，结构合理紧凑，操作简便，适用于物体表面的瞬态三维变形测量。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明中的一个分光和传光组件结构示意图。
图3是本发明中的另一个分光和传光组件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体的说明。
实施例一：
参见图1，基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，由光源组件（38）、分光和传光组件（39）、被测物体（21）、彩色CCD摄像机（20）和计算机（40）组成，其中光源组件(38)由红绿蓝三种波长的激光器(1、2、3)组成，分光和传光组件（39）由平面反射镜及透镜或光纤组成，其特征在于所述的红绿蓝三种波长的激光器（1、2、3）分别与彩色CCD摄像机的三原色相对应，该激光器（1、2、3）出射光束经分光和传光组件（39），向被测物体（21）分别出射面内垂直变形测量光束、面内水平变形测量光束和离面变形测量光束，由三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离，然后由彩色CCD摄像机（20）采集记录，送入计算机（40）。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
如图2所示，所述的蓝绿红三种激光器的波长取值范围分别为450-470nm、540-550nm和630-650nm，所述分光和传光组件（39）的结构是：激光器（1）发出的光束经过棱镜（6）分成两束光，两束光竖直对称于成像透镜（18）的光轴，并满足近似等光程的要求，一束光经平面反射镜（13）和扩束透镜（19）照射物体，另一束光经过平面反射镜（11、7）和扩束透镜（14）照射物体，它们完成测量面内竖直方向的变形；激光器（2）发出的光束经过棱镜（5）分成两束光，两束光水平对称于成像透镜（18）的光轴，并满足近似等光程的要求，一束光经平面反射镜（12）和扩束透镜（17）照射物体，另一束光经过平面反射镜（10、8）和扩束透镜（15）照射物体，它们完成测量面内水平方向的变形；激光器（3）发出的光束经过棱镜（4）分成两束光，一束光经平面反射镜（9）和棱镜（16）进入CCD，在水平面内垂直于成像透镜（18）的光轴，另一束光经过棱镜（5），平面反射镜（12）和扩束透镜（17）照射物体，并满足近似等光程的要求，它们完成测量离面方向的变形。最后同时经过成像透镜（18）和棱镜（16）被彩色CCD摄像机采集，以上三组光路信息是同时被彩色CCD摄像机记录，送入计算机进行处理。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
如图3所示，所述分光和传光组件（39）的结构是：激光器（1）发出的光束经过显微透镜（27）进入一分二型光纤分光器（28）分成两束光，两束光竖直对称于成像透镜（37）的光轴，并满足近似等光程的要求，一束经扩束透镜（36）照射物体，另一束经扩束透镜（34）照射物体，它们完成测量面内竖直方向的变形；激光器（2）发出的光束经过显微透镜（26）进入一分二型光纤分光器（29）分成两束光，两束光水平对称于成像透镜（37）的光轴，并满足近似等光程的要求，一束经扩束透镜（35）照射物体，另一束经二合一型光纤耦合器（31）和扩束透镜（33）照射物体，它们完成测量面内水平方向的变形；激光器（3）发出的光束经过显微透镜（25）进入一分二型光纤分光器（30）分成两束光，一束经扩束透镜（32）和棱镜（16）照射CCD，在水平面内垂直于成像透镜（37）的光轴，另一束经二合一型光纤耦合器（31）和扩束透镜（33）照射物体，并满足近似等光程的要求，它们完成测量离面方向的变形。最后同时经过成像透镜（37）和棱镜（16）被彩色CCD摄像机采集，以上三组光路信息是同时被彩色CCD摄像机记录，送入计算机进行处理。
变形量计算方法
 本发明由于采用红绿蓝三种波长的激光器和彩色CCD摄像机从而能够同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。本系统既具有现有三维电子散斑变形检测系统能单独测量各个方向的变形优点，又克服了现有系统的缺点。
 本发明的操作步骤如下：
在物体变形前彩色CCD摄像机采集一幅带有载波的图像，对被测物体加载后再采集第二幅载波加变形的图像，并利用傅里叶变换法或小波变换法，分别解调出各个方向的变形场相位，实现三维变形场的测量。
                             （1）
Figure 622148DEST_PATH_IMAGE002
                     （2）
公式（1），（2）分别表示物光波和参考光波。其中， ，分别表示在
Figure 515783DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 639859DEST_PATH_IMAGE006
向上的载波频率。
变形前采集的图像可以表示为
Figure 411506DEST_PATH_IMAGE007
     （3）
其中，，
Figure 369283DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 347866DEST_PATH_IMAGE010
是的复数共轭。
为了求解三个方向的相位
Figure 852982DEST_PATH_IMAGE012
，可以对等式（3）进行两维傅立叶变换后得等式（4）
      （4）
在频域空间，通过选择合适的滤波器分别把
Figure 746169DEST_PATH_IMAGE014
分离出来，再进行傅立叶反变换后得
Figure 485717DEST_PATH_IMAGE015
，物光波相位可由公式（5）计算得到。
 ，    
Figure 759890DEST_PATH_IMAGE017
              （5）
物体的三维变形相位可由变形前的求得的物光波相位与变形后求得的物光波相位
Figure 731836DEST_PATH_IMAGE019
之差计算得到等式（6）。
Figure 144363DEST_PATH_IMAGE020
    
Figure 296995DEST_PATH_IMAGE021
               （6）
相位差和变形之间的关系可由等式（7）表示。
Figure 478578DEST_PATH_IMAGE022
         （7）
其中，是面内水平方向所用激光的波长，是入射光与物体表面法线的夹角，
Figure 760283DEST_PATH_IMAGE025
为面内水平方向的变形量；
Figure 186585DEST_PATH_IMAGE026
是面内垂直方向所用激光的波长，
Figure 547159DEST_PATH_IMAGE027
是入射光与物体表面法线的夹角，
Figure 560377DEST_PATH_IMAGE028
为面内垂直方向的变形量；
Figure 930178DEST_PATH_IMAGE029
是离面方向所用激光的波长，为离面方向的变形量。

Claims (5)

1.一种基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，由光源组件（38）、分光和传光组件（39）、被测物体（21）、彩色CCD摄像机（20）和计算机（40）组成，其中光源组件(38)由红绿蓝三种波长的激光器(1、2、3)组成，分光和传光组件（39）由平面反射镜及透镜或光纤组成，其特征在于所述的红绿蓝三种波长的激光器（1、2、3）分别与彩色CCD摄像机的三原色相对应，该激光器（1、2、3）出射光束经分光和传光组件（39），向被测物体（21）分别出射面内垂直变形测量光束、面内水平变形测量光束和离面变形测量光束，由三原色同时实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形分离，然后由彩色CCD摄像机（20）采集记录，送入计算机（40）。
2.根据权利要求1所述的基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，其特征在于：所述三个激光器（1、2、3）波长取值范围分别为450-470nm、540-550nm和630-650nm。
3.根据权利要求1所述的基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，其特征在于：所述分光和传光组件（39）的结构是：由一个棱镜（6）将激光器（1）出射光束分成两束光，一束光经一个平面反射镜（13）和一个扩束透镜（19）后照射物体，另一束光经过两个平面反射镜（11、7）和一个扩束透镜（14）后照射物体，完成测量面内竖直方向的变形；激光器（2）出射光束由一个棱镜（5）分成两束光，一束光经一个平面反射镜（12）和一个扩束透镜（17）后照射物体，另一束光经过两个平面反射镜（10、8）和一个扩束透镜（15）后照射物体，完成测量面内水平方向的变形；激光器（3）出射光束由一个棱镜（4）分成两束光，一束光经一个平面反射镜（9）和一个棱镜（16）进入CCD，另一束光经过一个棱镜（5），一个平面反射镜（12）和一个扩束透镜（17）后照射物体，完成测量面离面方向的变形。
4.根据权利要求1所述的基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，其特征在于：所述分光和传光组件（39）的结构是：所述激光器（1）发出的光束经过一个显微透镜（27）进入一个一分二型光纤分光器（28）分成两束光，一束经一个扩束透镜（36）后照射物体，另一束经一个扩束透镜（34）后照射物体，完成测量面内竖直方向的变形；激光器（2）发出的光束经过一个显微透镜（26）进入一个一分二型光纤分光器（29）分成两束光，一束经一个扩束透镜（35）后照射物体，另一束经一个二合一型光纤耦合器（31）和一个扩束透镜（33）后照射物体，完成测量面内水平方向的变形；激光器（3）发出的光束经过一个显微透镜（25）进入一个一分二型光纤分光器（30）分成两束光，一束经一个扩束透镜（32）和一个棱镜（16）后照射CCD，另一束经一个二合一型光纤耦合器（31）和一个扩束透镜（33）后照射物体，完成测量面离面方向的变形。
5.根据权利要求1所述的基于三色激光的瞬态三维变形测量系统，其特征在于：所述彩色CCD摄像机采用单CCD彩色摄像机，微型滤光片的光谱分别取460nm±30nm、545nm±30nm和640nm±30nm。
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