CN103217209A - 一种基于数字全息的微振动实时面探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，分光单元将接收的激光分为两束线偏振光后，分别输入两个空间滤波器；一束线偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为参考光进入消偏振分光棱镜；另一束线偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为照明光，该照明光照射在待探测物体表面上被散射后进入消偏振分光棱镜，然后输出至图像采集装置。本发明在较大照射光角度范围内获得包含物体表面一定区域内多个位置的全息图；利用高速CMOS相机连续高速拍摄数字全息图，提高装置的振动频率探测范围，实现物体表面一定区域内多个位置微振动实时探测；以非接触、原位探测方式同时获取待探测物体表面相机拍摄区域内多个位置的振动信息，实现微振动面探测。

Description

一种基于数字全息的微振动实时面探测装置

技术领域

本发明涉及一种微振动探测系统，更特别地说，是指一种基于数字全息的微振动实时面探测装置。

背景技术

给予光学技术的非接触式微振动探测系统按探测区域可以分为点探测和面探测两类。以光三角法和激光多普勒法为代表的点探测技术具有探测精度较高、实时性好等优点。但是，它们存在的问题主要有两点：一是将激光照射的区域视为一点，对其整体振动情况进行探测，无法细分区域内更细小部位的振动情况，也即不能实现区域内多点同步实时探测（面探测）；二是需要寻找主反射光，探测角度受限，操作较为不便。

数字全息技术是一种较为典型的面成像检测技术利用CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体）等光电成像探测器件作为记录介质并以数字形式记录全息图，利用计算机模拟再现参考光通过全息图的光学衍射过程以数字方法重构三维散射光场，从而获得散射光场的振幅和相位的信息，其优点包括：（1）以非接触方式获取物体三维信息、对观测样本影响非常小、系统结构简单等优点；（2）数字全息图的记录与再现过程都以数字化形式完成，因此能够以数字形式重构散射光场并可以对物体三维信息进行定量分析；（3）在数字重构过程中，可方便的运用数字图像处理技术，矫正、补偿光学像差以及各种噪声和探测器非线性效应等的影响。

利用数字全息技术的面成像检测优势，进行振动探测是一种较为新型的多点振动同步面探测技术。当物体表面发生微小振动时，记录有物体表面形貌信息的数字全息图也将随之发生改变。设定初始数字全息图，并将由其提取出的相位记为初始相位，然后将此时刻之后连续记录的多幅数字全息图进行相位提取，并分别与初始相位比较，即可探测出该表面一定区域内多个位置的实时微振动信息。该类方法所能探测的振动频率范围主要由图像采集装置的图像采集速率决定。

目前采用本方法的系统使用的光电成像器件的拍摄速度较低,因此仅能探测频率在100Hz以下的振动，同时也无法做到实时探测不规则振动，无法满足实际应用的需求。另外这类系统一般没有采用偏振方向控制装置对参考光和物光的线偏振方向进行调整，不利于散射光干涉成像。

发明内容

本发明提出一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，该装置一方面采用两束线偏振光分别作为参考光和照射待观测物体表面的照明光；另一方面利用线偏振参考光和包含有物体形貌信息的散射光干涉，可以在较大的照射光角度范围获得包含物体振动信息的全息图，不需寻找照明光照射物体表面形成的主反射光，方便使用；第三方面本探测装置能以非接触、原位探测方式同时获取待观测物体表面一定区域内多个位置的振动信息，实现微振动面探测。

本发明的一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，该装置包括有光源、分光单元、空间滤波器A、空间滤波器B、平凸透镜A、平凸透镜B、反射镜A、反射镜B、消偏振分光棱镜和图像采集装置。

光源用于为本发明微振动实时面探测装置提供光信息。

分光单元一方面用于接收从光源出射的激光，分光单元另一方面将接收到的激光分为两束线偏振光，并分别输入两个空间滤波器。偏振分光棱镜置于半波片A和半波片B之间，半波片C置于偏振分光棱镜的反射光位置。其中，所述的半波片A用于将光源发射的激光进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续可调，而半波片B用于调整偏振分光棱镜的透射光的偏振方向；采用半波片C可以调整偏振分光棱镜的反射光的偏振方向；通过旋转半波片B、半波片C使得线偏透射光、反射光的偏振态改变，使两路线偏光的偏振态同为45度，并实现两束线偏光相干叠加，得到包含振动信息的数字全息图。同时通过分别调节连续可调衰减器A和连续可调衰减器B可以调节两束线偏振光的总光强及光强比，进而通过控制参考光和散射光的光强比，提高参物光干涉图像的信噪比。

图像采集单元采用高速CMOS相机，可以连续高速的记录数字全息图，提高可探测的物体表面振动频率范围。

本发明的优点在于：

（1）本发明的分光单元可以同时输出两束线偏振光，并精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比；

（2）本发明通过改变线偏振参考光的偏振方向，和包含有物体振动信息的散射光发生干涉，可以在较大照明光照射物体的角度范围内（-15°～+15°），记录包含物体表面一定区域内多个位置振动信息的数字全息图，不需寻找照明光照射物体表面形成的主反射光，便于操作使用；

（3）采用线偏振参考光4a和具有物体振动信息的线偏振散射光14a在消偏振分光棱镜上进行合光，利用高速CMOS相机以数字全息记录的方法连续高速实时地获取包含待探测物体表面振动信息的数字全息图，进而探测出物体表面相机拍摄区域内多个位置的振动情况，实现微振动面探测；

（4）本发明观测装置结构紧凑，操作方便，尤其适用于对照射角度有特殊要求的物体面微振动探测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明分光单元的结构示意图。

1.光源               1a.激光            1b.透射光             1c.反射光

2.分光单元           201.半波片A        202.偏振分光棱镜      203.半波片B

204.连续可调衰减器A  205.半波片C        206．连续可调衰减器B  21.线偏振光A

22.线偏振光B         301.空间滤波器A    302.平凸透镜A         303.空间滤波器B

304.平凸透镜B        4.反射镜A          4a.参考光             5.消偏振分光棱镜

5a.合并光束          6.图像采集单元     7.反射镜B             7a.照明光

13.光照明单元        14.待探测物体表面  14a.具有物体形貌信息的散射光

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，本发明是一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，该装置包括光源1、分光单元2、空间滤波器A301、空间滤波器B303、平凸透镜A302、平凸透镜B304、反射镜A4、反射镜B7、消偏振分光棱镜5和图像采集单元6。

分光单元2接收光源1出射的激光，并输出线偏振光A21和线偏振光B22；线偏振光A21顺次经空间滤波器A301、平凸透镜A302、反射镜A4后入射至消偏振分光棱镜5上；线偏振光B22顺次经空间滤波器B303、平凸透镜B304、反射镜B7、待探测物体表面14后入射至消偏振分光棱镜5上，最后被图像采集单元6所采集。

分光单元2包括有半波片A201、偏振分光棱镜202、半波片B203、连续可调衰减器A204、半波片C205和连续可调衰减器B206。

本发明设计的一种基于数字全息的微振动实时面探测装置的光路连接为：

光源1出射的中心波长为532nm的激光1a穿过分光单元2的半波片A201上入射至偏振分光棱镜202上；

激光1a经分光单元2进行分光处理后分别输出线偏振光A21和线偏振光B22；

线偏振光A21顺次经空间滤波器A301、平凸透镜A302后，经反射镜A4反射输出参考光4a入射至消偏振分光棱镜5；

线偏振光B22顺次经空间滤波器B303、平凸透镜B304后，经反射镜B7反射输出照明光7a，照明光7a照射到待探测物体表面14上；空间滤波器B303、平凸透镜B304、反射镜B7组成光照明单元13。

在照明光7a的照射下，待探测物体表面14反射具有物体表面振动信息的散射光14a入射至消偏振分光棱镜5；

消偏振分光棱镜5对入射的参考光4a、具有物体表面振动信息的散射光14a进行合光处理得到合并光束5a，该合并光束5a形成的干涉全息图被图像采集单元6的光敏面捕获。

在本发明中，由分光单元2分出的线偏振光A21经空间滤波器A301、平凸透镜A302、反射镜A4后，形成的参考光4a入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为参考光路。

在本发明中，由分光单元2分出的线偏振光B22经光照明单元13照射至待探测物体表面14上后，反射形成的具有物体表面振动信息的散射光14a入射至消偏振分光棱镜5，这路光路可以称为物光光路。

通过分光单元2中半波片B203，可以改变参考光路中线偏振光A21的偏振方向，从而使图像采集单元6记录数字全息图。然后通过图像采集单元6高速连续采集的多幅数字全息图运用数字方法进行相位提取，从而实时获得物体表面的振动情况。

在本发明中，光源1用于为本发明一种基于数字全息的微振动实时面探测装置提供光信息，该光源1提供了的中心波长为532nm的激光。

分光单元2一方面用于接收从光源1出射的中心波长为532nm的激光1a，分光单元2另一方面将接收到的激光1a分为线偏振光A21和线偏振光B22，并分别输入空间滤波器A301和空间滤波器B303。偏振分光棱镜202置于半波片A201和半波片B203之间，半波片C205置于偏振分光棱镜202的反射光位置。其中，所述的半波片A201用于将光源发射的激光1a进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光1b和反射光1c的光强比连续可调，而半波片B203用于调整偏振分光棱镜202的透射光1b的偏振方向；采用半波片C205可以调整偏振分光棱镜202的反射光1c转化的线偏振光B22的偏振方向；通过旋转半波片B203使得线偏透射光1b的偏振态改变，通过旋转半波片C205使得线偏透射光1c的偏振态改变，实现偏振方向同为45度的两束线偏光相干叠加，得到包含振动信息的数字全息图。同时通过连续可调衰减器204A、连续可调衰减器B206来调整线偏振光A21和线偏振光B22的总光强（不超过图像采集单元（6）的光强探测范围）及光强比（3:7～1:1），来控制参考光4a和散射光14a的光强比，从而提高了参物光干涉图像的信噪比。

在本发明中，半波片A201、半波片B203和半波片C205可以改变入射线偏振光的偏振方向，可以选取北京大恒光电公司生产的GCL-060411型号的石英零级半波片。

在本发明中，偏振分光棱镜202具有将1束入射光分为两束传播方向垂直、偏振方向正交的光。可以选取北京大恒光电公司生产的GCC-401102型号的偏振分光棱镜。

在本发明中，连续可调衰减器A204和连续可调衰减器B206可根据圆盘的旋转而线性改变出射空间光的光功率，可以是北京大恒光电公司生产的GCO-0704M圆形可调衰减器/分光镜。

在本发明中，空间滤波器A301和空间滤波器B303可以对一束入射的激光光束进行空间滤波，得到均匀的出射光斑，选取北京大恒光电公司生产的GCM-01M型空间滤波器。

在本发明中，平凸透镜A302和平凸透镜B304用于对空间滤波器A301和空间滤波器B303近似点光源出射光扩束为一定尺寸的平行光。选用北京大恒光电公司生产的GCL-010115型K9平凸透镜。平凸透镜A302和平凸透镜B304可以安装在北京大恒光电公司生产的GCM-2701381M型号透镜/反射镜支架。

在本发明中，反射镜A4和反射镜B7可以选取北京大恒光电公司生产的GCC-102102型号反射镜，安装在北京大恒光电公司生产的GCM-082305M型号二维调整架。

在本发明中，消偏振分光棱镜5具有将两束传播方向垂直的入射光合成一束光。选取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生产的NT49-004型号消偏振分光棱镜。

本发明装置用于对选定区域内的多个位置同时进行实时微振动探测，被测振动频率超过2KHz。

本发明装置的照明光7a从角度范围：-15°～+15°照射物体时，均可对被测目标进行微振动探测。

在本发明中，图像采集单元6可以选取德国Mikrotron公司生产、型号为EoSenS CLMC1362、分辨率为1280×1024像素、帧频为500fps、光敏面尺寸为1.43英寸、信号接口为camera link总线的CMOS相机。在降低拍摄分辨率、缩小拍摄窗口至80×32像素，曝光时间降低至18μs的条件下，帧频可提高至44100fps。图像采集单元6能够连续高速获取的多幅含有散射光微振动信息的数字全息图像，提高装置的振动频率探测范围，最高可探测频率为3000Hz的振动。

Claims (4)

1.一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，其特征在于，包括光源（1）、分光单元（2）、空间滤波器A（301）、空间滤波器B（303）、平凸透镜A（302）、平凸透镜B（304）、反射镜A（4）、反射镜B（7）、消偏振分光棱镜（5）和图像采集单元（6）；

分光单元（2）包括半波片A（201）、偏振分光棱镜（202）、半波片B（203）、连续可调衰减器A（204）、半波片C（205）和连续可调衰减器B（206）；

偏振分光棱镜（202）置于半波片A（201）和半波片B（203）之间，半波片C（205）置于偏振分光棱镜（202）的反射光位置，连续可调衰减器A（204）位于半波片A（201）之后，连续可调衰减器B（206）位于半波片B（203）之后；

光源（1）出射的激光（1a）穿过分光单元（2）的半波片A（201），入射至偏振分光棱镜（202）上，通过偏振分光棱镜（202）得到透射光（1b）和反射光（1c），透射光（1b）依次通过半波片B（203）、连续可调衰减器A（204）后，得到线偏振光A（21），反射光（1c）通过半波片C（205）、连续可调衰减器B（206）后，得到线偏振光B（22）；

线偏振光A（21）顺次经空间滤波器A（301）、平凸透镜A（302）后，经反射镜A（4）反射输出参考光（4a）入射至消偏振分光棱镜（5）；

线偏振光B（22）顺次经空间滤波器B（303）、平凸透镜B（304）后，经反射镜B（7）反射输出照明光（7a），照明光（7a）照射到待探测物体表面（14）上；

在照明光（7a）的照射下，待探测物体表面（14）反射具有物体表面振动信息的散射光（14a）入射至消偏振分光棱镜（5）；

消偏振分光棱镜（5）对入射的参考光（4a）、具有物体表面振动信息的散射光（14a）进行合光处理得到合并光束（5a），该合并光束（5a）形成的干涉全息图被图像采集单元（6）的光敏面捕获；

通过旋转半波片B（203）和半波片C（205）使得线偏透射光（1b）和线偏振光B（22）的偏振态都改变至45度，实现相同同偏振方向的两束线偏光相干叠加，得到包含物体表面振动信息的数字全息图，同时通过调整连续可调衰减器A（204）和连续可调衰减器B（206）对线偏振光A（21）和线偏振光B（22）的总光强及光强比进行调节，使得总光强不超过图像采集单元的探测范围，且该光强比为3:7～1:1。

2.根据权力要求1所述的一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，其特征在于，所述的图像采集单元（6）采用高速CMOS相机。

3.根据权力要求1所述的一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，其特征在于，装置用于对选定区域内的多个位置同时进行实时微振动探测，也即实时微振动面探测，被测振动频率最大为3KHz。

4.根据权力要求1所述的一种基于数字全息的微振动实时面探测装置，其特征在于，照明光（7a）从角度范围：-15°～+15°照射物体时，均可对被测目标进行微振动探测。

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