CN104482875A - 单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法，其特征是：激光器出射的激光经过扩束镜之后以扩散光的形式照射被测物，被测物的表面漫反射光依次经过成像镜头、狭缝光阑、4f系统以及迈克尔逊型装置投射在CCD相机的靶面上。本发明可以对被测物表面的缺陷和应力形变进行无损、全场、快速、动态测量，且便于现场测量。

Description

单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法，用于解决工业上对大面积被测物的变形和缺陷进行无损、快速、动态、在线检测的问题，可广泛地应用在航空航天、机械制造等领域。

背景技术

随着现代工业技术的不断发展，人们对生产设备和产品的检测技术要求也在不断提高，高精度、非接触、在线检测等已成为工业检测技术的发展趋势。剪切散斑干涉技术是激光测量的重要分支，除了上述优点外，还具有无损、全场检测、抗震能力强、不需要参考光束的优点。因此剪切散斑干涉技术在工业无损检测领域有着广泛的应用。

但是传统剪切散斑干涉技术测量范围小，且多采用时间相移技术，时间相移技术是指在时间序列上采集图像，在各帧图像之间形成固定的相位差，但这种方法容易受到外部环境的干扰，如振动，温度波动，或被测物本身的快速运动影响，无法实现动态测量。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法，可以对被测物表面的缺陷和应力形变进行无损、全场、快速、动态测量，且便于现场测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点是：激光器出射的激光经过扩束镜之后以扩散光的形式照射被测物，所述被测物的表面漫反射光依次经过成像镜头、狭缝光阑、4f系统以及迈克尔逊型装置投射在CCD相机的靶面上。

本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点也在于：所述迈克尔逊型装置是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱镜第二侧面的第二平面镜构成，所述分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相邻的两个侧面，所述第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角θ，所述第二平面镜与分光棱镜第二侧面平行；被测物的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束并分别垂直照射在所述第一平面镜和第二平面镜上，由所述第一平面镜反射后的第一光束偏转β角度照射到CCD相机的靶面上，β＝2θ，由所述第二平面镜反射后的第二光束垂直照射到CCD相机的靶面上，所述第一光束和第二光束在CCD相机的靶面上的成像形成有错位，以剪切量Δx表征所述错位量，相互倾斜的第一光束和第二光束产生载波，载波频率为f₀，以所述迈克尔逊型装置作为剪切装置并作为载波装置。

本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点也在于：所述狭缝光阑位于成像镜头的焦平面上，以所述狭缝光阑作为空间滤波器，以控制空间频谱的带宽。

本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法的特点是：对所述被测物进行动态变形，由所述CCD相机采集被测物在变形前后的剪切散斑干涉图像，通过计算获得所述剪切散斑干涉图像的相位信息，将被测物在变形前和变形后的散斑干涉图像的相位信息进行相减处理，获得表征被测物的离面变形信息的相位差，进而测量出被测物的离面位移导数场。

本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法是按如下步骤进行：

步骤1：由CCD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)

被测物(3)的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成剪切角为β的第一光束和第二光束；第一光束的波前u₁(x,y)和第二光束的波前u₂(x,y)分别由式(1)和式(2)表示：

式(1)和式(2)中，|u₁(x+Δx,y)|是第一光束的波阵面振幅，|u₂(x,y)|为第二光束的波阵面振幅，为第一光束的相位，为第二光束的相位。其中x,y分别表示CCD相机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标；

由式(3)计算获得由CCD相机所采集到的剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：

I(x,y)＝a(x,y)+u(x,y)exp(i2πf₀x)+u^*(x,y)exp(-i2πf₀x)  (3)

式(3)中

a(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)|²+|u₂(x,y)|²

u(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)||u₂(x,y)|exp[iφ(x,y)]

φ(x,y)为剪切散斑干涉图像的相位信息；

步骤2、利用傅里叶变换算法，对剪切散斑干涉图像求取空间频谱

对剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到由式(4)表征的空间频谱FT[I(x,y)]：

FT[I(x,y)]＝A(f_x,f_y)+U(f_x-f₀,f_y)+U^*(f_x+f₀,f_y)(4)，其中：

A(f_x,f_y)为含有背景光信息的低频项，位于频谱的中心坐标(0,0)的周围领域上；

U^*(f_x+f₀,f_y)和U(f_x-f₀,f_y)互为共轭，是含有剪切散斑干涉图像的相位信息的项，由于空间载频f₀的引入，U^*(f_x+f₀,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)在频谱中分别产生了不同方向的移动，分别位于频谱的坐标(f₀，0)处和(-f₀，0)的周围领域上；

A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱的带宽均为2f_p；

步骤3、设置剪切角与狭缝光阑的参数，实现分频处理

以狭缝光阑(5)作为空间滤波器控制频谱的带宽2f_p，频谱的带宽2f_p与狭缝光阑的缝隙尺寸D成正比例关系；以迈克尔逊装置(7)为载波装置所产生的载波频率f₀与剪切角β成正比例关系；

设置剪切角β和狭缝光阑的缝隙尺寸D的大小，使式(5)成立，以使频谱上A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱相互分离，

2f_p≤f₀≤2f_max/3    (5)

式(5)中f_max为CCD相机的最大空间频率；

步骤4、采用傅里叶逆变换计算剪切散斑干涉图像的相位

设置窗函数取出集中在坐标(f₀，0)周围邻域的频谱带U(f_x-f₀,f_y)，经傅里叶逆变换得到由式(6)表征的剪切散斑干涉图像的相位信息φ(x,y)+2πf₀x：

φ(x,y)+2πf₀x＝arctan{Im[v(x,y)]/Re[v(x,y)]}  (6)

式(6)，v(x,y)＝u(x,y)exp(i2πf₀x)＝FT^-1{U(f_x-f₀,f_y)}，其中Im[v(x,y)]和Re[v(x,y)]分别为v(x,y)的虚部和实部；

步骤5、对被测物进行变形，计算被测物的离面位移量导数场

在被测物变形前后各采集一幅剪切散斑干涉图像，由式(7)计算获得被测物体变形前和变形后的两个不同状态的剪切散斑干涉图像的相位差Δ(x,y)：

Δ(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₀(x,y)      (7)

式(7)中φ₁(x,y)为被测物变形之后的相位信息，φ₀(x,y)为被测物变形之前的相位信息；以所述相位差Δ(x,y)表征被测物的离面变形信息，由式(8)获得被测物的离面位移导数场 $\∂w/\∂x:\frac{\∂w}{\∂x}=\frac{\mathrm{\λ\Δ}(x,y)}{4\mathrm{\π\Δx}}---\left(8\right),$ 式(8)中的λ为激光波长。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用空间载波技术，并利用傅里叶算法实现了单幅剪切散斑干涉图像快速解算相位信息的过程，进而实现对被测物的快速动态实时测量。

2、本发明克服了传统的时间相移技术在时间序列上采集图像的过程，因此抗震能力强，不易受到外部环境振动，温度波动，被测物本身的快速运动等因素的干扰，适合工业现场的测量。

3、本发明采用简单的迈克尔逊结构既作为剪切装置又作为载波装置，简化了系统结构，降低了成本。

4、本发明采用了一个狭缝光阑作为空间滤波器来控制空间频谱的带宽。狭缝光阑可以在频谱分离的前提下获得较高的图像信噪比，大大提高了测量精度。

5、本发明中嵌入了4f系统，实现了大视场角的测量，可以对大面积被测物实现全场测量或者快速扫描测量。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为空间频谱图。

图3为一系列动态测量的包裹相位结果，其中图3中(a)-(f)分别为变形由小到大的包裹相位图。

图中标号：1激光器，2扩束镜，3被测物，4成像镜头，5狭缝光阑，6为4f系统，7迈克尔逊型装置，8为CCD相机。

具体实施方式

参见图1，本实施例中单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的构成为：激光器1出射的激光经过扩束镜2之后以扩散光的形式照射被测物3，被测物3的表面漫反射光依次经过成像镜头4、狭缝光阑5、4f系统6以及迈克尔逊型装置7投射在CCD相机8的靶面上。

如图1所示，迈克尔逊型装置7是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱镜第二侧面的第二平面镜构成，分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相邻的两个侧面，第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角θ，第二平面镜与分光棱镜第二侧面平行；被测物3的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第二光束，第一光束和第二光束并分别垂直照射在第一平面镜和第二平面镜上，由第一平面镜反射后的第一光束偏转β角度照射到CCD相机8的靶面上，β＝2θ，由第二平面镜反射后的第二光束垂直照射到CCD相机8的靶面上，第一光束和第二光束在CCD相机8的靶面上的成像形成有错位，以剪切量Δx表征错位量，相互倾斜的第一光束和第二光束产生载波，载波频率为f₀，以迈克尔逊型装置7作为剪切装置并作为载波装置。

图1中所示的狭缝光阑5位于成像镜头4的焦平面上，以狭缝光阑5作为空间滤波器，以控制如图2所示的空间频谱图的带宽2f_p。

本实施例中图1所示单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法是：对被测物3进行动态变形，由CCD相机8采集被测物3在变形前后的剪切散斑干涉图像，通过计算获得散斑干涉图像的相位信息，将被测物3在变形前和变形后的散斑干涉图像的相位信息进行相减处理，获得表征被测物3的离面变形信息的相位差，进而测量出被测物3的离面位移导数场，具体按如下步骤进行：

步骤1：由CCD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)

被测物3的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成剪切角为β的第一光束和第二光束；第一光束的波前u₁(x,y)和第二光束的波前u₂(x,y)分别由式(1)和式(2)表示：

式(1)和式(2)中，|u₁(x+Δx,y)|是第一光束的波阵面振幅，|u₂(x,y)|为第二光束的波阵面振幅，为第一光束的相位，为第二光束的相位。其中x,y分别表示CCD相机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标；

由式(3)计算获得由CCD相机所采集到的剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：

I(x,y)＝a(x,y)+u(x,y)exp(i2πf₀x)+u^*(x,y)exp(-i2πf₀x)   (3)

式(3)中

a(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)|²+|u₂(x,y)|²

u(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)||u₂(x,y)|exp[iφ(x,y)]

φ(x,y)为剪切散斑干涉图像的相位信息；

步骤2、利用傅里叶变换算法，对剪切散斑干涉图像求取空间频谱

对剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到如图2所示的空间频谱图，由式(4)表征空间频谱FT[I(x,y)]：

FT[I(x,y)]＝A(f_x,f_y)+U(f_x-f₀,f_y)+U^*(f_x+f₀,f_y)     (4)，其中：

A(f_x,f_y)为含有背景光信息的低频项，位于频谱的中心坐标(0,0)的周围领域上；

U^*(f_x+f₀,f_y)和U(f_x-f₀,f_y)互为共轭，是含有剪切散斑干涉图像的相位信息的项，由于空间载频f₀的引入，U^*(f_x+f₀,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)在频谱中分别产生了不同方向的移动，分别位于频谱的坐标(f₀，0)处和(-f₀，0)的周围领域上；

A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱的带宽均为2f_p；

步骤3、设置剪切角与狭缝光阑的参数，实现分频处理

以狭缝光阑(5)作为空间滤波器控制频谱的带宽2f_p，频谱的带宽2f_p与狭缝光阑的缝隙宽度D成正比例关系：2f_p＝2D/λf，λ为激光波长，f为成像镜头的焦距；以迈克尔逊装置为载波装置所产生的载波频率f₀与剪切角β成正比例关系：f₀＝sinβ/λ；

为了使频谱上A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱相互分离，要通过设置剪切角β和狭缝光阑的缝隙宽度D的大小，使式(5)成立：

2f_p≤f₀≤2f_max/3    (5)

式(5)中f_max为CCD相机的最大空间频率。

剪切角β与狭缝宽度D有各自的调节范围且相互影响，其参数设置方式为：应首先根据测量指标给定一个合适的剪切角，此时载波频率f₀也确定下来了；然后再调节狭缝宽度D，狭缝光阑起到空间滤波器的作用，频谱带宽2f_p随狭缝宽度D增大而增大，因此应该在满足公式(5)的前提下，使D取其上限值，一方面使频谱分离，另一方面获得最大的频谱带宽2f_p，进而增加图像信噪比，大大提高测量精度。

步骤4、采用傅里叶逆变换计算散斑干涉图像的相位

设置窗函数取出集中在坐标(f₀，0)周围邻域的频谱带U(f_x-f₀,f_y)，经傅里叶逆变换得到由式(6)表征的散斑干涉图像的相位信息φ(x,y)+2πf₀x：

φ(x,y)+2πf₀x＝arctan{Im[v(x,y)]/Re[v(x,y)]}    (6)

式(6)，v(x,y)＝u(x,y)exp(i2πf₀x)＝FT^-1{U(f_x-f₀,f_y)}，其中Im[v(x,y)]和Re[v(x,y)]分别为v(x,y)的虚部和实部；

步骤5、对被测物进行变形，计算被测物的离面位移量导数场

在被测物变形前后各采集一幅剪切散斑干涉图像，由式(7)计算获得被测物体变形前和变形后的两个不同状态的剪切散斑干涉图像的相位差Δ(x,y)：

Δ(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₀(x,y)      (7)

式(7)中φ₁(x,y)为被测物变形之后的相位信息，φ₀(x,y)为被测物变形之前的相位信息；以所述相位差Δ(x,y)表征被测物的离面变形信息，由式(8)获得被测物的离面位移导数场 $\∂w/\∂x:\frac{\∂w}{\∂x}=\frac{\mathrm{\λ\Δ}(x,y)}{4\mathrm{\π\Δx}}---\left(8\right),$ 式(8)中的λ为激光波长。

图3表示在动态测量中，相位差Δ(x,y)所对应的一系列动态包裹相位结果，其中，由(a)依次到(f)分别为变形由小到大的包裹相位图，将得到的相位图(a)至(f)经过解包裹处理之后，根据公式(8)便可以获得被测物由小到大的离面位移导数场。

Claims (5)

1.一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：激光器(1)出射的激光经过扩束镜(2)之后以扩散光的形式照射被测物(3)，所述被测物(3)的表面漫反射光依次经过成像镜头(4)、狭缝光阑(5)、4f系统(6)以及迈克尔逊型装置(7)投射在CCD相机(8)的靶面上。

2.根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述迈克尔逊型装置(7)是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱镜第二侧面的第二平面镜构成，所述分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相邻的两个侧面，所述第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角θ，所述第二平面镜与分光棱镜第二侧面平行；被测物(3)的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束并分别垂直照射在所述第一平面镜和第二平面镜上，由所述第一平面镜反射后的第一光束偏转β角度照射到CCD相机(8)的靶面上，β＝2θ，由所述第二平面镜反射后的第二光束垂直照射到CCD相机(8)的靶面上，所述第一光束和第二光束在CCD相机(8)的靶面上的成像形成有错位，以剪切量Δx表征所述错位量，相互倾斜的第一光束和第二光束产生载波，载波频率为f₀，以所述迈克尔逊型装置(7)作为剪切装置并作为载波装置。

3.根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述狭缝光阑(5)位于成像镜头(4)的焦平面上，以所述狭缝光阑(5)作为空间滤波器，以控制空间频谱的带宽。

4.一种权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法，其特征是：对所述被测物(3)进行动态变形，由所述CCD相机(8)采集被测物(3)在变形前后的剪切散斑干涉图像，通过计算获得所述剪切散斑干涉图像的相位信息，将被测物(3)在变形前和变形后的散斑干涉图像的相位信息进行相减处理，获得表征被测物(3)的离面变形信息的相位差，进而测量出被测物(3)的离面位移导数场。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1：由CCD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)

被测物(3)的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成剪切角为β的第一光束和第二光束；第一光束的波前u₁(x,y)和第二光束的波前u₂(x,y)分别由式(1)和式(2)表示：

式(1)和式(2)中，|u₁(x+Δx,y)|是第一光束的波阵面振幅，|u₂(x,y)|为第二光束的波阵面振幅，为第一光束的相位，为第二光束的相位。其中x,y分别表示CCD相机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标；

由式(3)计算获得由CCD相机所采集到的剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：

I(x,y)＝a(x,y)+u(x,y)exp(i2πf₀x)+u^*(x,y)exp(-i2πf₀x)     (3)

式(3)中

a(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)|²+|u₂(x,y)|²

u(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)||u₂(x,y)|exp[iφ(x,y)]

φ(x,y)为剪切散斑干涉图像的相位信息；

步骤2、利用傅里叶变换算法，对剪切散斑干涉图像求取空间频谱

对剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到由式(4)表征的空间频谱FT[I(x,y)]：

FT[I(x,y)]＝A(f_x,f_y)+U(f_x-f₀,f_y)+U^*(f_x+f₀,f_y)    (4)，其中：

A(f_x,f_y)为含有背景光信息的低频项，位于频谱的中心坐标(0,0)的周围领域上；

U^*(f_x+f₀,f_y)和U(f_x-f₀,f_y)互为共轭，是含有剪切散斑干涉图像的相位信息的项，由于空间载频f₀的引入，U^*(f_x+f₀,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)在频谱中分别产生了不同方向的移动，分别位于频谱的坐标(f₀，0)处和(-f₀，0)的周围领域上；

A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱的带宽均为2f_p；

步骤3、设置剪切角与狭缝光阑的参数，实现分频处理

以狭缝光阑(5)作为空间滤波器控制频谱的带宽2f_p，频谱的带宽2f_p与狭缝光阑的缝隙尺寸D成正比例关系；以迈克尔逊装置(7)为载波装置所产生的载波频率f₀与剪切角β成正比例关系；

设置剪切角β和狭缝光阑的缝隙尺寸D的大小，使式(5)成立，以使频谱上A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱相互分离，

2f_p≤f₀≤2f_max/3         (5)

式(5)中f_max为CCD相机的最大空间频率；

步骤4、采用傅里叶逆变换计算剪切散斑干涉图像的相位

设置窗函数取出集中在坐标(f₀，0)周围邻域的频谱带U(f_x-f₀,f_y)，经傅里叶逆变换得到由式(6)表征的剪切散斑干涉图像的相位信息φ(x,y)+2πf₀x：

φ(x,y)+2πf₀x＝arctan{Im[v(x,y)]/Re[v(x,y)]}        (6)

式(6)，v(x,y)＝u(x,y)exp(i2πf₀x)＝FT^-1{U(f_x-f₀,f_y)}，其中Im[v(x,y)]和Re[v(x,y)]分别为v(x,y)的虚部和实部；

步骤5、对被测物进行变形，计算被测物的离面位移量导数场

在被测物变形前后各采集一幅剪切散斑干涉图像，由式(7)计算获得被测物体变形前和变形后的两个不同状态的剪切散斑干涉图像的相位差Δ(x,y)：

Δ(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₀(x,y)                    (7)

式(7)中φ₁(x,y)为被测物变形之后的相位信息，φ₀(x,y)为被测物变形之前的相位信息；以所述相位差Δ(x,y)表征被测物的离面变形信息，由式(8)获得被测物的离面位移导数场 $\frac{\∂w}{\∂x}=\frac{\mathrm{\λ\Δ}(x,y)}{4\mathrm{\π\Δx}}---\left(8\right),$ 式(8)中的λ为激光波长。