CN104567721A - 连续剪切干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续剪切干涉测量方法，包括以下步骤：通过CGS的方法设置光路；在第一光栅和第二光栅之间设置旋转台；在旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片；确定每次旋转角度，并控制透明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为π/2；获取透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取透明介质薄片每次旋转之后的第二图像至第四图像；按照四步移相原理式对图像进行灰度运算以获取包裹相位场；进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。发明实施例的方法，通过在旋转台上设置一定厚度和折射率的透明介质薄片并控制薄片旋转，从而根据旋转之前与之后的图像按照四步移相原理式获取包裹相位场，并且进行解包裹，实现条纹图的自动处理。

Description

连续剪切干涉测量方法

技术领域

本发明涉及光测力学技术领域，特别涉及一种连续剪切干涉测量方法。

背景技术

相干梯度敏感干涉方法(Coherent Gradient Sensing)简称CGS方法，其将原本应用于光路中微小相差的检测手段引入力学测量领域，该技术利用了光栅具有的剪切分光的原理，将试件表面反射或透明试件透射的光经过两个光栅的剪切作用，最终形成干涉条纹。干涉条纹代表了面内主应力和梯度(透射情况下)与离面位移梯度(反射情况下)。在断裂力学和曲率测量中有着重要的应用。然而CGS方法自提出以来，并没有实现条纹场自动分析的功能，现有的技术采用的方法为将CCD(Charge-coupled Device电荷耦合元件)采集到的条纹图读入计算机，通过数像素格所对应的距离来确定某一点的位置，进而对条纹进行细化和提取中心线的处理，全场线性插值得到某一点的相位值信息。这样的方法无疑会引入较大误差，首先距离测量存在误差，其次相位值的计算过程会出现大量误差，包括条纹二值化时阈值的选取，中心线提取过程中不可避免的人为因素，线性插值的可靠程度等。

为了解决CGS方法中以上的精度和自动化问题，冯雪等人于2013年提出了一种多波长剪切干涉方法，其原理是在CGS系统中使用不同的光源波长，进而根据CGS的控制方程，得到不同波长对应的分布位置不同的条纹场，进而增加插值点的个数，实现精度的提高。然而，实际过程中很难使用超过三种波长的光源，且此方法对实验系统搭建要求较高。虽然增多了插值点的个数，但相位场计算的精度仍有较大的提升空间。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种连续剪切干涉测量方法，该方法能实现条纹自动处理，并且准确获取相位场。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种连续剪切干涉测量方法，包括以下步骤：通过相干梯度敏感干涉方法CGS的方法设置光路，其中，所述光路包括第一光栅、第二光栅、透镜和光屏；在所述第一光栅和第二光栅之间设置旋转台；在所述旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片；根据旋转角与相移量的定量关系确定每次旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述透明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为π/2；获取所述透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取所述透明介质薄片每次旋转之后的第二图像至第四图像；按照四步移相原理式对所述第一图像至第四图像进行灰度运算以获取包裹相位场；以及进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。

根据本发明实施例提出的连续剪切干涉测量方法，通过在旋转台上设置一定厚度和折射率的透明介质薄片，其次根据旋转角与相移量的定量关系确定每次选择角度，并控制薄片旋转，从而根据旋转之前与之后的图像按照四步移相原理式获取包裹相位场，并且进行解包裹，以获取形貌、曲率和梯度场，实现条纹图的自动处理，并且准确获取相位场，提高测量精确度，更加有利于裂尖应力场或微小曲率的测量，简单便捷。

另外，根据本发明上述实施例的连续剪切干涉测量方法还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，红光和绿光的光程差为：

δS(x,y+ε)-δS(x,y)＝2δω+δS¹-δS²，

其中，δS(x,y+ε)与δS(x,y)分别为试件表面y方向距离为ε的两个点所反射的光线的光程，2δω表示因试件离面位移所引起的光程差，δS¹与δS²分别代表两条光线除却离面位移影响之外的光程；和

其中，d为平面介质厚度，n为平面介质的折射率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，平面介质中的光程差为：

$\frac{\mathrm{nd}}{\cos {\mathrm{\θ}}_3}-\frac{\mathrm{nd}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}=\mathrm{nd}\left(\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}{\cos {\mathrm{\θ}}_3\·\cos {\mathrm{\θ}}_1}\right),$

平面介质外的光程差为：

其中，δe为一过渡光程差量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述δe根据以下公式获取，所述公式为：

δe＝(d₃+d₄)-(d₁+d₂)＝(H₁-H₂)·tanα。

其中，α为平面介质旋转角。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，

$\frac{H_2}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_3=\frac{H_1}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_1,$

H₁-H₂＝d·cosα·(tanθ₃-tanθ₁)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述包裹相位场δ₀(x,y)根据以下公式获取，所述公式为：

${\mathrm{\δ}}_0(x,y)=\arctan \left(\frac{I_3-I_1}{I_0-I_2}\right),$

其中，I₀、I₁、I₂和I₃为所述第一图像至第四图像条纹图的灰度场。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的连续剪切干涉测量方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的传统CGS方法的原理示意图；

图3为根据本发明一个实施例的连续剪切干涉测量方法的原理示意图；

图4为根据本发明一个实施例的相移量参数K随介质旋转角度α的变化情况(10°≤α≤10°)示意图；

图5为根据本发明一个实施例的连续剪切干涉测量方法中光路的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的平面介质旋转三次前后获取的四幅条纹图示意图；以及

图7为根据本发明一个实施例的连续剪切干涉测量方法中包裹相位图、解包裹相位图和形貌图的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的连续剪切干涉测量方法。参照图1所示，该方法包括以下步骤：

S101，通过相干梯度敏感干涉方法CGS的方法设置光路，其中，光路包括第一光栅、第二光栅、透镜和光屏。

具体地，在本发明的一个实施例中，首先按传统CGS方法要求搭好光路，调好零场。其中，参照图2所示，图2为传统CGS方法的原理示意图，从试件透射或反射的光束带有试件内应力或表面离面位移信息，经过第一个光栅G₁之后，其被分成0、±1级三束光，再经过第二个光栅G₂，其中红光和绿光表示试件表面出射光的任意两点光束，绿光在G₁之后的+1级衍射光，G₂之后的0级衍射光与红光在G₁之后的0级衍射光，G₂之后的+1级衍射光发生干涉。试件表面任意两点的光线都有类似关系，所有平行的光束对经过空间滤波透镜之后，经过光阑的遮挡，选取+1级光束干涉对通过，被记录在光屏上，形成干涉条纹。

S102，在第一光栅和第二光栅之间设置旋转台。

其次，在两块光栅之间固定一个精确度为0.02度的旋转台，旋转轴平行于栅线方向。

S103，在旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片。

进一步地，在旋转台上固定一已知厚度、折射率的透明介质薄片。

S104，根据旋转角与相移量的定量关系确定每次旋转角度，并根据旋转角度控制透明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为π/2。

并且，按照旋转角与相移量的定量关系确定每次旋转角度，以及旋转三次透明介质，以保证每次相移步进量为π/2

S105，获取透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取透明介质薄片每次旋转之后的第二图像至第四图像。

其中，在旋转前拍摄一幅图。每次旋转后拍摄一幅条纹图，共记录4幅图。

S106，按照四步移相原理式对第一图像至第四图像进行灰度运算以获取包裹相位场。

S107，进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。

最后，按照四步相移原理式对四幅图进行简单的灰度运算得到包裹相位场，进而解包裹，求得形貌、曲率和梯度场。

在本发明的实施例中，步骤S102和步骤S103中的精确转动的旋转台和已知参数的透明介质可以实现光路中相位差的改变，步骤S104中的相位差步进量精确度一般可以达到0.03以下，意味着最终的相位场相对误差小于2％，步骤S105和步骤S106中的四幅条纹图可以进行非常简单的灰度运算最终精确求解相位。本发明实施例是首次针对CGS方法这种非传统双光束干涉方法的相移技术，同时适用于透射与反射两种光路。

具体地，在本发明的一个实施例中，参照图3所示，在两块光栅即G₁与G₂之间加入一个可精确旋转的透明介质，红光与绿光代表含义未变，二者相距ε，平面介质厚度为d，折射率为n，与竖直方向夹角为α。两块光栅之间的光程被分为三部分，θ₁～θ₃，d₀～d₄的表示含义如图所示。其中，在本发明的一个实施例中，红光和绿光的光程差为：

δS(x,y+ε)-δS(x,y)＝2δω+δS¹-δS²(1)

其中，δS(x,y+ε)与δS(x,y)分别为试件表面y方向距离为ε的两个点所反射的光线的光程，二者相减即意味着此两条光线的光程差，2δω表示因试件离面位移所引起的光程差，δS¹与δS²分别代表两条光线除却离面位移影响之外的光程。

其中，d为平面介质厚度，n为平面介质的折射率，θ₁～θ₃,d₁～d₄的含义如图3所示，为了减少冗余，在此不做具体赘述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，平面介质中的光程差为：

$\frac{\mathrm{nd}}{\cos {\mathrm{\θ}}_3}-\frac{\mathrm{nd}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}=\mathrm{nd}\left(\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_3}{\cos {\mathrm{\θ}}_3\·\cos {\mathrm{\θ}}_1}\right)---(3.a)$

平面介质外的光程差为：

其中，δe为一过渡光程差量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，δe根据以下公式获取，公式为：

δe＝(d₃+d₄)-(d₁+d₂)＝(H₁-H₂)·tanα (4.a)

其中，α为平面介质旋转角，H₁与H₂的含义如图3所示，为了减少冗余，在此不做具体赘述。

另外，在本发明的一个实施例中，其中，

$\frac{H_2}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_3=\frac{H_1}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_1---(4.b)$

H₁-H₂＝d·cosα·(tanθ₃-tanθ₁) (4.c)

因此：

$\mathrm{\δe}=d\·\sin \mathrm{\α}\·({\tan \mathrm{\θ}}_3-\tan {\mathrm{\θ}}_1)=d\·\sin \mathrm{\α}\·\left[\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_1)}{\cos {\mathrm{\θ}}_3\·\cos {\mathrm{\θ}}_1}\right]---\left(5\right)$

故而有

其中，

$d_1+d_2=\mathrm{\Δ}-\frac{d\·\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_3)}{\cos {\mathrm{\θ}}_3}---\left(7\right)$

故而有：

δS(x,y+ε)-δS(x,y)＝2δω+k(α,n,d,Δ)＝Nλ (8)

将上式两端同时除以ε，并注意到：则：

$\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂y}=\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}(N-\frac{k}{\mathrm{\λ}})=\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}[N-K(\mathrm{\α},n,d,\mathrm{\Δ},\mathrm{\λ})]---\left(9\right)$

其中，K(α,n,d,Δ,λ)＝k(α,n,d,Δ)/λ，是一个参数，可以通过数值方法解得。在本发明的实施例中所采用的光波长为532nm，光栅间距Δ＝21.2mm，平面介质厚度为d＝2.00mm，折射率为n＝1.463。参照图4所示，图4为相移量参数K随介质旋转角度α的变化情况示意图，可以看出，在旋转角正负10度以内，这一关系均为线性关系。本事例中这一拟合公式为K＝0.6491α-2.578。据此一次项系数可计算得到相位步进量为δ＝π/2时，δN＝δK＝1/4＝0.6491·δα，因此δα＝1/(4×0.6491)＝0.385°。即每次旋转介质0.385°即可实现每次π/2的相位步进量。根据下式的四步相移计算式即可由四幅条纹图得到包裹相位场δ₀(x,y)。

其中，在本发明的一个实施例中，包裹相位场δ₀(x,y)根据以下公式获取，公式为：

${\mathrm{\δ}}_0(x,y)=\arctan \left(\frac{I_3-I_1}{I_0-I_2}\right)---\left(10\right)$

其中，I₀、I₁、I₂和I₃为第一图像至第四图像条纹图的灰度场。

在本发明的一个具体实施例中，参照图5所示，图5为实例所搭建的系统装置示意图，两光栅之间的MRD即为精确的旋转装置(图中为标示)，实际操作中，调好零场，将试件放置于光路中，按照拟合公式与算出的结果调整三次不同的旋转角，记录下共四幅条纹图。其中，在本发明的实施例中，采用的试件为一个曲率半径为5m的圆形反射镜，其直径为30mm。获得的四幅条纹图如图6所示，图6中(a)～(d)每幅图相较于前一幅图相位差为π/2。利用公式(10)计算得到的包裹相位图与解包裹后的相位图如图7中包裹相位如图中(a)所示和解包裹相位如图中(b)所示，进而求得试件的形貌如图中(c)所示。

简言之，本发明实施例在原有相干梯度敏感干涉光路的两块光栅之间，插入一个透明的可旋转的介质，通过根据对光程差的计算与旋转介质本身的参数，从而可以确定在一定范围内，试件表面透射/反射的光程差将会随着旋转角的变化而发生线性变化。其中，通过旋转特定角度，即可以使得干涉条纹图产生特定相位的变化，进而实现四步相移与条纹的自动处理。相对于现有技术，本发明实施例能实现条纹图的自动处理，包裹相位场的完全自动化计算与相位场的全场求解，对于裂尖应力场或微小曲率测量有着较大的帮助。

根据本发明实施例提出的连续剪切干涉测量方法，通过在旋转台上设置一定厚度和折射率的透明介质薄片，其次根据旋转角与相移量的定量关系确定每次选择角度，并控制薄片旋转，从而根据旋转之前与之后的图像按照四步移相原理式获取包裹相位场，并且进行解包裹，以获取形貌、曲率和梯度场，实现条纹图的自动处理，并且准确获取相位场，提高测量精确度，更加有利于裂尖应力场或微小曲率的测量，简单便捷。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种连续剪切干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过相干梯度敏感干涉方法CGS的方法设置光路，其中，所述光路包括第一光栅、第二光栅、透镜和光屏；

在所述第一光栅和第二光栅之间设置旋转台；

在所述旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片；

根据旋转角与相移量的定量关系确定每次旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述透明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为π/2；

获取所述透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取所述透明介质薄片每次旋转之后的第二图像至第四图像；

按照四步移相原理式对所述第一图像至第四图像进行灰度运算以获取包裹相位场；以及

进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。

2.如权利要求1所述的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，红光和绿光的光程差为：

δS(x，y+ε)-δS(x，y)＝2δω+δS¹-δS²，

其中，δS(x，y+ε)与δS(x，y)分别为试件表面y方向距离为ε的两个点所反射的光线的光程，2δω表示因试件离面位移所引起的光程差，δS¹与δS²分别代表两条光线除却离面位移影响之外的光程；和

其中，d为平面介质厚度，n为平面介质的折射率的含义如图所示。

3.根据权利要求2所述的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，

平面介质中的光程差为：

$\frac{\mathrm{nd}}{{\cos \mathrm{\θ}}_3}-\frac{\mathrm{nd}}{{\cos \mathrm{\θ}}_1}=\mathrm{nd}\left(\frac{{\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_3}{{\cos \mathrm{\θ}}_3\·{\cos \mathrm{\θ}}_1}\right),$

平面介质外的光程差为：

其中，δe为一过渡光程差量。

4.根据权利要求3所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，所述δe根据以下公式获取，所述公式为：

δe＝(d₃+d₄)-(d₁+d₂)＝(H₁-H₂)·tanα。

其中，α为平面介质旋转角。

5.根据权利要求4所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，其中，

$\frac{H_2}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_3=\frac{H_1}{\cos \mathrm{\α}}+d\·{\tan \mathrm{\θ}}_1,$

H₁-H₂＝d·cosα·(tanθ₃-tanθ₁)。

6.根据权利要求1所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，所述包裹相位场δ₀(x，y)根据以下公式获取，所述公式为：

${\mathrm{\δ}}_0(x,y)=\arctan \left(\frac{I_3-I_1}{I_0-I_2}\right),$

其中，I₀、I₁、I₂和I₃为所述第一图像至第四图像条纹图的灰度场。