CN105547540A - 实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，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；在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜；设置第一至第四旋转台；设置透明介质薄片；根据旋转角与相移量的定量关系确定相对旋转角度；根据相对旋转角度控制透明介质薄片旋转以保证每次相移步进量分别为π/2，π，3π/2；获取第一至第四条纹图；根据灰度系数分割第一至第四条纹图；按照四步相移原理式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。该方法可以提高求解精度与效率，实现精确与自动化的动态问题条纹图的处理与计算，简单便捷。

Description

实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法

技术领域

本发明涉及光测力学技术领域，特别涉及一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法。

背景技术

相干梯度敏感干涉方法(CoherentGradientSensing)简称CGS方法，是将准直激光束通过透明试件或经由反射表面反射，透过两片荣格光栅形成的干涉条纹场。其中，在透射式的方法中，干涉条纹即面内主应力和梯度的等值线；而在反射式的方法中，干涉条纹即离面位移梯度的等值线。此方法广泛应用在断裂力学和曲率测量中，尤其是在动态断裂力学中，有着极其广泛的应用。此方法的控制方程中含有透光介质的面内主应力和项，与断裂力学平面问题中的K因子表达恰好一致，故而成为了透明材料K因子求解的重要手段。然而，CGS方法自从提出以来，并没有解决条纹场自动处理的问题，尤其是动态问题中的条纹自动处理。动态问题要求实时记录条纹场的变化情况，并通过每一帧条纹图获取当时的材料应力、变形信息，是非常困难的。

相关技术中，为了解决CGS方法中以上的精度和自动化问题，常见的方法是在原有CGS系统中进行相移，然而CGS方法的原理决定了其相移的难度，其干涉条纹并非两束相互独立的激光干涉而来的，而是试件表面距离非常近(亚毫米量级)的两个点出射或反射的光线彼此干涉而得到的，且试件的尺寸远大于这个距离，两束光无法有效分离，进而对其中一束引入相位差。即CGS方法区别于其他传统干涉方法之处决定了其不允许用传统相移的原理进行相移。此外，对于动态问题来说，条纹灰度场是时间的函数，无法通过与静态问题相同的方法来实现四步相移。

因此，如何在空间上进行相移，如何实现动态问题中的实时测量并获取精确的全场相位信息，就是传统CGS方法所面临的重大挑战，也是CGS方法在动态断裂问题中应用的一大瓶颈。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决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实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，该方法可以提高求解精度与效率，简单便捷。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，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；在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜；在所述第一光栅和第二光栅之间设置第一至第四旋转台；在每个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片透明介质薄片的相对旋转角度；固定任意一片透明介质薄片，并根据所述相对旋转角度控制剩余透明介质薄片旋转以保证每次相移步进量分别为π/2，π，3π/2；放置试件以获取第一至第四条纹图；根据灰度系数分割所述第一至第四条纹图；按照四步相移原理式对分割后的所述第一至第四的条纹图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。

根据本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，在原有相干梯度敏感干涉光路的试件后方，放置一套组合棱镜，将一束平行激光分为相位差不变的四束平行激光阵列，分别通过两块光栅之间的相差系统，通过四个独立的可旋转的平面透明介质，引入光程差的逐级改变，最终同时获取四个不同相位差值的条纹图，进而可以实现动态问题的实时观测与相位场精确求解，提高了其求解精度与效率，实现了精确与自动化的动态问题条纹图的处理与计算，对于非静态裂尖应力场或微小曲率动态测量有着较大的帮助。

另外，根据本发明上述实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述设置试件之前，还包括：获取不放置所述试件时且调整零场之后的第一至第四零场图，并且分割计算每个区域的平均灰度值，以得到所述灰度系数。

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分别为第一至第四条纹图的灰度场。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一至第四旋转台的精确度为0.01且旋转轴平行于栅线方向。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一至第四条纹图的序列为2×2序列。

附图说明

图1为根据本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法的流程图；

图2为传统CGS方法的原理示意图；

图3为根据本发明一个实施例的分光原理示意图；

图4(a)至图4(b)分别为根据本发明一个实施例的相差系统的结构示意图和组合滑轨与光栅后系统的结构示意图；

图5为根据本发明一个具体实施实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法的原理示意图；

图6(a)至图6(b)分别为根据本发明一个实施例的直接获取的2×2条纹阵列示意图和灰度标定处理后的条纹阵列示意图；以及

图7(a)至图7(c)分别为根据本发明一个实施例的包裹相位示意图、解包裹相位示意图与形貌示意图。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法。

图1是本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法的流程图。

如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

在步骤S101中，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。即言，首先按传统CGS方法要求搭好光路，调好零场。

图2为传统CGS方法的原理示意图。

如图2所示，在传统的CGS方法中，平行光束从试件透射或反射之后，含有了试件内部的应力与厚度信息，或反射型试件的表面形貌信息，经过第一个光栅G₁之后，平行光束其被分成0、±1级三个光束，可取光束中任意一条分析，三条光线经过第二个光栅G₂之后，发生衍射光束彼此之间的干涉，产生条纹分布。图中红光和绿光表示试件表面出射或反射光的两条光线，两点相距为ε，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。而类似地，从试件表面出射或反射的平行光束中，任意一条光线与相邻的光线均会产生同样的衍射与干涉效应。而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，一般可以选取+1级光束干涉对通过，被记录在光屏上，形成干涉条纹。

在步骤S102中，在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜。

在准直镜后放置一个半透半反与全反射的组合棱镜，以将一束光分解为四束光，且保持每束光任意两点的光程差未发生改变。即言，组合棱镜的设计思路为分光功能，从而实现一束平行光分为四束光强比接近1:1:1:1的平行光束，也不会影响原有每束光中所含的试件内部/表面相位差的信息。

图3为根据本发明一个实施例的分光原理示意图

进一步地，如图3所示，本发明实施例在上述传统CGS方法的基础上，在试件出射或反射之后加入一个组合棱镜，其分光原理如图所示，例如共含有三块半透半反镜与三块全反射镜，其中B、C、D三块为半透半反镜，均消偏振，且组合棱镜入射镜面前(B与A的对应面)粘有实验波长的1/4波片，旋转至合适角度后可将原有的平行激光束转变为圆偏振光束，避免之后的组合反射带来过大的光强差。E、F、G三块为全反射镜。

在步骤S103中，在第一光栅和第二光栅之间设置第一至第四旋转台。

可选地，在本发明的一个实施例中，在两块光栅之间固定的第一至第四旋转台的精确度可以为0.01且旋转轴平行于栅线方向。

在步骤S104中，在每个旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片。

其中，每个旋转台设置完全相同的、已知厚度与折射率的平面介质薄片。四个薄片性质完全相同，厚度与折射率可以根据实际情况由技术人员进行设置。

在步骤S105中，根据旋转角与相移量的定量关系确定每片透明介质薄片的相对旋转角度。

在步骤S106中，固定任意一片透明介质薄片，并根据相对旋转角度控制剩余透明介质薄片旋转以保证每次相移步进量分别为π/2，π，3π/2。

也就是说，调整每一片平面介质薄片，固定其中一片，旋转其余三片透明介质不同角度，以保证其相移步进量分别为π/2，π，3π/2，进行四步相移的过程。

在步骤S107中，放置试件以获取第一至第四条纹图。

在步骤S108中，根据灰度系数分割第一至第四条纹图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在设置试件之前，还包括：获取不放置试件时且调整零场之后的第一至第四零场图，并且分割计算每个区域的平均灰度值，以得到灰度系数。

其中，不放置试件，调整零场，可以用CCD同时记录四幅零场图，分割计算每个区域的平均灰度值，以此进行灰度系数标定，即言在零场时记录并分割图像，计算平均灰度，并由此得到灰度系数。

可选地，在本发明的一个实施例中，第一至第四条纹图的序列可以为2×2序列。在得到灰度系数之后，放置试件进行实验，得到2×2序列的条纹图，分割，按照标定的灰度系数分割并处理得到四副标准的条纹图。

具体而言，由试件表面反射或内部透射的平行光束被分为四束平行光阵列之后，带有试件内部或表面的信息，经过第一个衍射光栅之后，进入一个2×2的可旋转的透明介质阵列。每个透明介质均可以实现独立精确的角度旋转，旋转精度为0.01度，如图4(a)所示。4块透明介质的光学、几何性质均相同，独立安装在四个旋转台上，且整体可以在滑轨上实现水平与竖直模式的轻松切换，滑轨装有精确卡位装置，保证透明介质旋转轴线绝对水平或竖直，在滑轨下方固定台，同时对称固定有两块光栅，如图4(b)所示。

然而，由于每一块透明介质旋转角度不同，因此会为条纹图所表达的相位场引入相位差，而只需要固定其中一块透明介质，另外三块透明介质的旋转角度可相继确定。由于旋转角与相位差系数K之间是线性关系，只需要通过数值计算出线性常数即可轻松确定旋转角。

例如，采用的绿激光波长为532nm，光栅间距Δ＝21.2mm，平面介质厚度均为d＝2.00mm，折射率为n＝1.463。本事例中K与旋转角α之间的关系式为：K＝0.6491α-2.578。据此线性关系的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°。即每一块平面介质在前一块的基础上多旋转0.385°即可实现四块逐次π/2的相位差量。

进一步地，旋转好每一块平面介质之后，即可进行动态实验。而由于组合棱镜的分光效果无法保证四个光束阵列的光强比严格为1:1:1:1，所以需要在每次实验前，用平面镜做试件，得到四个光斑阵列。通过计算阵列中每一个区域的光强总和或平均值，得到四个区域的光强比，从而在实际的实验中，可以依据此光强比标定系数得到严格1:1:1:1光强比的条纹图阵列。

在步骤S109中，按照四步相移原理式对分割后的第一至第四的条纹图进行灰度运算以获取包裹相位场。

进一步地，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：

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

其中，I₀、I₁、I₂和I₃分别为第一至第四条纹图的灰度场。

在步骤S110中，进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。

具体地，得到处理后的条纹图阵列后，对图像进行分割，通过标记点位置裁剪同一区域的条纹图，进而根据上述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I₀～I₃分别表示相移步进量相隔为π/2的条纹图灰度场。得到包裹相位场之后，即可进一步解包裹，并通过数值积分或微分得到形貌或曲率场。

在本发明的实施例中，本发明实施例可以通过2×2透明介质阵列以及精确旋转的旋转台，可以精确控制每个透明介质单独旋转一定角度，精度为0.01度，从而精确控制引入的相位差，并且相位差步进量精确度一般可以达到0.01以下，意味着最终每一幅条纹图的相位场平均相对误差小于0.8％，即最终获取的动态问题中单帧条纹相位场的平均相对误差小于3.2％，以及灰度系数标定与条纹图分割计算，可以将组合棱镜中引入的微小光强差消除，实现阵列的光强比精确为1:1:1:1，并通过对图像的分割实现快速四步相移的计算，通过实时获取四幅含相位差的条纹图，自动化处理四幅条纹图的CGS方法，实现动态问题的相位场精确测量。

举例而言，图5所示为实例所搭建的系统示意图，实际操作中，调好零场，将零场进行灰度标定，然后将试件放置于光路中，实验记录下共四幅条纹图。实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。直接获取到的条纹图阵列如图6(a)所示，经过灰度处理矫正之后得到的条纹图阵列如图6(b)所示。利用四步相移公式计算得到的包裹相位图与解包裹后的相位图如图7(a)、(b)所示，进而求得试件的形貌如图7(c)所示。本发明实施例首次针对CGS方法的空间相移技术，同时适用于透射式与反射式两种工作模态，并且对于动态断裂问题中裂尖力学参数的获取以及高速微小形貌变化的捕捉都有着很大帮助。

本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，在原有相干梯度敏感干涉光路的试件后方，放置一套组合棱镜，将一束平行激光分为相位差不变的四束平行激光阵列，分别通过两块光栅之间的相差系统，通过四个独立的可旋转的平面透明介质，引入光程差的逐级改变，最终同时获取四个不同相位差值的条纹图，进而可以实现动态问题的实时观测与相位场精确求解，提高了其求解精度与效率，实现了精确与自动化的动态问题条纹图的处理与计算，对于非静态裂尖应力场或微小曲率动态测量有着较大的帮助。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (5)

1.一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，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；

在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜；

在所述第一光栅和第二光栅之间设置第一至第四旋转台；

在每个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片透明介质薄片的相对旋转角度；

固定任意一片透明介质薄片，并根据所述相对旋转角度控制剩余透明介质薄片旋转以保证每次相移步进量分别为π/2，π，3π/2；

放置试件以获取第一至第四条纹图；

根据灰度系数分割所述第一至第四条纹图；

按照四步相移原理式对分割后的所述第一至第四的条纹图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.根据权利要求1所述的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，其特征在于，在所述设置试件之前，还包括：

获取不放置所述试件时且调整零场之后的第一至第四零场图，并且分割计算每个区域的平均灰度值，以得到所述灰度系数。

3.根据权利要求1所述的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，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分别为第一至第四条纹图的灰度场。

4.根据权利要求1所述的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，其特征在于，所述第一至第四旋转台的精确度为0.01且旋转轴平行于栅线方向。

5.根据权利要求1所述的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，其特征在于，所述第一至第四条纹图的序列为2×2序列。