CN106197259B - 一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，该方法以图像处理的方式获取位移的方向和大小，并利用硬件设备对位移进行实时跟踪补偿的方式来实现测量。在本发明中，所述测量方法是基于双光束干涉原理，测量过程是将从参考端和物端干涉形成的图样以图像形式记录在测量系统中，然后通过图像处理技术将位移信息反馈给参考端的精密促动装置，从而达到参考端实时跟踪发生在物端的位移的目标。在图像处理中，基于图像重心和直方图相关的处理算法分别用于判断位移的方向和大小；跟踪过程是通过逐步逼近的方式来实现，当提前标定促动器位移与电压的关系后，可以通过电压值实时计算出位移量。

Description

一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法
技术领域
本发明提出了一种高精度大量程实时单点离面位移测量方法，该方法适用于所有基于双光束干涉原理的干涉系统，如迈克尔逊(以下简称“迈氏”)干涉仪、马赫-曾德干涉仪等。可以应用于传统迈氏干涉仪应用场景，例如离面位移检测、液体折射率场检测等，也可以适用于一些对测量实时性有较高要求的应用场景，如监控晶体生长、材料线膨胀系数测量等，是综合光测力学、图像处理和自动控制等多门复合学科知识所提出的一套光学测量方法。
背景技术
近年来，随着超精密加工、纳米技术和航空航天技术的飞速发展，这些技术革新使得高精度位移测量受到越来越多的重视。通常情况下，人们将高精度位移测量技术分为两类。一类是接触式测量，这包括电测法、机械测量法等，但这类方法需要使用导杆或者探针接触在被测物体表面，这会不同程度的对被测物的状态产生影响，进而引入额外噪声。另一类是非接触式的测量方法，例如光学成像法、激光干涉法等，这类方法通常具有非接触和测量范围较大的特点。但是光学成像法的测量分辨率是微米量级，不能够适应超高精度要求的位移测量中；虽然基于激光干涉的测量法精度高，能达到1/100波长到1/1000波长的分辨率，但其测量量程成为该方法的一大弊端。同时，在全场位移测量方法中，常使用条纹细分技术来提高测量精度，但这些技术操作会给测量方法带来较大的时间开销，使其不能适用于对测量时间要求较高的工作环境。因此，如何提出一个既具有高精度、非接触式测量特点，又能较好克服在激光干涉测量领域里的高测量分辨率与大量程矛盾，且具有良好时间响应的测量方法，还面临着诸多技术难题，目前在国际上尚未见到相关测量方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：为满足上述测量背景，结合到本发明所提出的测量方法和迈氏干涉原理，我们搭建了一套基于迈氏干涉的位移测量系统。其具有非接触式、高精度、实时性、可实现较大测量量程的特点。该系统是一套光学测量系统，测量光路是基于迈氏光路干涉原理，通过参考端对发生在物端位移的实时追踪来达到测量的目的。其实施过程需要解决的问题包括：1)搭建迈氏干涉光路；2)搭建图像系统，包括图像采集和基于图像的跟踪算法；3)搭建促动器伺服系统，包括对促动器的控制和促动器自身位移与电压关系的标定；4)编写整套测量系统的控制软件。
本发明采用的技术方案为：一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；
所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；
所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备。
更进一步的，所述图像处理方式具体步骤如下：
步骤(1)、在位移发生前，需要将干涉图像稳定后的状态记录，并将其作为系统位移前的初始状态；
步骤(2)、利用判断位移方向的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该图像算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比判断出干涉条纹的移动方向，从而获知位移方向；
步骤(3)、利用预估位移大小的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比预估出干涉条纹的移动量，进而对硬件设备反馈跟踪信号；
步骤(4)、硬件设备根据反馈信号做出相应的跟踪响应，直到预估位移大小的图像算法检测到最新的干涉图像与初始状态相同或者非常接近，此时硬件设备跟踪停止。
本发明另外提供一种基于迈克尔逊激光干涉的单点实时离面位移测量系统，包括激光光源及光路、图像采集及算法处理系统、促动器跟踪系统和控制软件系统；其中，
所述激光光源及光路是指产生稳定光源的He-Ne激光发生器和基于迈克尔逊干涉原理搭建的光路；
所述图像采集及算法处理系统是指记录激光干涉图样的CCD相机以及监控物端位移发生的图像处理算法，其具体包括位移方向判定和位移大小预估两个部分；位移方向的判定是利用图像重心法并结合“小窗口”技术，位移大小的预估是利用图像直方图相关并结合“小窗口”技术，其中所述的“小窗口”技术是指图像的多方位局部分析技术；
所述促动器跟踪系统是指在参考端负责跟踪位移的装置；
所述控制软件系统是指测量系统的操控软件，具体包括对CCD相机的控制、图像处理算法的实现、PZT器件的控制和跟踪策略的实现。
更进一步的，为了实现系统快速实时的特性，所述控制软件系统的软件功能均是按照windows消息响应机制实现。
更进一步的，使用的促动器跟踪系统包括压电陶瓷器件，将压电陶瓷器件紧密与参考端反射镜粘贴，通过电压驱动控制该压电陶瓷器件自由伸缩，从而推动反射镜沿着参考端光轴自由移动。
本发明的原理在于：
基于本发明所提出的测量方法，搭建了一套迈氏光学测量系统，具体包括四部分：光源及测量光路、图像系统、促动器跟踪系统、测量系统软件。
第一部分：光源及测量光路
光源及测量光路主要包括以下部件：He-Ne激光器101、空间滤波器102、凸透镜103、分光镜104。He-Ne激光器是光源发生装置，负责提供稳定的点光源，功率在0～60mW范围内连续调节，出射的激光按照搭建光路进行传播。
第二部分：图像系统
图像系统主要包括以下部件：偏振片105、CCD相机106。偏振片是用来避免激光过高的功率导致对CCD感光器件的损坏的器件；本发明采用的成像器件是德国Basler公司的CCD相机，型号为ACA1600-20GM，水平/垂直分辨率1628*1236pixels，单位像素尺寸4.4μm，传感器尺寸为7.16x 5.44mm。
第三部分：促动器跟踪系统
促动器跟踪系统主要包括促动跟踪模块和精密位移加载模块。促动跟踪模块是指参考端对物端位移进行跟踪的硬件装置。在本发明中所使用促动器装置110由实验室自制，具体包括压电陶瓷器件(以下简称“PZT”)和电压驱动器109；在测量系统中，将PZT紧密粘贴在反射镜上(模型图如图2(a))，通过增减电压使其能够自由伸缩，从而达到位移追踪的目的。精密位移加载模块是由纳米平动装置107和相应的数字控制器108组成，纳米平动装置(模型图如图2(b))位移精度为1nm，调节范围在300μm；在实际测量中，该装置既可作为被测物的放置平台，也可以在PZT标定时提供等间距的移动量。
第四部分：测量系统软件
在本发明中，控制软件起着很重要的作用，如何将CCD控制程序、PZT控制程序以及跟踪算法高效的集成在一起，是保证系统能够快速响应的关键。所有程序都是由VC++实现，在VS2010环境里编写，相机控制程序运行在Balser公司的Pylon4.0版本下，PZT控制程序是基于RS232的串口通信，跟踪过程均以windows消息事件的方式进行触发。
基于上述技术方案，本发明理论测量分辨率可达0.148nm，单次步长响应时间约0.3s，测量范围约0.6μm。本发明的特点是，构建了一套新型的光学测量系统，综合了激光干涉、图像处理和自动控制等多个学科知识，能实现单方向上纳米级精度的实时测量，可以解决在高精度测量领域中测量分辨率与测量范围的矛盾问题，并保证良好的系统响应时间，在高精密机械、航空航天等领域中能得到较好的应用，对于发展极端条件下的材料无损检测技术也具有积极的推动作用。
附图说明
图1是本发明光学测量系统。在图中，101为He-Ne激光器；102为空间滤波器；103为凸透镜；104为分光镜；105为偏振片；106为CCD相机；107为纳米平动台；108为纳米平动台控制器；109为电压控制器；110为促动器装置；111为测量系统软件平台。
图2本发明中纳米平动装置以及促动器装置模型图，其中，图2(a)是本发明中纳米平动装置模型图，图2(b)是本发明中促动器装置模型图，其中，201为反射镜；202为反射镜架；203为架杆；204为纳米平动台；205为压电陶瓷；206为底座。
图3是系统控制软件界面，其中，301为连续采图控制按钮；302为准备跟踪按钮；303为开始跟踪模式按钮；304为跟踪电压量的实时显示窗。
图4是“小窗口”技术在图像处理技术中的应用。
图5是PZT电压与位移的标定结果。
图6是软件实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；
所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；
所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备。
如图1所示，本发明具体实施时包含以下部分：调节光路、搭建图像系统、标定和控制PZT、启动系统控制软件。各部分具体实施过程和实施例如下：
一、调节光路
由He-Ne激光器发出稳定的点光源，经过空间滤波器102和凸透镜103后点光源被扩束成为一组均匀的平行光，该平行光经过分光镜104被分束为两个相同的部分并分别入射到参考端和物端。在物端，入射光束照射到被测物表面，携带表面信息后沿光路返回；在参考端，入射光束照射到反射镜表面后同样沿光路返回。两束返回的平行光再次经过半透半反镜叠加并在CCD感光面上形成干涉，随即干涉信息被记录。此时，当物端的位移发生后，干涉图样中的条纹发生移动，如果参考端的促动器快速移动相等的距离，干涉图样中的条纹即回到初始位置，整个过程可以用以下关系是描述：
其中，λ是激光波长，k是波数，p1和p2分别是参考端和物端沿光轴方向的移动距离。而在实际测量过程中，人工调节的光路无法满足参考端和物端的两光路绝对垂直，且也无法保证位移方向或者促动器追踪方向严格沿着光轴方向移动，因此添加了一个系统常数项K，其满足关系：
dOBJ＝K·dREF (2)
其中，dOBJ和dREF分别是物端和参考端的实际移动距离，K是系统搭建完毕后需要标定的系统常数。最后，由于测量原理是基于干涉条纹的位置作为判据，因此过于密集的条纹不易于跟踪算法的识别，建议在干涉图样里存在10级以内的条纹数。
二、搭建图像系统
为了避免激光过高的功率导致对CCD感光器件的损坏，在CCD前放置一个方向可调的偏振片105。然后使用Basler公司的提供的程序开发库Pylon4.0，将相机控制打开并工作在连续采图模式，当CCD接收到稳定的干涉图像后就可以启动监控位移方向和大小的软件模块。
在干涉条纹得到后，位移的发生会使得在干涉图中的条纹向左或者向右移动，因此首先判断位移的方向是很有必要的。在本发明中，使用图像重心法判断位移方向，即通过位移前后图像的重心移动方向来判定位移的方向，其计算方法为
其中，M和N分别是图像的长度和宽度，I是图像的灰度。但在实际操作中，由于干涉图样里会经常存在有多级周期性条纹的情况，这会导致使用全场重心判定位移方向的方法出现误判，因此在图像重心法的基础上加入了“小窗口”技术(图4是使用了11个小窗口实际测量图)，用以确保位移方向判断的准确性。具体做法是即将绝大多数窗口中判定的位移方向作为实际位移的方向，因此在实际系统操作中，需要提前人工设置窗口数量阈值。
在确定位移方向后，使用直方图相关算法来预估位移大小，即通过位移前后图像的直方图相似度来判断位移大小。首先分别获取位移前后干涉图样的灰度直方图，然后计算直方图的相似度，其计算公式为：
其中，H1和H2分别是位移前后干涉图像灰度，和分别是位移前后图像中的平均灰度，计算过程为N是图像灰度的种类数。当d(H1,H2)的实时计算值等于或者近似为1时，就认为两端移动距离相等，跟踪过程结束。类似地，“小窗口”分析技术也应用在直方图相关算法中，其不仅起到提高位移跟踪的精确度，同时也减小了计算量。
三、标定和控制PZT
在本发明中，使用的跟踪器件是PZT，其运动的线性度是保证测量系统精度的关键，因此在系统运行前需要标定该PZT电压与位移的关系，使得在系统运行的时候，即可通过电压的变化量直接换算得到位移大小。在标定中，使用的方法是等步长相移法，即通过每个位置状态之间的位相差来判定PZT的线性度，相等步长的间距由纳米平动台提供，最终PZT的电压与位移的标定结果由图5给出。
在位移跟踪时，所采用的跟踪策略是“逐步逼近”的方式，即根据位移大小使PZT由大步到小步自动快速移动，直至移动距离与位移大小相等，表1是设定的直方图相关结果与跟踪电压步长的关系表。最后，将PZT的驱动器与计算机相连，通过串口通信方式实现对PZT驱动器的控制，同时设定PZT处于等待状态，一旦收到图像处理结果的反馈信号即刻做出跟踪的响应。
表1直方图相关结果与设定电压步长的关系表
四、启动系统控制软件
在本发明中，控制软件起着很重要的作用，如何将CCD控制程序、PZT控制程序以及跟踪算法高效的集成在一起，是保证系统能够快速响应的关键。所有程序都是由VC++实现，在VS2010环境里编写，平台框架基于MFC搭建，相机控制程序运行在Balser公司的开发库Pylon4.0，PZT控制程序是基于RS232的串口通信协议，跟踪过程均以windows消息事件进行触发。图6是软件系统流程图，其工作过程为：在相机工作在连续采图模式后，根据干涉条纹的截距设置大小合适的小窗口，之后对各小窗口区域的数据做图像分析；首先通过图像灰度重心算法计算各窗口区域的灰度重心，将各个计算结果与初始状态下的重心位置对比并统计移动方向数，即Cleft和Cright，如果其值的大小达到了预设的阈值T1，即判定位移方向；然后利用灰度直方图对比算法遍历各小窗口，将各个窗口内的灰度直方图与初始状态的对应区域做相关对比，并将各小窗口计算结果的平均值作为最终计算结果，此时如果计算结果达到了阈值T2，即开始跟踪，同时相机保持连续采图模式。
如图3所示，操作过程为先打开CCD相机，然后点击“连续采图”按钮301让相机工作在连续采图模式；再点击“准备跟踪”按钮302使得图像算法运行在各个小窗口区域内；当干涉图像稳定后，点击“开始跟踪”按钮303，此时的状态被记录为位移前的初始状态，如果之后有位移发生，系统会自动促使PZT进行快速跟踪，窗口304中会实时显示跟踪电压量。根据跟踪电压量可以换算出位移大小，然后再乘以标定系数K就可以得到真实位移值。

Claims (4)

1.一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，其特征在于：该测量方法利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；
所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；
所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备；
所述图像处理方式具体步骤如下：
步骤(1)、在位移发生前，需要将干涉图像稳定后的状态记录，并将其作为系统位移前的初始状态；
步骤(2)、利用判断位移方向的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该图像算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比判断出干涉条纹的移动方向，从而获知位移方向；
步骤(3)、利用预估位移大小的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比预估出干涉条纹的移动量，进而对硬件设备反馈跟踪信号；
步骤(4)、硬件设备根据反馈信号做出相应的跟踪响应，直到预估位移大小的图像算法检测到最新的干涉图像与初始状态相同或者非常接近，此时硬件设备跟踪停止。
2.一种基于迈克尔逊激光干涉的单点实时离面位移测量系统，其特征在于：包括激光光源及光路、图像采集及算法处理系统、促动器跟踪系统和控制软件系统；其中，
所述激光光源及光路是指产生稳定光源的He-Ne激光发生器和基于迈克尔逊干涉原理搭建的光路；
所述图像采集及算法处理系统是指记录激光干涉图样的CCD相机以及监控物端位移发生的图像处理算法，其具体包括位移方向判定和位移大小预估两个部分；位移方向的判定是利用图像重心法并结合“小窗口”技术，位移大小的预估是利用图像直方图相关并结合“小窗口”技术，其中所述的“小窗口”技术是指图像的多方位局部分析技术；
所述促动器跟踪系统是指在参考端负责跟踪位移的装置；
所述控制软件系统是指测量系统的操控软件，具体包括对CCD相机的控制、图像处理算法的实现、PZT器件的控制和跟踪策略的实现。
3.根据权利要求2所述的一种基于迈克尔逊激光干涉的单点实时离面位移测量系统，其特征在于：为了实现系统快速实时的特性，所述控制软件系统的软件功能均是按照windows消息响应机制实现。
4.根据权利要求2所述的一种基于迈克尔逊激光干涉的单点实时离面位移测量系统，其特征在于：使用的促动器跟踪系统包括压电陶瓷器件，将压电陶瓷器件紧密与参考端反射镜粘贴，通过电压驱动控制该压电陶瓷器件自由伸缩，从而推动反射镜沿着参考端光轴自由移动。
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