CN106767489A - 数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法，其特征是：低相干激光器的出射光经分光片后分为透射光和反射光，透射光经扩束后照射被测物面，反射光经平面镜和扩束镜后照射被测物面；测量面漫反射的光经分光棱镜后分为两束光；两束光分别经平面镜、光阑、成像透镜和分光棱镜后同时成像到CCD相机上。本发明可对被测物的微小面内变形进行动态测量，是一种全场、高精度、易操作的测量系统。

Description

数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字散斑干涉技术的面内微小动态形变测量系统及测量方法，可以从两幅相邻的散斑图中提取由面内形变，适用于复杂环境下的面内形变精密测量。

背景技术

数字散斑干涉技术是一种全场、非接触、高精度、高灵敏度的光学测量技术，广泛应用于无损检测、力学参数测量、振动测量以及生物医学检测等领域。

在散斑干涉中，物体形变引起散斑相位的变化，因此从散斑干涉图中提取相位是获得测量结果的关键。为了精确获取干涉相位，引入了相移方法。这种方法的主要思想是在干涉系统中通过人为地引入已知或未知但确定的相位值，来获取需要测量的相位信息。时间相移技术虽然可以得到较高的测量精度，但要求被测物在相移期间保持静止状态，这就使得该种方法不适合应用于动态测量。为使散斑干涉技术适用于分析动态形变，引入了空间载波技术。

空间载波技术是在物光和参考光之间引入恒定角度，实现线性载波调制，从而实现从单幅散斑图中提取干涉相位信息。利用空间载波技术可以很容易提取离面形变量。为了能够利用空间载波方法得到面内动态形变量，已有的方法是：首先提取两个具有不同敏感矢量的离面形变，再通过对两个离面形变进行数学计算，从而提取面内形变。这种方法需要两个激光光源，测量系统复杂，并且后续数据处理过程繁琐，易引入较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法，以期实现对被测物的面内形变动态测量，使测量系统结构简单、测量方法便捷。

本发明的为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点是：以低相干激光器为激光光源，所述低相干激光器出射的激光经分光片分束为透射光和反射光；所述透射光经第一扩束镜扩束后作为第一照明光照射被测面，所述反射光依次经第一平面镜和第二扩束镜后作为第二照明光照射被测面；所述被测面表面的漫反射光在第一分光棱镜中按5:5分束，形成光轴互成90度的第一光束和第二光束；所述第一光束依次经第二平面镜、第一光阑、第一成像透镜和第二分光棱镜形成第一出射光束成像在CCD相机的靶面上；所述第二光束依次经第三平面镜、第四平面镜、第五平面镜、第二光阑、第二成像透镜和第二分光棱镜形成第二出射光束成像在CCD相机的靶面上；使所述第一出射光束和第二出射光束在CCD相机的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点也在于：设置激光光源的相干长度小于激光在分光片与第一平面镜之间的光程L1，以避免第一照明光和第二照明光在被测面处干涉；设置第一出射光束和第二出射光束的光程差等于L1，使所述第一出射光和第二出射光在CCD相机的靶面上干涉。

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点也在于：为实现空间载波，设置第二光阑的中心点与第二成像透镜的主光轴的垂直距离为d，第一光阑的中心点与第一成像透镜的主光轴重合，载波频率f为：λ为激光波长，l′为第二成像透镜的像距。

利用本发明系统实现数字散斑干涉面内微小动态形变测量的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：对形变前后的两幅散斑干涉图进行傅里叶变换得到散斑干涉图的频谱；

形变前散斑干涉图I₁(x,y)和形变后散斑干涉图I₂(x,y)分别由式(2a)和式(2b)表示：

I₁(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₁(x,y)-2πjf·x] (2a)

I₂(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₂(x,y)-2πjf·x] (2b)

式(2a)中，φ₁(x,y)为散斑干涉图I₁(x,y)的相位；

式(2b)中，φ₂(x,y)为散斑干涉图I₂(x,y)的相位；

其中x，y分别表示CCD靶面阵列上的横坐标和纵坐标，a(x,y)表示散斑干涉图的背景光，b(x,y)表示散斑干涉图的调制度，f表示载波频率；

对形变前后的散斑干涉图I₁(x,y)和I₂(x,y)分别进行傅里叶变换得到形变前后散斑干涉图的频谱，由于形变前后的载波频率不变，形变前后散斑干涉图的频谱I(f_x,f_y)分布相同：

I(f_x,f_y)＝A(f_x,f_y)+B(f_x+f,f_y)+B(f_x-f,f_y) (3)

式(3)中，A(f_x,f_y)是空间频谱中含有背景光信息的低频项，B(f_x+f,f_y)和B(f_x-f,f_y)是含有相位信息的高频项；

步骤2：根据载波频率f的大小，设计滤波器，滤取频谱图中的高频部分；

设计滤波器从频谱I(f_x,f_y)提取B(f_x-f,f_y)用于求取散斑干涉图的相位；由于系统中采用孔径光阑，滤波器的滤波窗口B以(f,0)为中心、以f_u为半径；f_u为散斑干涉图中低频部分的截止频率，D为光阑通光口径，λ为激光波长；

步骤3：对所得到的高频部分B(f_x-f,f_y)进行反傅里叶变换，得到散斑的复振幅s(x,y)；

s(x,y)＝IFT[B(f_x-f,f_y)] (4)

式(4)中IFT[]为傅里叶逆变换运算；

步骤4：从复振幅s(x,y)中提取干涉相位φ(x,y)；

式(5)中，Im[]为取虚部运算，Re[]为取实部运算；

则，形变相位图Δ(x,y)为：

Δ(x,y)＝φ₂(x,y)-φ₁(x,y) (6)

式(6)中，φ₁(x,y)为形变前的相位，φ₂(x,y)为形变后的相位；

步骤5：对所得形变相位图进行滤波处理和解包裹处理得到形变连续形变相位从连续形变相位中提取获得形变量u(x,y)

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用双成像透镜和双孔径光阑实现空间载波，可从单幅散斑干涉图中提取散斑面内形变的相位信息，可以实现面内形变的动态测量。

2、本发明使用一个低相干长度的激光器作为照明光源，使测量系统得到简化，降低成本。

3、本发明使用两个互相错位的孔径光阑引入载波频率，使得载波频率易于调节。

4、本发明方法使用傅里叶变换对散斑干涉图进行频域处理，并使用频域滤波直接提取被测信息，提高了信噪比，减少了计算量。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图中标号：1低相干激光器，2分光片，3第一扩束镜，4第一平面镜，5第二扩束镜，6被测物，7第一分光棱镜，8第三平面镜，9第四平面镜，10第五平面镜，11第二光阑，12第二成像透镜，13第二平面镜，14第一光阑，15第一成像透镜，16第二分光棱镜，17为CCD相机。

具体实施方式

参见图1，本实施例中数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统是以低相干激光器1为激光光源，低相干激光器1出射的激光经分光片2分束为透射光和反射光；透射光经第一扩束镜3扩束后作为第一照明光照射被测面6，反射光依次经第一平面镜4和第二扩束镜5后作为第二照明光照射被测面6；利用散斑干涉技术测量面内形变，需要两束照明光的照射方向关于被测物的中心互为对称，即设置系统中的照明部分需要满足以下条件：被测面6的中心点与扩束镜3和5的中心点的连线构成等腰三角形。被测面6表面的漫反射光在第一分光棱镜7中按5:5分束，形成光轴互成90度的第一光束和第二光束；第一光束依次经第二平面镜13、第一光阑14、第一成像透镜15和第二分光棱镜16形成第一出射光束成像在CCD相机17的靶面上；第二光束依次经第三平面镜8、第四平面镜9、第五平面镜10、第二光阑11、第二成像透镜12和第二分光棱镜16形成第二出射光束成像在CCD相机17的靶面上；使第一出射光束和第二出射光束在CCD相机17的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

具体设置激光光源的相干长度小于激光在分光片2与第一平面镜4之间的光程L1，以避免第一照明光和第二照明光在被测面6处干涉；设置第一出射光束和第二出射光束的光程差等于L1，使第一出射光和第二出射光在CCD相机17的靶面上干涉。由于第一出射光束与第二出射光束存在光程差L1，为保证被测物面的光经两成像透镜后在CCD相机靶面成像大小相等，在两成像透镜选择上应遵循以下原则：

方程组(1)中，l₁是第二成像透镜12的物距；l′是第二成像透镜12的像距；f₁是第二成像透镜12的焦距；l₂是第一成像透镜15的物距；l₂′是第一成像透镜15的像距；f₂是第一成像透镜15的焦距；L1是两路光的光程差。

为实现空间载波，设置第二光阑11的中心点与第二成像透镜12的主光轴的垂直距离为d，第一光阑14的中心点与第一成像透镜15的主光轴重合，载波频率f为：λ为激光波长，l′为第二成像透镜12的像距。

本实施例中低相干激光器1是指其作为光源的相干长度不大于1m，常规的高相干光源的相干长度为几十米。

利用本实施例中系统实现数字散斑干涉面内微小动态形变测量的方法是按如下步骤进行：

步骤1：对形变前后的两幅散斑干涉图进行傅里叶变换得到散斑干涉图的频谱；

形变前散斑干涉图I₁(x,y)和形变后散斑干涉图I₂(x,y)分别由式(2a)和式(2b)表示：

I₁(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₁(x,y)-2πjf·x] (2a)

I₂(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₂(x,y)-2πjf·x] (2b)

其中，φ₁(x,y)为散斑干涉图I₁(x,y)的相位，φ₂(x,y)为散斑干涉图I₂(x,y)的相位；

x，y分别表示CCD靶面阵列上的横坐标和纵坐标，a(x,y)表示散斑干涉图的背景光，b(x,y)表示散斑干涉图的调制度，f表示载波频率；

对形变前后的散斑干涉图I₁(x,y)和I₂(x,y)分别进行傅里叶变换得到形变前后散斑干涉图的频谱,由于形变前后的载波频率不变，形变前后散斑干涉图的频谱I(f_x,f_y)分布相同：

I(f_x,f_y)＝A(f_x,f_y)+B(f_x+f,f_y)+B(f_x-f,f_y) (3)

式(3)中，A(f_x,f_y)是空间频谱中含有背景光信息的低频项，B(f_x+f,f_y)和B(f_x-f,f_y)是含有相位信息的高频项；

步骤2：根据载波频率f的大小，设计滤波器，滤取频谱图中的高频部分；

设计滤波器从频谱I(f_x,f_y)提取B(f_x-f,f_y)用于求取散斑干涉图的相位；由于系统中采用孔径光阑，滤波器的滤波窗口B以(f,0)为中心、以f_u为半径；f_u为散斑干涉图中低频部分的截止频率，D为光阑通光口径，λ为激光波长；

步骤3：对所得到的高频部分B(f_x-f,f_y)进行反傅里叶变换，得到散斑的复振幅s(x,y)；

s(x,y)＝IFT[B(f_x-f,f_y)] (4)

式(4)中IFT[]为傅里叶逆变换运算；

步骤4：从复振幅s(x,y)中提取干涉相位φ(x,y)；

式(5)中，Im[]为取虚部运算，Re[]为取实部运算；

则，形变相位图Δ(x,y)为：

Δ(x,y)＝φ₂(x,y)-φ₁(x,y) (6)

式(6)中，φ₁(x,y)表示形变前的相位，φ₂(x,y)表示形变后的相位；

步骤5：对所得形变相位图进行滤波处理和解包裹处理得到形变连续形变相位从连续形变相位中提取获得形变量u(x,y)

所得到的相位图一般含有较大的噪声，会影响后续的计算，为此需要进行滤波处理，可选用的滤波方法有均值滤波法、正余弦滤波法；当形变量超过半个波长时，相位图就会存在相位跳变，导致相位值不连续，为了得到真实的相位值，需要进行解包裹运算。

Claims (4)

1.一种数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统，其特征是：以低相干激光器(1)为激光光源，所述低相干激光器(1)出射的激光经分光片(2)分束为透射光和反射光；所述透射光经第一扩束镜(3)扩束后作为第一照明光照射被测面(6)，所述反射光依次经第一平面镜(4)和第二扩束镜(5)后作为第二照明光照射被测面(6)；所述被测面(6)表面的漫反射光在第一分光棱镜(7)中按5:5分束，形成光轴互成90度的第一光束和第二光束；所述第一光束依次经第二平面镜(13)、第一光阑(14)、第一成像透镜(15)和第二分光棱镜(16)形成第一出射光束成像在CCD相机(17)的靶面上；所述第二光束依次经第三平面镜(8)、第四平面镜(9)、第五平面镜(10)、第二光阑(11)、第二成像透镜(12)和第二分光棱镜(16)形成第二出射光束成像在CCD相机(17)的靶面上；使所述第一出射光束和第二出射光束在CCD相机(17)的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

2.根据权利要求1所述的数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统，其特征是：设置激光光源的相干长度小于激光在分光片(2)与第一平面镜(4)之间的光程L1，以避免第一照明光和第二照明光在被测面(6)处干涉；设置第一出射光束和第二出射光束的光程差等于L1，使所述第一出射光和第二出射光在CCD相机(17)的靶面上干涉。

3.根据权利要求1所述的数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统，其特征是：为实现空间载波，设置第二光阑(11)的中心点与第二成像透镜(12)的主光轴的垂直距离为d，第一光阑(14)的中心点与第一成像透镜(15)的主光轴重合，载波频率f为：λ为激光波长，l′为第二成像透镜(12)的像距。

4.一种利用权利要求1所述系统实现数字散斑干涉面内微小动态形变测量的方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1：对形变前后的两幅散斑干涉图进行傅里叶变换得到散斑干涉图的频谱；

形变前散斑干涉图I₁(x,y)和形变后散斑干涉图I₂(x,y)分别由式(2a)和式(2b)表示：

I₁(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₁(x,y)-2πjf·x] (2a)

I₂(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)exp[jφ₁(x,y)+2πjf·x]+b(x,y)exp[-jφ₂(x,y)-2πjf·x] (2b)

式(2a)中，φ₁(x,y)为散斑干涉图I₁(x,y)的相位；

式(2b)中，φ₂(x,y)为散斑干涉图I₂(x,y)的相位；

其中x，y分别表示CCD靶面阵列上的横坐标和纵坐标，a(x,y)表示散斑干涉图的背景光，b(x,y)表示散斑干涉图的调制度，f表示载波频率；

对形变前后的散斑干涉图I₁(x,y)和I₂(x,y)分别进行傅里叶变换得到形变前后散斑干涉图的频谱，由于形变前后的载波频率不变，形变前后散斑干涉图的频谱I(f_x,f_y)分布相同：

I(f_x,f_y)＝A(f_x,f_y)+B(f_x+f,f_y)+B(f_x-f,f_y) (3)

式(3)中，A(f_x,f_y)是空间频谱中含有背景光信息的低频项，B(f_x+f,f_y)和B(f_x-f,f_y)是含有相位信息的高频项；

步骤2：根据载波频率f的大小，设计滤波器，滤取频谱图中的高频部分；

设计滤波器从频谱I(f_x,f_y)提取B(f_x-f,f_y)用于求取散斑干涉图的相位；由于系统中采用孔径光阑，滤波器的滤波窗口B以(f,0)为中心、以f_u为半径；f_u为散斑干涉图中低频部分的截止频率，D为光阑通光口径，λ为激光波长；

步骤3：对所得到的高频部分B(f_x-f,f_y)进行反傅里叶变换，得到散斑的复振幅s(x,y)；

s(x,y)＝IFT[B(f_x-f,f_y)] (4)

式(4)中IFT[]为傅里叶逆变换运算；

步骤4：从复振幅s(x,y)中提取干涉相位φ(x,y)；

$\mathrm{\φ}(x,y)=\arctan \frac{\mathrm{Im}\[s(x,y)\]}{\mathrm{Re}\[s(x,y)\]}---\left(5\right)$

式(5)中，Im[]为取虚部运算，Re[]为取实部运算；

则，形变相位图Δ(x,y)为：

Δ(x,y)＝φ₂(x,y)-φ₁(x,y) (6)

式(6)中，φ₁(x,y)为形变前的相位，φ₂(x,y)为形变后的相位；

步骤5：对所得形变相位图进行滤波处理和解包裹处理得到形变连续形变相位从连续形变相位中提取获得形变量u(x,y)