CN106768280B - 一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于实时多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置。本发明能够检测的振幅范围由数字全息的有效纵深决定，而形成干涉场的波长决定系统的有效纵深，本发明采用多波长数字全息干涉测量法，可通过选择不同的光波长形成十几微米到百微米的复合波长，扩大了纵向检测范围，能够实现对该范围振动幅度的实时检测；发明中同时采用无透镜傅里叶变换数字全息技术，对参考光和物光进行一次成像，成像位置关于CMOS处于同一面上，数值再现过程无需复杂的衍射传输，而只需经过一次FFT获得相应的信息，解算简单可实现实时检测和实时解算；短相干光源的引入在一定程度上抑制散斑的产生，提高了成像质量和检测精度。

Description

一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置

技术领域

本发明涉及一种多波长振动探测系统，其实际是一种基于实时短相干多波长无透镜傅里叶变换数字全息的大纵深振动检测装置。

背景技术

数字全息作为一种光学全息术和数字图像采集、数值化处理相结合的成像技术，近二十年来随着数字技术的发展，其应用研究领域越来越广泛。高速图像传感器和计算机技术的发展并在数字全息技术中的应用，使基于数字全息技术的振动检测得到了快速发展。全息技术能够将完整的物体信息以干涉强度场的形式记录下来，数字全息技术将光电探测器记录的干涉谱在计算机中通过数值化衍射再现和相关图像处理同时获得物体幅度和相位信息。由相位信息能够获得物体的各点的高度或厚度，当目标产生如振动等引起的轴向位移时，相位信息随着光程差变化而产生变化，只需对两次记录的相位信息作差便能够获得全息图上各点的振动量。

基于数字全息的振动测量技术，包括以下优点：(1)以非接触方式获取物体复振幅信息、对观测目标影响非常小、系统结构简单；(2)数字全息技术后期的全数值化处理过程，使复杂的衍射过程在计算机中实现，并能方便地运用数字图像处理技术，矫正、补偿光学像差以及各种噪声和探测器非线性效应等的影响；(3)能够量度沿光传播方向与光波长尺度相联系的光程差，因此，能够准确量化的微小振动。

另一方面，目前基于数字全息成像的振动检测技术仍存在以下缺点：①光电探测器件的图像采集、传输速率是影响该方法的关键因素，振动频率范围较大，而较低的相机速率往往不能满足高频振动目标的检测，因此这种方法通常被用于振动模态的检测；②这是一种类面振动检测方法，采样点多，导致其后计算衍射和图像处理过程较耗时，对频率较高的振动不能实现实时检测；③数字全息只能直接获得不大于光波长的轴向振动幅度的检测，而当振幅较大时，会引起相位跳变，需要进一步解包裹，增大计算量不利于实时检测，且使检测结果依赖于解包裹算法降低检测结果的可靠性；④散斑是相干成像的固有噪声，对小尺度测量和细节成像影响较大。

发明内容

本发明给出了一种基于多波长傅里叶变换数字全息的大幅度振动检测装置，系统采用双波长数字全息光路。首先该系统同时由两个激光器发出的光形成干涉场，干涉谱和解算得到的再现场对应着复合的光波长，有效复合光波长可以达到一百微米，能够直接实现对较大振幅的振动量检测，而无需复杂的解包裹过程，有利于系统对振动频率较高的目标进行实时检测和解算；其中一个的激光器波长固定，另一个激光器的波长范围可调谐，可以通过选择不同的可调谐波长获得十几到一百微米范围复合波长，扩大了该系统的纵深检测范围，能够实现不同尺度振动幅度的高精度检测。其次，采用短相干的激光光源，光源相干性的降低能够极大地降低成像中的散斑噪声，从而提高成像质量和振动目标各点振动量的探测准确度，但是短相干光源的引入对参考光和物光光路的光程匹配提出了要求，因此系统在参考光路中设置了光程补偿单元，调节参考光与物光光程差在相干长度范围内。再次，由于实际数字衍射再现过程计算较繁琐，而傅里叶变换数字全息的计算最简便，直接可以通过全息图的一次傅里叶变换得到再现场，系统在参考光和物光中分别增设透镜将参考光和物光成像，通过调节透镜的位置使成像位置位于平行于相机光敏面的同一平面上，满足无透镜傅里叶变换数字全息的特点，因此再现过程可通过一次FFT算法实现再现场的快速输出，使本发明能够实现高频大振幅的振动测量和实时解算。

本发明是一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的大纵深振动幅度检测装置，该系统中的光学装置包括光源、分光单元、准直单元、光路补偿单元、成像透镜、反射镜、消偏振分光棱镜、图像采集装置。

本发明的优点在于：

(1)能够实现对应大纵深的振动幅度检测，有效可测纵向振动位移范围较大，可达十几微米到近一百微米；

(2)采用短相干光源，有利于散斑噪声的抑制，从而提高成像质量和振动检测精度；

(3)采用透镜对参考光和物光分别成像，使物光成像面与参考光会聚成的像点关于相机表面处于同一平面，形成无透镜傅里叶变换数字全息结构光路，因此数值再现过程无需复杂的衍射计算，而仅通过一次FFT实时快速的解算获得位相信息，进而获得相应的振动信息。

附图说明

图1是本发明基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置结构流程图。

图2是本发明分光单元的光路传输结构图。

图3是本发明光路补偿单元的结构和光路传输示意图。

图4是本发明本发明装置的实施方式结构图。

1 光源B 2 第一反射镜 3 第一分光单元

4 第一准直扩束装置 5 第一光程补偿装置 6 第一透镜

7 第三反射镜 8 消偏振分光棱镜 9 光源A

10 第二反射镜 11 第二分光单元 12 第二准直扩束装置

13 第二光程补偿装置 14 第二透镜 15 第四反射镜

16 分光棱镜 17 第三准直扩束装置 18 第四反射镜

19 振动目标 20 成像透镜 21 合光棱镜

22 CMOS相机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图4所示，本发明是一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动探测系统，该装置包括光源A、光源B、两组分光单元、三组准直单元、两组光路补偿单元、三个成像透镜、若干反射镜、三个消偏振分光棱镜和CMOS图像采集装置。

如图1，本发明的光路连接及相关信息的形成过程为：

光源1和光源9发出光λ₁和λ₂先分别经过反射镜2和反射镜9实现光束传播方向90度偏转，再经过各自的分光单元3、11，分别形成偏振方向相互垂直的两路光3a、3b和11a、11b；

透射光3a、11a被选作系统的参考光，分别经过准直扩束装置4和12形成均匀平行光4a和12a，然后经过光程补偿装置5和13，保证参考光与物光在光源的相干长度范围内，再分别通过透镜6和14，透射光6a还经过了反射镜7使光束传播方向偏转90度，透射光14a和7a分别先会聚于透镜6和14的后焦点位置，然后参考光分别相当于由该两焦点发射的球面波，两束球面波经由消偏振分光棱镜8合成同轴光8a+8b，再经过合光棱镜21，最后到达CMOS相机22；

分光单元3和11分出的反射光3b、11b被选作物体的入射光，11b光束先经过反射镜15实现方向偏转，反射光15a与3b由分光棱镜16合成为同轴光16a+16b，经过准直扩束装置17调制为平行光17a，再由反射镜18直接照射到振动目标19表面，振动目标的反射光19a为系统检测的物光，物光经过成像透镜20在其后方成像，成像面后的物光可以看作是该成像面发出的空间光20a，成像面位置、透镜6后焦点和透镜14后焦点，三者与相机表面的距离相等，即相当于位于离相机表面距离相等的同一平面上，从而满足无透镜傅里叶变换数字全息的条件，物光经过分光棱镜21反射到CMOS相机22；

物光21b与参考光21a在CMOS相机22表面发生干涉，数字采集系统同时记录和处理干涉图。

(一)光源A、光源B

本发明包括两个短相干激光光源，相干长度一般在几十毫米。光源A产生单一波长的光1a；光源B应为波长连续可调谐的激光器。在本发明具体设计中，光源A提供中心波长为638nm的单纵模激光，可以选用法国Oxxius公司生产的型号为LBX-638的激光器。该激光光源是固体激光器，功率为100mw。光源B为中心波长范围为635nm-682nm的可调谐激光器，可以选取韩国NANOBASE公司生产的型号为Xperay-TL-STD的激光器，本装置的激光器能够实现波长的连续可调，波长差可精确至0.001nm，理论上相应的合成波长可达几十厘米，能有效提高纵向测量范围。然而，较大复合波长对每个波长的稳定性提出了很高的要求，波长很微小的偏移可能会导致合成波长产生较大误差，因此在实际中需要根据光源选择适当的波长差，一般的合成波长在十几到一百微米范围时得到的检测结果较可靠。

(二)反射镜2、7、10、15、18

反射镜用于转折光束，使光传播方向发生偏转，因此也称为光束方向偏转器。如空间光1a输出至反射镜2，反射光2a在空间上偏转了90°。其余的反射镜都与之相似。在本发明设计中反射镜可选取北京大恒光电公司的GCC-102102型反射镜。

(三)分光单元3、分光单元11

分光单元3和11组成结构相同，因此附图仅给出了分光单元3的结构示意图。如图2所示，分光单元3包括可调衰减器3-1、半波片3-2、偏振分光棱镜3-3、半波片3-4。分光单元3用于将光2a分为空间光3a和3b输出，并可改变两路光的光强比(一般为1:5～5:1)。其中调衰减器3-1用于调节进入系统的光强，半波片3-2实际是起偏器，偏振分光棱镜3-3将光分为偏正方向不变的透射光3a和偏正方向与入射光方向正交的反射光3b，因此本设计中可以通过旋转位于透射光路中的半波片3-4改变其与半波片3-2光轴的夹角，从而改变出射透射光3a光强，实际最终可调节进入参考光路和物光光路的光强比。

在本发明中，可调衰减器3-1可选取北京大恒光电公司的GCO-0701M型圆形可调衰减器；半波片3-2、3-4可选取北京大恒光电公司的GCL-060411型石英零级半波片；偏振分光棱镜3-3可以选取北京大恒光电公司的GCC-402102型偏振分光棱镜。

分光单元11与分光单元3结构和实施方式相同。

(四)准直装置4、12、17

准直装置用于扩束并产生光强均匀的平行光，在本发明中由焦距较小的显微物镜、空间滤波器和平凸透镜组成；以准直装置4为例，显微物镜将入射的空间光3a会聚于一点，而在该会聚点设置空间滤波器能消除杂散光使该点更接近理想的点光源，平凸镜的前焦点与该点重合，使出射光4a为平行光。本发明中，对两路参考光和合成物光都进行了准直扩束处理，准直装置12、17组成设计与准直装置4相同。本发明设计由北京大恒光电公司生产的GCO-01M型空间滤波器和GCL-010147型平凸透镜组合而成。

(五)光程补偿单元5、13

光程补偿单元也称光路延迟装置用于补偿参考光路的光程以保证参考光和物光产生干涉。光程补偿装置5和13完全相同，以光程补偿装置5为例。如图3所示为该单元的结构简图，本发明中该单元主要由两个三角棱镜5-1、5-2和两个反射镜5-3、5-4组成，其中三角棱镜固定于一个三维精密平移台上，由于三维平移台较复杂在图中未描述，平移台上设置位移导轨，如图中箭头所示，三角棱镜能沿箭头方向移动，从而能够通过调节棱镜在位移导轨上的位置改变参考光光程，反射镜用于转折光传播方向。可选用北京北光世纪仪器有限公司生产的PTS101M型精密位移台。

(六)成像透镜6、14、20

成像透镜6、14分别将入射的平行参考光5a、13a会聚于透镜的后焦点上，出射光6a、14a为球面波。携带目标信息的入射光19a经过成像透镜20，透射光20a在透镜后方形成物体的像，如图4的光路结构示意图中所示，参考光会点P1、P2和物体像面II’关于相机光敏面位置相匹配时，满足无透镜傅里叶变换全息的条件。在本发明中每个成像透镜都安装于一维位移导轨上，可沿光路方向精细调制位置。平移台可选用北京大恒光电公司生产的GCM-150101M型齿轮齿条移动台。

(七)分光棱镜8、16、21

分光棱镜8、16、21在本发明中用于将传播方向垂直的两束光合成为一束同轴光。如分光棱镜8将参考光7a和14a合成为8a+8b，而分光棱镜21将参考光8a+8b和物光20a合成传播方向相同的光束21a+21b。选取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生产的NT49-004型号消偏振分光棱镜。

(八)CMOS相机22

CMOS相机9用于记录数字全息图，可以选取加拿大Lumenera公司的CMOS相机，其型号为LU125M-WOIR，分辨率为1280×1024像素，最高帧频15fps，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。

本发明是一种基于实时多波长无透镜傅里叶变换数字全息的大纵深低噪声振动检测装置。在本发明设计中同时考虑了影响数字全息测振的纵深限制、数值衍射复杂耗时、散斑噪声三方面问题。有效纵深范围决定了系统能够直接检测的振幅范围，通常由形成干涉场的有效波长决定，本发明采用多波长数字全息测振法，可通过选择不同的光波长形成十几微米到百微米的复合波长，扩大了纵向检测范围，能够实现对该范围内振动幅度的实时检测无需复杂的解包裹等过程；一般数字全息数值再现过程的计算复杂耗时且对振动信号检测时需要处理的数据量庞大，这些都不利于实时振动检测与解算，本发明对参考光和物光进行一次成像，成像位置关于CMOS处于同一面上，使系统同时具有无透镜傅里叶变换数字全息的特点，数值再现过程无需复杂的衍射传输，而只需经过一次FFT获得相应的信息，结解算简单可实现实时检测和实时解算；短相干光源的引入在一定程度上抑制散斑的产生，提高了成像质量和检测精度。

本发明中双波长数字全息测振系统中采用三个成像透镜6、14、20分别对合光前的两束参考光5a、13a和物光19a成像，三路光成像位置关于CMOS相机22表面处于同一位置，构成无透镜傅里叶变换数字全息光路结构，因此数值解算过程可通过单次FFT实现，而无需滤波、切趾、衍射传输等复杂再现计算；系统为无透镜傅里叶变换和多波长数字全息相结合的测振装置。

本发明光路补偿装置5，13用于补偿参考光和物光的光程，以光路补偿装置5为例，三角棱镜5-1、5-2固定于三维精密位移台上，光由三角棱镜全反射输出，结合采集到的干涉图的特征精调三角棱镜位置改变参考光的光程，使参考光和物光光程差在相干波长以内，形成干涉性较好的干涉图。

本发明成像透镜6、14、20被安装于一维平移导轨上，位置可沿光路方向精细调节，用于调节物光和参考光的像点位置匹配；调节过程同时结合牛顿成像公式和数值解算获得的图像效果调整透镜的位置。

Claims (1)

1.一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动探测装置，包括光源A、光源B、两组分光单元、三组准直单元、两组光路补偿单元、三个成像透镜、若干反射镜、三个消偏振分光棱镜和CMOS图像采集装置；

光源B和光源A发出的光λ₁和λ₂先分别经过第一反射镜和第二反射镜实现光束传播方向90度偏转，再经过各自的第一分光单元、第二分光单元，分别形成偏振方向相互垂直的两路光，分别为透射光3a、反射光3b和透射光11a、反射光11b；

所述的光源A产生单一波长的光1a；光源B应为波长连续可调谐的激光器；并根据光源A和光源B选择适当的波长差，形成十几到一百微米的合成波长；

透射光3a、透射光11a被选作系统的参考光，分别经过第一准直扩束装置和第二准直扩束装置形成均匀平行光4a和12a，然后经过第一光程补偿装置和第二光程补偿装置，保证参考光与物光在光源的相干长度范围内，再分别通过第一透镜和第二透镜，透射光6a还经过了第三反射镜使光束传播方向偏转90度，透射光14a和7a分别先会聚于第一透镜和第二透镜的后焦点位置，然后参考光分别相当于由该两焦点发射的球面波，两束球面波经由消偏振分光棱镜合成同轴光8a+8b，再经过分光棱镜，最后到达CMOS相机；

第一分光单元和第二分光单元分出的反射光3b、11b被选作物体的入射光，11b光束先经过第四反射镜实现方向偏转，反射光15a与3b由分光棱镜合成为同轴光16a+16b，经过第三准直扩束装置调制为平行光17a，再由第四反射镜直接照射到振动目标表面，振动目标的反射光19a为系统检测的物光，物光经过成像透镜在其后方成像，成像面后的物光看作是该成像面发出的空间光20a，成像面位置、第一透镜后焦点和第二透镜后焦点，三者与相机表面的距离相等，即相当于位于离相机表面距离相等的同一平面上，从而满足无透镜傅里叶变换数字全息的条件，物光经过分光棱镜反射到CMOS相机；

物光21b与参考光21a在CMOS相机表面发生干涉，数字采集系统同时记录和处理干涉图；

通过选择不同的光波长形成十几微米到百微米的复合波长，扩大了纵向检测范围，能够实现对该范围内振动幅度的实时检测无需复杂的解包裹过程；对参考光和物光进行一次成像，成像位置关于CMOS处于同一面上，使系统同时具有无透镜傅里叶变换数字全息的特点，数值再现过程无需复杂的衍射传输，只需经过一次FFT获得相应的信息，解算简单可实现实时检测和实时解算；短相干光源的引入抑制散斑的产生，提高了成像质量和检测精度。

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