CN108106556B - 基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置 - Google Patents

基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置，其特征是通过对曲面物体进行40～50度入射照明并采集光束偏转前、后以及相移前后的散斑图获取曲面的三维形貌，根据三维形貌计算得到曲面上任意点的法线矢量，然后通过对待测曲面进行加载，进一步得到待测曲面变形前后的不同散斑图，结合形貌测量获得曲面物体表面任意一点的法线矢量，测得沿法线方向的离面形变。本发明能够对三维形貌和离面形变实现综合测量，是一种无损，全场，高效的数字散斑干涉测量方法。

Description

基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种光学测量领域的技术，具体是一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置。
背景技术
数字散斑干涉方法测量形变或位移具有全场、非接触的特点。数字散斑干涉形变测量技术在构件强度、刚度检测；材料、构件的应力、应变、变形测量中有重要应用。表面粗糙物体被激光照射后出射的散射波与参考波干涉形成散斑图，CCD记录变形前后的数字散斑图，对散斑图进行相关处理、和解相位运算，就能够求得物体的离面位移。
山东师范大学孙平教授团队利用数字散斑干涉和数字图像相关的方法测量物体的三维形变。其中对离面变形的测量，使用的数字散斑干涉的方法。但是该方法只能测量平面物体离面变形，并且需要多个CCD相机。在测量曲面物体的三维形貌时，合肥工业大学王永红团队使用两个照明光源对物体进行照明，通过物体的偏转，获得三维形貌。这种方法虽然能够获得三维形貌，但是在装置中使用了两个照明光源，测量装置复杂。
在曲面物体的离面白晓宁的测量方法中，由德国明斯特大学Markus Dekiff等人利用双目视觉的方法来获得曲面物体的表面形貌，然后利用数字散斑干涉的方式获得曲面物体的离面变形，并且该方法成功测量了下颌骨模型的三维形貌和离面变形。但是该方法是对两种光学测量技术应用在同一个物体上的测量，在实际操作中非常复杂。
发明内容
本发明针对现有测量曲面物体的形变过程较为复杂的问题，提出一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置，入射光以40～50度入射角照明被测物体，并在光路中增加调节镜，通过控制调节镜的偏转，改变入射光的角度；同时通过引入相位差，以物体表面的高度和相位差的关系，实现对物体形貌的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法，通过对曲面以40～50度入射角进行照明并采集光束偏转前、后以及相移前后的散斑图获取曲面的三维形貌，根据三维形貌计算得到曲面上任意点的法线矢量，然后通过对待测曲面进行加载，进一步得到待测曲面变形前后的不同散斑图测得沿法线方向的离面形变。
所述的散斑图，通过激光光源发出的激光依次经过滤光片、半波片和扩束透镜组扩束后经过调节镜反射照射待测曲面，经待测曲面的散射光经过透镜成像，与经过同样激光光源和扩束透镜组发出的参考光干涉后通过成像机构采集得到。
所述的散斑图包括：光束偏转前相移前变形前待测曲面的干涉图、光束偏转后相移前变形前待测曲面的干涉图、光束偏转前相移后变形前待测曲面的干涉图、光束偏转后相移后变形前待测曲面的干涉图、光束偏转前相移前变形后待测曲面的干涉图、光束偏转后相移前变形后待测曲面的干涉图、光束偏转前相移后变形后待测曲面的干涉图、光束偏转后相移后变形后待测曲面的干涉图。
所述的光束偏转是指：以入射角θ为基础，偏转Δα，使入射光的入射角度产生Δα的变化。
所述的三维形貌，通过以下方式得到：当入射光偏转Δα角，对应光程差为ΔL＝(zS-z)sinβΔα+(xS-x)cosβΔα，其中：β为入射角，Δα为入射光偏转角度，通过对散斑图进行运算获得在x方向载波条纹产生的相位大小
Figure GDA0002252826640000021
以及散斑图的相位
Figure GDA0002252826640000022
其中：x和z为物体表面任意点的坐标，xS和zS为光源的坐标位置；通过计算,获得与物体高度相关的相位
Figure GDA0002252826640000023
根据
Figure GDA0002252826640000024
得到物体高度z，从而获得被测物体的三维形貌信息。
所述的离面形变，通过以下方式得到：当待测曲面变形前物体上M点对应变形后在法线方向为M`点时，在法线方向物体形变和光程差的关系为：ΔL＝d(cosθ1+cosθ2)，且相位变化为：对相位变化Δφ进行和差化积得到
Figure GDA0002252826640000026
物体变形其中：
Figure GDA0002252826640000028
Figure GDA0002252826640000029
θ为已知，大小为入射光和出射光之间夹角的一半，θ1为物体表面任意一点法线矢量与入射矢量之间的夹角，θ2为物体表面任意一点法线矢量与反射矢量的夹角，θ1+θ2为入射矢量和反射矢量之间的夹角，ψ的大小受所求形变方向控制，目标形变方向为法线方向，法线矢量是与物体形貌相关的量。要想获得ψ的值，必须要获得物体的形貌信息。
本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：光源模块、相移机构、采集机构和计算模块，其中：光源模块输出物光光和参考光分别至设置于相移机构上的待测曲面和采集机构中，采集机构根据待测曲面上的散射光和参考光分别采集形貌测量和离面形变所需要的散斑图并输出至计算模块，计算模块根据相移机构的位移数据和散斑图计算得到离面形变。
所述的光源模块包括：激光发生装置、滤光扩束装置、偏振分光装置和反光调节装置，其中：激光发生装置发出的激光经滤光扩束装置后，由偏振分光装置分为参考光和检测光并分别输出至采集机构和反光调节装置，反光调节装置将检测光以入射角θ照射到待测曲面上，待测曲面的散射光在空间形成散斑。
所述的相移机构，包括驱动电源模块和压电陶瓷相移器，驱动电源控制压电陶瓷相移器，将待测曲面精确实现相移。
所述的计算模块对散斑图进行数据计算，包括相位重建、滤波、相位解包裹、离面形变转换，最终获得待求的曲面物体的离面形变。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够对三维形貌和离面形变实现综合测量。通过控制调节镜的偏转，利用数字散斑干涉的方法实现物体的三维形貌的测量和离面位移的测量。装置中引入光源偏转模块，通过控制光源的偏转，获得曲面物体的三维形貌，获得物体表面的法线矢量。通法线矢量，结合数字散斑干涉测量形变的方法，获得曲面物体表面法线方向的离面形变，本发明光路简单、操作方便，能够实现全场、非接触测量。
附图说明
图1为基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置构成示意图；
图2为曲面物体变形时光程差和法线方向位移的几何关系图；
图3为CCD采集的入射光偏转前散斑图像；
图4为用四步相移法重建的相位图；
图5为重建的物体的三维形貌；
图6为加载变形时CCD采集的散斑图像；
图7为四步相移法重建的加载变形的相位图；
图8为滤波后的加载变形的相位图；
图中：激光器1、滤光片2、半波片3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、偏振态分束器7、反射镜8、半波片9、调节镜10、被测物体表面11、第四透镜12、半透半反镜13、CCD相机14、计算机15、驱动电路16、相移器17。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置，其中：从波长为532nm的半导体激光器1出来的光依次经过滤光片2、半波片3进入扩束装置，经过扩束后的光斑在偏振态分束器7分束，其中一束光依次经过反射镜8、半波片9和调节镜10，以45度入射角照射到被测物体表面11，在被测表面产生漫反射光；被测物体表面的漫反射光通过第四透镜12成像，经过半透半反镜13到达CCD敏感面，从偏振态分数器7出来之后的另一束光直接通过半透半反镜13照射到CCD敏感面上，作为参考光；在光路中的半波片3和半波片9是相互配合使用，用来调节物光和参考光的光强比，当CCD敏感面接受到的物光和参考光光强相近时，会产生高质量的散斑干涉条纹。
所述的扩束装置为三面透镜4、5、6组成的透镜组。
所述的驱动电路16控制相移器17施加相移，采用四步相移的方法解相位，相移器依次施加
Figure GDA0002252826640000041
相移。
如图1所示，所述的形貌测量的试件为25.4mm*25.4mm，弓高为1mm的曲面试件。为了增加曲面试件表面的漫反射率，对试件表面喷涂珠光涂料。整个装置放置在防震台上。用波长为532nm的半导体激光器1作为光源，从偏振态分束器7出来的光束，经过反射镜8、半波片9和调节镜10偏转后照射到试件表面。
本实施例通过以下方式进行测试：首先驱动电路控制相移器施加相移，CCD依次记录四幅散斑图，如图3所示，该散斑图是入射光未发生偏转的散斑图。然后调节镜偏转0.06度，入射光偏转引入光程差，相移器重复施加调节镜偏转前的相移量，CCD记录偏转后的四幅散斑图。
将采集的偏转前后的八幅散斑图，用四步相移的方法进行解相位，得到重建后的相位图。对重建后的相位图相减，得到受形貌调制的条纹图，如图4所示。对重建的相位图滤波、相位解包裹处理，利用解包裹得到的真实相位图重建物体高度，如图5所示。
散斑图上任意一点的物光光波相位变化为
Figure GDA0002252826640000042
其中：施加相移之后的干涉场光强分别为
Figure GDA0002252826640000044
I2＝a(x,y)+b(x,y)+cos[φ(x,y)+π]，
Figure GDA0002252826640000045
I4＝a(x,y)+b(x,y)+cos[φ(x,y)+2π]。
所述的曲面物体的离面形变测量光路如图1所示，被测试件为一25.4mm*25.4mm的，中心加载的曲面试件。对完成形貌测量后的被测试件，首先驱动电路控制相移器施加相移，CCD依次记录四幅未加载变形的散斑图。然后用螺旋测微头中心加载5微米，物体变形引入相位差，发生变形后，相移器重复施加加载前的相移量，再依次记录四幅加载后的散斑图6所示。
将采集的加载变形前后的八幅散斑图，用四步相移的方法进行解相位，得到重建后的相位图。对重建后的相位图相减，得到重建后的相位图。对重建后的相位图相减，并进行滤波处理，得到物体中心加载变形的的条纹图，如图7和图8所示。对重建后的相位图进行计算，并结合形貌测量得到的法线矢量，计算物体法线方向的离面变形d。
将变形前后的相位差和法线方向上的形变量的转换是本技术的关键点。而法线方向矢量通过形貌信息才能获得。本技术正是通过三维形貌测测量获得法线矢量，建立起相位变化和法线方向上的形变量之间的转换。
由实验结果表明，曲面物体离面形变测量可以由一套DSPI装置实现。并且为了获得沿着曲面物体表面法线方向的离面位移，首先要获得物体的三维形貌。通过物体的三维形貌，获得曲面物体表面任意一点的法线矢量，然后用DSPI的方法获得的物体变形前后的相位信息，结合物体表面法线矢量，获得曲面物体法线方向的离面变形。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法，其特征在于，通过对曲面以40～50度入射角进行照明并采集光束偏转前、后以及相移前后的散斑图获取曲面的三维形貌，根据三维形貌计算得到曲面上任意点的法线矢量，然后通过对待测曲面进行加载，进一步得到待测曲面变形前后的不同散斑图，测得沿法线方向的离面形变；
所述的离面形变，通过以下方式得到：当待测曲面变形前物体上M点对应变形后在法线方向为M`点时，在法线方向物体形变和光程差的关系为：ΔL＝d(cosθ1+cosθ2)，且相位变化为：
Figure FDA0002252826630000011
对相位变化Δφ进行和差化积得到
Figure FDA0002252826630000012
物体变形
Figure FDA0002252826630000013
其中：λ为激光波长，
Figure FDA0002252826630000014
θ为已知，大小为入射光和出射光之间夹角的一半，θ1为物体表面任意一点法线矢量与入射矢量之间的夹角，θ2为物体表面任意一点法线矢量与反射矢量的夹角，θ1+θ2为入射矢量和反射矢量之间的夹角，ψ的大小受所求形变方向控制，目标形变方向为法线方向，法线矢量是与物体形貌相关的量，要想获得ψ的值，必须要获得物体的形貌信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的散斑图，通过激光光源发出的激光依次经过滤光片、半波片和扩束透镜组扩束后经过调节镜反射照射待测曲面，经待测曲面的散射光经过透镜成像，与经过同样激光光源和扩束透镜组发出的参考光干涉后通过成像机构采集得到。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的三维形貌，通过以下方式得到：当入射光偏转Δα角，对应光程差为ΔL＝(zS-z)sinβΔα+(xS-x)cosβΔα，其中：β为入射角，Δα为入射光偏转角度，通过对散斑图进行运算获得在x方向载波条纹产生的相位大小
Figure FDA0002252826630000015
以及散斑图的相位
Figure FDA0002252826630000016
其中：x和z为物体表面任意点的坐标，xS和zS为光源的坐标位置；通过计算,获得与物体高度相关的相位
Figure FDA0002252826630000017
根据
Figure FDA0002252826630000018
得到物体高度z，从而获得被测物体的三维形貌信息。
4.一种实现上述任一权利要求所述方法的装置，其特征在于，包括：光源模块、相移机构、采集机构和计算模块，其中：光源模块输出检测光和参考光分别至设置于相移机构上的待测曲面和采集机构中，采集机构根据待测曲面上的散射光和参考光分别采集形貌测量和离面形变所需要的散斑图并输出至计算模块，计算模块根据相移机构的位移数据和散斑图计算得到离面形变。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的光源模块包括：激光发生装置、滤光扩束装置、偏振分光装置和反光调节装置，其中：激光发生装置发出的激光经滤光扩束装置后，由偏振分光装置分为参考光和检测光并分别输出至采集机构和反光调节装置，反光调节装置将检测光以入射角照射到待测曲面上，待测曲面的散射光在空间形成散斑。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的相移机构，包括驱动电源模块和压电陶瓷相移器，驱动电源控制压电陶瓷相移器，将待测曲面精确实现相移。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的计算模块对散斑图进行数据计算，包括相位重建、滤波、相位解包裹、离面形变转换，最终获得待求的曲面物体的离面形变。
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