CN108982510A - 利用90°光学混波器数字剪切散斑动态检测系统及方法 - Google Patents

利用90°光学混波器数字剪切散斑动态检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用90°光学混波器对材料缺陷进行动态检测装置包括激光光源、若干光纤、90°光学混波器、基于迈克尔逊干涉仪的剪切设备以及四套同规格的光纤接口CCD。所述的激光光源近似垂直入射至被测物体，带有被测物体缺陷信息的散斑信号光通过一套剪切迈克尔逊干涉仪得到剪切散斑干涉信号，该信号耦合至光纤后输入至90°光学混波器，光学混波器输出的四个通道的光信号经四套同规格CCD接收，从而同时接收四幅具有90°相位差的散斑干涉图想。即只需采集单幅图像的时间，就能实现常见四步时间相移法的四幅相位相差90°的散斑干涉图样的采集，高质量地实现对材料缺陷的动态检测。

Description

利用90°光学混波器数字剪切散斑动态检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种利用数字剪切散斑技术对复合材料的缺陷进行实时、高灵敏度、动态检测的系统及基于该系统的方法。
背景技术
随着现代工业生产的高速发展，国家对材料行业投入越来越多的重视，尤其是应用于航空工业、汽车制造业的先进复合材料。作为产品制造的基础，产品制作材料的检测是把控产品质量的关键。但是传统的检测方法面临着检测效率低等问题，相比于超声C扫描、涡流检测等方法，数字剪切散斑技术可以做到方便快速、全场的无损检测。剪切散斑干涉图记录的是两幅错位散斑场叠加干涉所形成的光强分布图，相位信息无法直接从干涉图中提取出来。相位检测技术提供了获得全场相位的方法，时间相移干涉法是操作最方便的相位提取方法，通过相移装置改变两束干涉光之间的相位差，并记录时间序列中不同相位差的多幅散斑干涉图，材料表面或内部的缺陷信息在散斑干涉条纹的突变中显现。时间相移法中光信号没有经过光阑的选取，所有散斑信号得到有效利用，因此对缺陷的探测灵敏度较高。目前最常用的相移方法有利用PZT压电陶瓷移动反射镜、倾斜玻璃板、移动衍射光栅等，但是移动位移会存在相移控制误差。另外，因为是在时间序列上获取四幅相位相差90°的散斑信号，无法保证散斑的一致性，不适合于动态加载环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种更精准的相移检测装置以满足材料的动态检测要求。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用90°光学混波器的数字剪切散斑动态检测系统，其特征在于，包括激光光源、90°光学混波器、带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪以及四套同规格的光纤接口CCD；
激光光源垂直照射于被检测物体形成带有被测物体缺陷信息的散斑信号光，该散斑信号光通过剪切迈克尔逊干涉仪得到剪切散斑干涉信号，该剪切散斑干涉信号耦合至光纤后输入至90°光学混波器，90°光学混波器输出四个通道的光信号经四套同规格CCD接收，从而同时接收四幅具有90°相位差的散斑干涉图像。本发明只需采集单幅图像的时间，就能实现常见四步时间相移法的四幅相位相差90°的散斑干涉图样的采集，高质量地实现对材料缺陷的动态检测。本发明能够对被检测材料的缺陷实时、动态检测，方便快捷。
优选地，所述带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪通过分光棱镜将所述散斑信号光分成两束光，一束光经过普通反射镜形成参考光，另一束光经过带有倾斜角的反射光反射形成剪切光。
优选地，所述90°光学混波器将剪切散斑干涉信号自动进行四个相位的偏转与输出；所述四幅具有90°相位差的散斑干涉图像除90°相位差以外，散斑信息严格一致。本发明的采集系统可以同一时刻收集来自物面四幅不同相位的图像，进行处理，较时间四步相移采集时间大大缩减；本发明较时间相移法更精确，即能够高质量地实现材料缺陷的动态检测。
优选地，所述四套同规格相机带有光纤接口，直接接受来自光纤的图像信息。
本发明的另一个技术方案是提供了一种使用上述的数字剪切散斑动态检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将90°光学混波器的四个输出端口通过光纤分别与四个带光纤接口的CCD进行连接；
步骤2、开启激光光源，使其达到稳定的激光输出；
步骤3、对被测物体进行应力加载；
步骤4、激光光源发出的激光经过被测物体的物面反射，将缺陷信息编码进散斑光束，形成带有被测物体缺陷信息的散斑信号光，该散斑信号光进入迈克尔逊干涉仪中的分光棱镜；
步骤5、将来自带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪的光通过聚焦镜耦合进与90°光学混波器的输入通道相连的光纤；
步骤6、触发采集信号，使四套同规格的光纤接口CCD同时采集被测物体的四个不同相位的图像；
步骤7、将来自四个四套同规格的光纤接口CCD的图像进行校正，利用四步相移计算公式，获得被测物体形变信息；然后将被测物体形变信息解包裹，从而根据图像来来判断缺陷的类型、尺寸。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明由90°光学混波器、四个同规格的带有光纤接口的CCD及一套基于迈克尔逊干涉的数字散斑干涉仪(简称“DSPI”)按一定空间结构进行组合。
本发明具有两点突出优势：第一点这四幅散斑图除了相位相差90度以外，散斑相位信息严格一致，计算相位更加精准；第二点在于同时获取四幅相位相差90度的散斑干涉图。
本发明融合了时间相移法和空间载波法的所有优势。相比于常用的时间相移法，信息获取时间上有优势，且计算精度更高。相对于适用于动态检测的空间载波剪切散斑法，没有狭缝或光阑作为选频谱选取装置，图像质量大大提升。在工业材料检测中具有很重要的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中一个数字散斑干涉仪的光路图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明的第一实施方式涉及一种利用光纤混合耦合器的动态检测的数字剪切散斑技术如图1所示，包括激光器光源1、扩束镜2、被测材料3、聚焦镜4、、垂直光轴反射镜5、倾斜反射镜6、分光棱镜7、光纤8、90°光学混波器9、和四个相同规格的带有光纤接口的相机CCD阵列10。所述四个相同规格的带有光纤接口的相机CCD 10位于90°光学混波器7的四个输出端口，来自被测材料3的表面反射光经过聚焦镜4进入分光棱镜7，物面散斑场的光束被分成两束，一束经过垂直于光路的反射镜5形成参考光，另一束经过倾斜于光路的反射镜6形成剪切光。两束光叠加后经聚焦镜耦合进光纤8，从而到达90°光学混波器9的输入端口，经过四个90°的相位移动，四个不同相位的光分别通过光纤8进入CCD10。
图2所示是一个数字散斑干涉仪的光路图，其中，数字散斑干涉仪主要有分光棱境7、聚焦镜4、垂直于光路的反射镜5、倾斜的反射镜6、光纤8及带有光纤接口的CCD相机10等组成。激光器1发出的激光经过扩束镜2照射到被测材料3上，经由被测材料3反射后，经由聚焦镜5后进入数字散斑干涉仪，一束光路经过分光棱境7分成两束光，其中一束经过反射镜5形成参考光；另一束光经过倾斜的反射镜6形成剪切光。
所述的相机CCD阵列10采用同步触发方式，使其在检测过程中保证四个带有物体表面同一时刻不同相位信息之间依次相差90°。实现全场、非接触地精确地测量被测材料表面或近表面的缺陷信息，我们所采用的是操作方便、相移精准的时间相移技术，有四个未知量，我们通过相移已知相位，得到方程联立求解可以得到被测材料的干涉条纹图的相位分布，由此计算出因加载所引起的物体形变，得到缺陷处与完整处的相位差异，从而通过图像处理得到被测材料的缺陷信息。
本发明的第二实施方式涉及一种使用上述应用于实时工件检测的四相机数字散斑传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1：90°光学混波器7的四个输出端口通过光纤8分别与四个带光纤接口的相机CCD阵列10进行连接；
步骤2：开启激光器光源1，使其达到稳定的激光输出；
步骤3：对被测物体3进行应力加载；
步骤4：激光经过被测物体3的物面反射，将缺陷信息编码进散斑光束，光束进入迈克尔逊干涉仪中的分光棱镜；
步骤5：将来自带有分光棱镜7的迈克尔逊干涉仪的光通过聚焦镜耦合进90°光学混波器7输入通道的光纤8；
步骤6：触发采集信号，使四套数字剪切散斑干涉仪的相机CCD阵列10同时采集检测物体的四个不同相位的图像；
步骤7：将来自相机CCD阵列10的图像进行校正，利用四步相移计算公式，获得被测物体形变信息；然后将被测物体形变信息解包裹，从而根据图像来来判断缺陷的类型、尺寸。
在进行上述检测过程中可以采用以下器材：
(1)台式主机一台：处理器Intel(R)Core(TM)i7-6700CPU@3.40GHz；安装内存(16.0GB)；系统类型：64位操作系统。
(2)黑白CCD摄像头4个，分辨率1280x960
(3)固体激光器1台，20mw。
(4)小型光学平台及支架一套
(5)分光棱镜、聚焦镜、光纤、扩束镜若干。
在将该系统应用于材料缺陷检测时，首先需要对系统进行预处理：包括光路的调整，图像的标定，测量网络参数的生成及设定。将被测材料妥善放置在夹持件上，使被测材料表面通过CCD的接收在计算机图像处理程序上清晰成像。打开激光光源，光强稳定后，对被测材料进行施压加载，经过本系统的信息采集，计算机对图像处理，解调出形变信息，从而得到缺陷的类型、尺寸信息。

Claims (5)

1.一种利用90°光学混波器的数字剪切散斑动态检测系统，其特征在于，包括激光光源、90°光学混波器、带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪以及四套同规格的光纤接口CCD；
激光光源垂直照射于被检测物体形成带有被测物体缺陷信息的散斑信号光，该散斑信号光通过剪切迈克尔逊干涉仪得到剪切散斑干涉信号，该剪切散斑干涉信号耦合至光纤后输入至90°光学混波器，90°光学混波器输出四个通道的光信号经四套同规格CCD接收，从而同时接收四幅具有90°相位差的散斑干涉图像。
2.根据权利要求1所述一种利用90°光学混波器的数字剪切散斑动态检测系统，其特征在于，所述带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪通过分光棱镜将所述散斑信号光分成两束光，一束光经过普通反射镜形成参考光，另一束光经过带有倾斜角的反射光反射形成剪切光。
3.根据权利要求1所述一种利用90°光学混波器的数字剪切散斑动态检测系统，其特征在于，所述90°光学混波器将剪切散斑干涉信号自动进行四个相位的偏转与输出；所述四幅具有90°相位差的散斑干涉图像除90°相位差以外，散斑信息严格一致。
4.根据权利要求1所述一种利用90°光学混波器的数字剪切散斑动态检测系统，其特征在于，所述四套同规格相机带有光纤接口，直接接受来自光纤的图像信息。
5.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的数字剪切散斑动态检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将90°光学混波器的四个输出端口通过光纤分别与四个带光纤接口的CCD进行连接；
步骤2、开启激光光源，使其达到稳定的激光输出；
步骤3、对被测物体进行应力加载；
步骤4、激光光源发出的激光经过被测物体的物面反射，将缺陷信息编码进散斑光束，形成带有被测物体缺陷信息的散斑信号光，该散斑信号光进入迈克尔逊干涉仪中的分光棱镜；
步骤5、将来自带有分光棱镜的迈克尔逊干涉仪的光通过聚焦镜耦合进与90°光学混波器的输入通道相连的光纤；
步骤6、触发采集信号，使四套同规格的光纤接口CCD同时采集被测物体的四个不同相位的图像；
步骤7、将来自四个四套同规格的光纤接口CCD的图像进行校正，利用四步相移计算公式，获得被测物体形变信息；然后将被测物体形变信息解包裹，从而根据图像来来判断缺陷的类型、尺寸。
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