CN110108223B - 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 - Google Patents
散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110108223B CN110108223B CN201910505285.7A CN201910505285A CN110108223B CN 110108223 B CN110108223 B CN 110108223B CN 201910505285 A CN201910505285 A CN 201910505285A CN 110108223 B CN110108223 B CN 110108223B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- speckle interference
- shearing
- light
- speckle
- measured object
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
- G01B11/162—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means by speckle- or shearing interferometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法,涉及光学测试技术领域。其特征在于:包括激光器和分束镜,所述激光器发射的激光经所述分束镜分为透射光和反射光;所述透射光经扩束镜扩束后照射至被测物形成漫反射光,所述反射光依次经光纤、透镜和分光棱镜后作为参考光进入光路;所述被测物表面的漫反射光依次经光阑、成像透镜和迈克尔逊剪切装置后,获得具有剪切量的两束物光;所述具有剪切量的两束物光和光纤引入的参考光在CCD相机的靶面上干涉,形成散斑干涉图。本发明可对被测物进行散斑和剪切的同步动态检测,是一种无损、全场、高精度的测量系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学测试技术领域,具体涉及一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法。
背景技术
数字散斑干涉和数字剪切成像都是一种实时、全场、非接触的光学测量方法,近年来在汽车和航空航天行业的复合材料无损检测方面被广泛应用并发挥着积极的作用。其中散斑干涉系统仅可测量变形信息,而数字剪切成像系统则测量变形的一阶导数,即应变信息。在实际应用中,不论是变形信息还是应变信息,都是用于缺陷检测和评估的关键参数。
通常,变形和应变可以相互转换。变形通过推导计算可以得到应变分量,而应变也可以通过数值积分来获得变形。然而,单纯数值上的计算通常较为复杂,且容易累积误差,得不到理想的结果。因此,开发同时测量变形及应变的共用测量系统以应对实际应用的需求就显得尤为重要。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法,其能够实现对被测物的变形和应变的同步动态检测,测量系统结构简单,测量方法便捷。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
一方面,一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统,所述测量系统包括:
激光器;
分束镜,所述激光器发射的激光经所述分束镜分为透射光和反射光;
其中,所述透射光经扩束镜扩束后照射至被测物形成漫反射光;所述反射光依次经光纤、透镜和分光棱镜后作为参考光进入光路;
所述漫反射光依次经光阑、成像透镜和迈克尔逊剪切装置后,获得具有剪切量的两束物光;
所述具有剪切量的两束物光和光纤引入的参考光在CCD相机的靶面上干涉,形成散斑干涉图。
优选的,所述系统还包括4f系统前置透镜和4f系统后置透镜;
所述漫反射光依次经光阑、成像透镜、4f系统前置透镜和迈克尔逊剪切装置后,获得具有一定剪切量的两束物光;
所述具有剪切量的两束物光经4f系统后置透镜和光纤引入的参考光在CCD相机的靶面上干涉,形成散斑干涉图。
优选的,所述迈克尔逊剪切装置包括反射镜和分光棱镜。
优选的,所述激光器为具有不同波长的三个激光光源;所述分束镜和扩束镜为三个对应于不同的激光光源;所述光纤为三个对应于不同的分束镜;所述分光棱镜为三个对应于不同的光纤;所述CCD相机为彩色相机。
另一方面,一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量方法,包括以下步骤:
步骤1:采集所述具有剪切量的两束物光和光纤引入的参考光在CCD相机的靶面上干涉形成的散斑干涉图的强度I;
步骤2:对所述散斑干涉图像的强度I进行傅里叶变换得到散斑干涉图像的空间频谱FT(I);
步骤3:设置滤波窗口提取含有相位信息的频谱部分,对提取的频谱区域进行傅里叶逆变换,可获得散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布;
步骤4:分别计算被测物体变形前后散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差,获得被测物体变形和应变信息。
优选的,所述散斑干涉图像的强度I可表示为:
其中,*表示共轭运算。u1为参考光;u2、u3为具有剪切量的两束物光。
优选的,所述散斑干涉图像的空间频谱FT(I)可表示为:
优选的,所述f0x、f0y、f1可表示为:
其中,θ0x和θ0y分别表示参考光与CCD靶面法线之间夹角在x和y方向上的分量,θ为迈克尔逊剪切剪切装置的剪切角,λ为激光器波长。
优选的,所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布可表示为:
其中,Im和Re分别表示复数的虚部和实部。
优选的,所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差可表示为:
(三)有益效果
本发明提供了一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法。与现有技术相比,具备以下有益效果:
本发明嵌入了4f系统,提高了单次测量的面积,可提高测量效率。同时采用了迈克尔逊干涉系统作为剪切装置,使系统紧凑、简单、易调节。为实现对被测物变形和应变的同步动态检测,本发明采用空间载波技术,实现了频谱复用,可从单幅散斑图获取散斑干涉和剪切干涉的相位信息。本发明采用参考光从剪切装置后引入的结构,可以降低方法中图像处理的复杂度,提高剪切干涉测量结果的质量。
另外,彩色相机可同时测量被测物x、y、z三个方向上的量,使系统更符合实际应用的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一组激光器的光路示意图;
图2为本发明实施例三组激光器的光路示意图;
图3为本发明实施例一组激光器的结构示意图;
图4为本发明实施例空间频谱的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本申请实施例通过提供一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法,能够实现对被测物的变形和应变的同步动态检测,测量系统结构简单,测量方法便捷。
为了更好的理解技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对技术方案进行详细的说明。
第一方面,本发明实施例提供一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统,如图1~3所示,所述测量系统用于检测被测物4,所属测量系统包括激光器1,分束镜2,扩束镜3,光阑5,成像透镜6,4f系统前置透镜7,迈克尔逊剪切装置9,4f系统后置透镜8,光纤10,透镜11,分光棱镜12,CCD相机13。
具体实施过程中,激光器1可以作为照明光源;所述激光器1出射的激光经分束镜2后分为透射光和反射光;具体的该激光器1可以采用氦氖激光器,需要说明的是,可以是其他激光器;
所述透射光经扩束镜3扩束后作为照明光照射被测物4,所述反射光依次经光纤10、透镜11和分光棱镜12后作为参考光进入光路;其中透射光经扩束镜扩散后照射被测物表面,为携带被测物的信息的物光,另一束反射光为不携带被测物信息的参考光;
所述被测物4表面的漫反射光依次经光阑5、成像透镜6、和迈克尔逊剪切装置9后,获得具有剪切量的两束物光;
所述具有剪切量的两束物光和光纤10引入的参考光在CCD相机13的靶面上干涉,形成散斑干涉图。
一实施例中,如图1~3所示,所述系统还包括4f系统前置透镜7和4f系统后置透镜8;
所述漫反射光依次经光阑5、成像透镜6、4f系统前置透镜7和迈克尔逊剪切装置9后,获得具有一定剪切量的两束物光;
所述具有剪切量的两束物光经4f系统后置透镜8和光纤10引入的参考光在CCD相机13的靶面上干涉,形成散斑干涉图。
上述实施例中前置透镜7与后置透镜8构成4f系统,具体的,假设前置透镜7与后置透镜8的焦距均为f,则成像透镜6到前置透镜7的距离为f+成像透镜6的焦距f’,前置透镜7到反射镜M2的距离为f,后置透镜8到反射镜M1的距离为f,后置透镜8到CCD靶面的距离为f。其中前置透镜7与后置透镜8之间的光路为平行光路,提高了单次测量的面积,使系统测量效率提高。
一实施例中,所述迈克尔逊剪切装置包括反射镜和分光棱镜。如图1~3所示,具体的,M1和M2为反射镜,所述分光棱镜的反射率:透射率为50:50。
一实施例中,所述激光器1为三个激光器,如图2所示,具体的,当该激光器为三个时,其相对应的需要三个分束镜2、三个扩束镜3、三个光纤10、三个透镜11以及三个分光棱镜12,CCD相机13为彩色相机。
一实施例中,三个所述激光器1分别发射出不同波长的激光,光路为三维光路,可实现对被测物x、y、z三个方向上变形和应变的同步测量,使系统更符合实际应用的需求。
上述实施例中光阑5和光纤10可调节空间载波频率,即控制CCD靶面上的散斑尺寸和傅里叶域中的频谱尺寸。
上述实施例中通过光纤从迈克尔逊剪切装置后引入参考光,并与两束物光在CCD靶面上两两干涉。则在傅里叶域中有9个项,对应于频谱中7个光谱。其中四项可提取散斑干涉的相位图,两项可提取剪切测量的相位图。
第二方面,本发明实施例还提供一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量方法,包括以下步骤:
步骤1:采集所述具有剪切量的两束物光和光纤引入的参考光在CCD相机的靶面上干涉形成的散斑干涉图的强度I;
步骤2:对所述散斑干涉图像的强度I进行傅里叶变换得到散斑干涉图像的空间频谱FT(I);
步骤3:设置滤波窗口提取含有相位信息的频谱部分,对提取的频谱区域进行傅里叶逆变换,可获得散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布;
步骤4:分别计算被测物体变形前后散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差,获得被测物体变形和应变信息。
上述实施例中所述散斑干涉图像的强度I可表示为:
式(1)中,*表示共轭运算。u1为参考光;u2、u3为具有剪切量的两束物光。
上述实施例中所述散斑干涉图像的空间频谱FT(I)可表示为:
如图4所示,频谱中7个光谱分别对应于傅里叶域中的9个项。
上述实施例中所述f0x、f0y、f1可表示为:
式(3)中,θ0x和θ0y分别表示参考光与CCD靶面法线之间夹角在x和y方向上的分量,θ为迈克尔逊剪切剪切装置的剪切角,λ为激光器波长。
上述实施例中所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布可表为:
式(4)中,Im和Re分别表示复数的虚部和实部。
上述实施例中所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差可表示为:
综上所述,与现有技术相比,具备以下有益效果:
本发明嵌入了4f系统,提高了单次测量的面积,可提高测量效率。同时采用了迈克尔逊干涉系统作为剪切装置,使系统紧凑、简单、易调节。为实现对被测物变形和应变的同步动态检测,本发明采用空间载波技术,实现了频谱复用,可从单幅散斑图获取散斑干涉和剪切干涉的相位信息。另外,彩色相机可同时测量被测物x、y、z三个方向上的量,使系统更符合实际应用的需求。最重要的是,本发明采用参考光从剪切装置后引入的结构,可以降低方法中图像处理的复杂度,提高剪切干涉测量结果的质量。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统的测量方法,其特征在于,散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统包括:
激光器(1);
分束镜(2),所述激光器(1)发射的激光经所述分束镜(2)分为透射光和反射光;
所述透射光经扩束镜(3)扩束后照射至被测物(4)形成漫反射光;
所述反射光依次经光纤(10)、透镜(11)和分光棱镜(12)后作为参考光进入光路;
所述被测物(4)表面的漫反射光依次经光阑(5)、成像透镜(6)和迈克尔逊剪切装置(9)后,获得具有剪切量的两束物光;
所述具有剪切量的两束物光和光纤(10)引入的参考光在CCD相机(13)的靶面上干涉,形成散斑干涉图;
所述迈克尔逊剪切装置(9)包括反射镜和分光棱镜;
测量方法包括以下步骤:
步骤1:采集具有剪切量的两束物光和光纤(10)引入的参考光在CCD相机(13)的靶面上干涉形成的散斑干涉图的强度I;
步骤2:对所述散斑干涉图像的强度I进行傅里叶变换得到散斑干涉图像的空间频谱FT(I);
步骤3:设置滤波窗口提取含有相位信息的频谱部分,对提取的频谱区域进行傅里叶逆变换,可获得散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布;
步骤4:分别计算被测物体变形前后散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差,获得被测物体变形和应变信息。
3.如权利要求2所述测量方法,其特征在于,所述散斑干涉图像的空间频谱FT(I)为:
所述f0x、f0y、f1为:
其中,θ0x和θ0y分别表示参考光与CCD靶面法线之间夹角在x和y方向上的分量,θ为迈克尔逊剪切装置的剪切角,λ为激光器波长。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910505285.7A CN110108223B (zh) | 2019-06-12 | 2019-06-12 | 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910505285.7A CN110108223B (zh) | 2019-06-12 | 2019-06-12 | 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110108223A CN110108223A (zh) | 2019-08-09 |
CN110108223B true CN110108223B (zh) | 2021-06-11 |
Family
ID=67494674
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910505285.7A Active CN110108223B (zh) | 2019-06-12 | 2019-06-12 | 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110108223B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111288914A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-06-16 | 北京信息科技大学 | 一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统 |
CN112414941A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-26 | 青岛理工大学 | 基于剪切散斑干涉技术的复杂表面无损检测系统及方法 |
CN112630046A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种高温材料性能测量方法及系统 |
CN112684460B (zh) * | 2020-12-21 | 2024-03-22 | 武汉光目科技有限公司 | 一种面阵扫频测量装置和方法 |
CN113358324B (zh) * | 2021-06-11 | 2022-09-02 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法 |
CN114322808B (zh) * | 2021-12-02 | 2024-03-19 | 上海大学 | 一种多维散斑干涉系统及实时测量方法 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19640153A1 (de) * | 1996-09-28 | 1998-04-02 | Wolfgang Prof Dr Ing Steinchen | Verfahren und Vorrichtung für die Speckle- und Speckle Shearing-Interferometrie |
US5963310A (en) * | 1997-06-11 | 1999-10-05 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Surface imaging skin friction instrument and method |
KR100693213B1 (ko) * | 2005-08-19 | 2007-03-13 | 한국타이어 주식회사 | 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상측정장치 |
CN103712569B (zh) * | 2013-12-31 | 2016-03-30 | 合肥工业大学 | 基于偏转角度的单幅图像快速相移系统及相位检测方法 |
CN104482875B (zh) * | 2014-12-19 | 2017-07-21 | 合肥工业大学 | 单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法 |
CN108489987A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-04 | 合肥工业大学 | 用于光滑表面物体内部缺陷的检测装置 |
CN109357615B (zh) * | 2018-09-27 | 2020-12-01 | 北京信息科技大学 | 散斑干涉与剪切散斑干涉的共用装置 |
CN109000580B (zh) * | 2018-09-29 | 2021-02-23 | 北京信息科技大学 | 一种应变测量方法和装置 |
-
2019
- 2019-06-12 CN CN201910505285.7A patent/CN110108223B/zh active Active
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
吕有斌.基于剪切散斑干涉的无损检测系统设计与研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》.2018, * |
基于剪切散斑干涉的无损检测系统设计与研究;吕有斌;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20180315;正文第37-56页 * |
基于散斑干涉的光滑表面变形快速检测;涂思琪 等;《中国光学》;20180430;第11卷(第2期);摘要、第249页左栏第1段至第252页右栏第3段 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110108223A (zh) | 2019-08-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110118537B (zh) | 基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法 | |
CN110108223B (zh) | 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法 | |
CN106767489B (zh) | 数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法 | |
TW201530093A (zh) | 厚度線上即時檢測之光學干涉裝置及其方法 | |
US11906281B2 (en) | Device and method for measuring thickness and refractive index of multilayer thin film by using angle-resolved spectral reflectometry | |
TW201825890A (zh) | 透明基板之瑕疵檢測方法與裝置 | |
JP2020517911A (ja) | スペクトル制御干渉法による曲率半径測定 | |
JP7457133B2 (ja) | 透過反射型デジタルホログラフィック顕微鏡システム | |
Zhao et al. | Simultaneous 3D measurement of deformation and its first derivative with speckle pattern interferometry and shearography | |
CN115950890B (zh) | 用于工业检测的谱域光学相干层析成像检测方法及系统 | |
US6965435B2 (en) | Interferometer system for measuring surface shape | |
Jiang et al. | Panoramic dual-directional shearography assisted by a bi-mirror | |
TWI458960B (zh) | 白光干涉量測裝置及其干涉量測方法 | |
CN113834430A (zh) | 一种测量薄膜厚度和折射率的方法 | |
CN111289469A (zh) | 一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量装置和方法 | |
CN115308216B (zh) | 在线检测铝型材表面缺陷的装置及方法 | |
CN110967958A (zh) | 一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置 | |
CN114459620B (zh) | 通过单一波片在双干涉通道间产生π相移的装置及方法 | |
CN114324359A (zh) | 物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统 | |
CN112539920B (zh) | 一种激光光学元件高反射率测量方法 | |
JP2010008328A (ja) | 光干渉計及びそれを用いた膜厚測定方法 | |
TW202129222A (zh) | 混合式3d檢測系統 | |
CN114322808B (zh) | 一种多维散斑干涉系统及实时测量方法 | |
JP2008196901A (ja) | 光波干渉測定装置 | |
Rani et al. | Wide field 3D optical profilometry using a diffraction Lloyd’s mirror interferometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |