CN111220546A - 一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统，属于激光散斑干涉技术领域，主要解决现有技术只能检测固定大小面积范围内的形变或缺陷的问题；包括光源单元、被测物、光路单元及CCD采集单元四部分搭建而成，其特点是：被测物垂直固定，在其前面斜上方约45度处放置光源单元，所述光源单元包括激光器和扩束镜，在激光器正前方放置扩束镜；在被测物的正前面一定距离处放置光路单元，所述成像透镜总成、所述一号透镜总成、一号狭缝光阑、一号平面镜总成、二号狭缝光阑、二号平面镜总成通过四根相同的同轴支杆分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔固接；在二号透镜总成前面放置CCD采集单元，所述CCD采集单元正对二号透镜。

Description

一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统

技术领域

本发明属于激光散斑干涉技术领域，具体涉及一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统。

背景技术

激光散斑干涉技术是近年来发展并逐渐成熟起来的新型激光全场测量技术，数字剪切散斑干涉技术因具有全场、非接触、无损、实时、高灵敏度、防震要求低、使其测量速度更快，测量精度更高，并且进一步拓宽其应用领域。随着数字散斑干涉测量领域的不断扩大，近些年来人们逐渐开始关注通过数字散斑干涉技术测量物体的形变，获取物体表面变形的信息，在航空航天、船舶制造、生物医学、工程材料等领域有着重要的研究意义，在数字散斑领域主要用到的有时间相移技术、空间相移技术和空间载波相移技术，最广泛的是用时间相移进行检测，虽然时间相移干涉法有着测量精度高的优势，但是当利用时间相移法对测量对象进行测量时，需要采集三幅及以上的具有固定相位差的散斑图，则要求被测对象在测量过程中保持静止，系统中必须加入相移装置，因此，时间相移法只适合对物体静态或准静态形变进行测量，当对物体动态形变进行研究时就遇到了困难,而空间载波相移法可以有效解决时间相移法无法实现实时动态测量的问题，空间载波傅里叶变换法通过引入载波频率和剪切量在傅里叶变换后实现频谱分离，使得含有形变信息的物光频谱与其他背景光的频谱彼此分开，提取有用的频谱区域，通过对该区域进行反傅里叶变换进而提取相位。目前，主要实现空间载波傅里叶变换相移技术引入载波的方式有三种，第一种就是使用马赫-曾德尔剪切干涉结构，剪切量和空间载频由两幅被剪切图像之间的倾斜角度产生，并且独立完成剪切量和载波的控制，提高效率，但是，结构比较复杂；第二种是基于光纤引入载波式系统，该系统的剪切量由单模光纤偏转角度引入参考光和物光发生错位形成；第三种是基于迈克尔逊干涉剪切装置散斑系统，传统用孔径光阑作为限制空间频率的装置。

目前，激光剪切散斑干涉系统通常仅搭建在实验室光学平台，停留在实验室内进行检测试验，或者，将光学元件组装在一个光学专用的盒子内部并固定，系统无法因被测物的大小改变而改动元件之间的距离，只能检测固定大小面积范围内的形变或缺陷问题。

发明内容

本发明主要基于空间载波傅里叶变换相移法进行无损检测，在测试过程中无需相移装置，优化后光路简单，易操作，目前数字剪切散斑系统大多数采用传统的螺栓式连接方式将分立的光学元件搭建在专业光学平台上，元件相互无连接，因为系统光路中物距和像距都是固定值，经系统设计后元件之间的距离和角度都是确定的，传统的连接方式在一定程度上不能达到最精确的距离和角度，并且只能应用在室内检测，所以将设计好的数字剪切散斑干涉测量系统搭建成同轴笼式结构，将光学元件按设计系统固定成同轴的一套笼式结构系统很有必要，加上基于空间载波傅里叶变换相移法，这套无损检测系统可以达到实时、动态、可移动性便携式检测。同时，该系统在传统的迈克尔逊干涉系统上做了优化改进，采用双光阑代替传统一个光阑引入空间载波频率，传统光阑一般放置在成像透镜后面，本发明将光阑分别放置在两个平面镜前，分别控制物光和参考光两束光，通过光阑的两束光在同一光轴上形成夹角，更容易调节和控制散斑尺寸和空间频谱宽度，在动态实时测试过程中更容易形成载波，从而形成剪切散斑干涉场。

本发明克服现有的测量方式上的不足，提供了一种基于激光数字剪切散斑的同轴笼式结构系统以实现对广泛用于航空航天等领域的结构部件金属材料和复合材料进行动态实时的无损检测，采用同轴笼式结构是测量系统光路结构化，易操作化，可携带化，实现可移动检测，可以直接进行环境恶劣的外场测试实验。同时，优化改进剪切散斑干涉系统，用双光阑狭缝光阑代替单个光阑，方便了载波的引入和空间频谱变化，更有利于测试实验。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案是：

一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统，由光源单元、被测物、光路单元及CCD采集单元四部分搭建而成，其特点是：被测物垂直固定，在其前面斜上方约45度处放置光源单元，所述光源单元包括激光器和扩束镜，在激光器正前方放置扩束镜，激光器和被测物放置在普通载物台，扩束镜安装在普通实验支撑架上，方便换取；在被测物的正前面一定距离处放置光路单元，所述光路单元包括成像透镜总成、一号透镜总成、二号透镜总成、分光棱镜总成、一号平面镜总成、二号平面镜总成、一号狭缝光阑及二号狭缝光阑；搭建光路单元时，将根据实际检测需求，调整同轴支杆的长度，可以改变距离，首先，以分光棱镜总成为中心，先将底座放置在平面上，支杆两段分别与底座中心处螺纹孔和分光棱镜底部中心处螺纹孔连接，分光棱镜同轴镜架中央放置分光棱镜，分光棱镜镜架四面有通光孔、四面均有个与同轴支杆连接的固定孔，然后，在分光棱镜总成的左面依次放置一号透镜总成、成像透镜总成，成像透镜总成到一号透镜总成的距离为两透镜焦距之和,所述一号透镜总成置于所述成像透镜总成与分光棱镜同轴镜架之间；所述成像透镜总成及所述一号透镜总成通过四根相同的同轴支杆分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔固接，在分光棱镜总成的右面依次放置一号狭缝光阑、一号平面镜总成，所述一号狭缝光阑置于所述一号平面镜总成与分光棱镜同轴镜架之间并靠近一号平面镜总成，所述一号平面镜总成及所述一号狭缝光阑通过所述四根相同的同轴支杆分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔固接；水平方向上，一号透镜总成到一号平面镜总成的距离为一号透镜的焦距，分光棱镜总成的后面依次放置二号狭缝光阑、二号平面镜总成，所述二号狭缝光阑置于所述二号平面镜总成与分光棱镜同轴镜架之间并靠近二号平面镜总成；所述二号平面镜总成及所述二号狭缝光阑通过所述四根同轴支杆分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔固接；分光棱镜总成的前面放置二号透镜总成，所述二号透镜总成通过所述四根同轴支杆分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔固接；二号透镜总成到二号平面镜总成的距离为二号透镜的焦距。在二号透镜总成前面放置CCD采集单元，所述CCD采集单元中CCD靶面位于正对所述二号透镜的位置，二号透镜总成到CCD靶面的距离为二号透镜的焦距。

所述成像透镜总成包括成像透镜同轴镜架、位于所述成像透镜同轴镜架上的成像透镜和位于成像透镜同轴镜架四角上的成像透镜镜架同轴支杆过孔，其中，成像透镜焦距为定值；

所述一号透镜总成包括一号透镜同轴镜架3b-1、位于一号透镜同轴镜架上的一号透镜及位于一号透镜同轴镜架四角的一号透镜镜架同轴支杆过孔，其中，一号透镜的焦距为定值；

所述二号透镜总成包括二号透镜同轴镜架、位于所述二号透镜同轴镜架上的二号透镜及位于所述二号透镜同轴镜架四角的二号透镜镜架同轴支杆过孔，其中，二号透镜和一号透镜的焦距相同；

所述分光棱镜总成包括呈立方体的分光棱镜同轴镜架、位于所述分光棱镜同轴镜架中部的分光棱镜、位于所述分光棱镜同轴镜架四面的通光孔、位于所述分光棱镜同轴镜架四面上四个角上的同轴支杆固定孔、用于支撑所述分光棱镜同轴镜架的支杆及底座；

所述一号狭缝光阑包括一号狭缝光阑本体、位于所述一号狭缝光阑本体中部的一号可调狭缝、位于所述一号狭缝光阑本体四角上的一号狭缝光阑同轴支杆过孔及位于所述一号狭缝光阑本体顶部的一号狭缝光阑旋钮，所述一号可调狭缝的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述一号狭缝调节旋钮可以控制狭缝的高度,

所述二号狭缝光阑包括二号狭缝光阑本体、位于二号可调狭缝、二号狭缝光阑同轴支杆过孔及位于二号狭缝光阑本体顶部的二号狭缝光阑旋钮，所述二号可调狭缝的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述二号狭缝调节旋钮可以控制狭缝的高度；

所述一号平面镜总成3e包括一号平面镜镜架、安装在所述一号平面镜镜架上的一号平面镜、位于所述一号平面镜镜架四角的一号平面镜同轴支杆过孔及位于所述一号平面镜镜架上的一号平面镜镜架旋钮；

所述二号平面镜总成包括二号平面镜镜架、安装在所述二号平面镜镜架上的二号平面镜、位于所述二号平面镜镜架四角的二号平面镜同轴支杆过孔及位于所述二号平面镜镜架上的二号平面镜镜架旋钮。

一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测方法，其特点是：包括如下步骤：

步骤一：激光器发出的功率为100mw的相干光通过扩束镜扩束后形成直径大于150mm的光斑将被测物材料完全照射覆盖，使发生微形变的被测物金属材料或复合材料发生漫反射；

步骤二：漫反射光通过依次经过成像透镜、一号透镜后到达分光棱镜，此时，漫反射光会聚为平行光通过分光棱镜后被分成两束，其中一束光经一号狭缝光阑垂直照射到一号平面镜，平面镜反射后通过狭缝光阑、分光棱镜、二号透镜后到达CCD靶面上成像；另一束光经二号狭缝光阑垂直照射到二号平面镜后被反射至分光棱镜和二号透镜到到达CCD靶面，两束光在传递过程中发生干涉；

步骤三，旋转二号平面镜旋钮后，二号平面镜产生一个微小角度后，被二号平面镜反射回分光棱镜的光束将会产生一个相对于入射光的小角度，这个角度的光束照射在CCD靶面上将会与一号平面镜反射回的光束错开，由于二号平面镜倾斜微小角度后产生X方向上的错位量和载波频率，最终，经两平面镜反射后的光到达分光棱镜后相互错开的两束光发生干涉后，在CCD相机靶面成像后形成错位的干涉图；

步骤四：通过热加载的方式让被测物发生微小形变，在发生形变的过程中记录干涉图，由于光阑限制空间频谱宽度，调节一号狭缝调节旋钮控制一号可调狭缝的高度，调节二号狭缝调节旋钮控制二号可调狭缝的高度，使得狭缝光阑减小，对被测物体变形前后的散斑干涉图进行傅里叶变换，会将散斑图从空域变到频域，频谱分离更大，以频谱的中心坐标为中心，中心处含有背景光信息的低频项没有产生移动，两侧包含相位信息的频谱带将会由中间区域向两边移动，直到频谱位置有了明显的分离现象为止；

步骤四：选择合适的窗函数取出傅里叶变换后空域中包含相位信息的高频频谱部分，由于分开的频谱是对称的，则选择其中一部分即可；

步骤五：再对选择出来的的包含相位信息的高频频谱进行傅里叶反变换，可以得到相位图；

步骤六：得到的相位图是还有被测物变形前后的相位分布，通过实时相减处理便得到散斑蝶形条纹图，有物体变形引起的相对相位差与物体离面位移导数的关系表征形变量。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明采用双狭缝光阑更容易实现分频，独立控制，采用一种同轴笼式结构的激光剪切散斑系统，方便调节和组装光学系统完成组装，可以根据被测物的大小，随时改变系统光路中的距离，同时，可以进行室外试验。

本发明采用数字散斑干涉的同轴笼式结构，一方面采用空间载波傅里叶变换相移技术，系统中无相移装置，简化了光路结构，实现航空航天等领域的结构部件复合材料的快速无损检测；

另一方面同轴笼式结构使系统光路单元集成化，方便携带，实现可移动检测，可以直接进行环境恶劣的外场测试实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中所示结构的成像透镜总成结构示意图；

图3为图1中所示结构的一号透镜总成结构示意图；

图4为图1中所示结构的二号透镜总成结构示意图；

图5为图1中所示结构的分光棱镜总成结构示意图；

图6为图5中A-A向剖视图；

图7为图1中所示结构的一号狭缝光阑结构示意图；

图8为图1中所示结构的二号狭缝光阑结构示意图；

图9为图1所示结构的一号平面镜总成结构示意图；

图10为图1所示结构的二号平面镜总成结构示意图。

其中：1—光源单元；1a—激光器；1b—扩束镜；2—被测物；3—光路单元； 3a—成像透镜总成；3a-1—成像透镜同轴镜架；3a-2—成像透镜；3a-3—成像透镜镜架同轴支杆过孔；3b—一号透镜总成；3b-1—一号透镜同轴镜架；3b-2 —一号透镜；3b-3—一号透镜镜架同轴支杆过孔；3c—二号透镜总成；3c-1 —二号透镜同轴镜架；3c-2—二号透镜；3c-3—二号透镜镜架同轴支杆过孔； 3d—分光棱镜总成；3d-1—分光棱镜同轴镜架；3d-2—分光棱镜；3d-11—通光孔；3d-12—同轴支杆固定孔；3d-13—支杆；3d-14—底座；3e—一号平面镜总成；3e-1—一号平面镜镜架；3e-2—一号平面镜；3e-3—一号平面镜同轴支杆过孔；3e-4—一号平面镜镜架旋钮；3f—一号狭缝光阑；3f-1—一号狭缝光阑本体；3f-2—一号可调狭缝；3f-3—一号狭缝光阑同轴支杆过孔；3f-4 —一号狭缝调节旋钮；3g—二号狭缝光阑；3g-1—二号狭缝光阑本体；3g-2—二号可调狭缝；3g-3—二号狭缝光阑同轴支杆过孔；3g-4—二号狭缝调节旋钮； 3h—二号平面镜总成；3h-1—二号平面镜镜架、3h-2—二号平面镜；3h-3—二号平面镜同轴支杆过孔；3h-4—二号平面镜镜架旋钮；3i—同轴支杆；4—CCD采集单元。

具体实施方式

如图1所示，一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统，由光源单元1、被测物2、光路单元3及CCD采集单元4四部分搭建，其特点是：被测物 2垂直固定，在其前面斜上方约45度处放置光源单元1，所述光源单元1包括激光器1a和扩束镜1b，在激光器1a正前方放置扩束镜1b，激光器和被测物放置在普通载物台，扩束镜安装在普通实验支撑架上，方便换取；在被测物2的正前面一定距离处放置光路单元3，所述光路单元3包括成像透镜总成3a、一号透镜总成3b、二号透镜总成3c、分光棱镜总成3d、一号平面镜总成3e、二号平面镜总成3h、一号狭缝光阑3f及二号狭缝光阑3g；搭建光路单元3时，将根据实际检测需求，调整同轴支杆3i的长度，可以改变距离，首先，以分光棱镜总成3d为中心，先将底座3d-14放置在平面上，支杆3d-13两段分别与底座中心处螺纹孔和分光棱镜3d-1底部中心处螺纹孔连接，分光棱镜同轴镜架3d-1 中央放置分光棱镜3d-2，分光棱镜镜架四面有通光孔3d-11、四面均有4个与同轴支杆连接的固定孔3d-12，然后，在分光棱镜总成3d的左面依次放置一号透镜总成3b、成像透镜总成3a，成像透镜总成3a到一号透镜总成3b的距离为两透镜焦距之和,所述一号透镜总成3b置于所述成像透镜总成3a与分光棱镜同轴镜架3d-1之间；所述成像透镜总成3a及所述一号透镜总成3b通过四根相同的同轴支杆3i分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔3d-12固接，在分光棱镜总成3d的右面依次放置一号狭缝光阑3f、一号平面镜总成3e，所述一号狭缝光阑3f置于所述一号平面镜总成3e与分光棱镜同轴镜架3d-1之间并靠近一号平面镜总成3e，所述一号平面镜总成3e及所述一号狭缝光阑3f通过所述四根相同的同轴支杆3i分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔3d-12固接；水平方向上，一号透镜总成3b到一号平面镜总成3e的距离为一号透镜3b-2的焦距，分光棱镜总成3d的后面依次放置二号狭缝光阑3g、二号平面镜总成3h，所述二号狭缝光阑3g置于所述二号平面镜总成3h与分光棱镜同轴镜架3d-1之间并靠近二号平面镜总成3h；所述二号平面镜总成3h及所述二号狭缝光阑3g通过所述四根同轴支杆3i分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔3d-12固接；分光棱镜总成 3d的前面放置二号透镜总成3c，所述二号透镜总成3c通过所述四根同轴支杆 3i分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔3d-12固接；二号透镜总成3c到二号平面镜总成3h的距离为二号透镜3c-2的焦距。在二号透镜总成3c前面放置CCD 采集单元4，所述CCD采集单元4中CCD靶面位于正对所述二号透镜3c-2的位置，二号透镜总成3c到CCD靶面的距离为二号透镜的焦距。

如图2所示，所述成像透镜总成3a包括成像透镜同轴镜架3a-1、位于所述成像透镜同轴镜架3a-1上的成像透镜3a-2和位于成像透镜同轴镜架3a-1四角上的成像透镜镜架同轴支杆过孔3a-3，其中，成像透镜3a-2焦距为定值；

如图3所示，所述一号透镜总成3b包括一号透镜同轴镜架3b-1、位于一号透镜同轴镜架3b-1上的一号透镜3b-2及位于一号透镜同轴镜架3b-1四角的一号透镜镜架同轴支杆过孔3b-3，其中，一号透镜3b-2的焦距为定值；

如图4所示，所述二号透镜总成3c包括二号透镜同轴镜架3c-1、位于所述二号透镜同轴镜架3c-1上的二号透镜3c-2及位于所述二号透镜同轴镜架3c-1 四角的二号透镜镜架同轴支杆过孔3c-3，其中，二号透镜3c-2和一号透镜3b-2 的焦距相同；

如图5、图6所示，所述分光棱镜总成3d包括呈立方体的分光棱镜同轴镜架3d-1、位于所述分光棱镜同轴镜架3d-1中部的分光棱镜3d-2、位于所述分光棱镜同轴镜架3d-1四面的通光孔3d-11、位于所述分光棱镜同轴镜架3d-1四面上四个角上的同轴支杆固定孔3d-12、用于支撑所述分光棱镜同轴镜架3d-1 的支杆3d-13及底座3d-14；

如图7所示，所述一号狭缝光阑3f包括一号狭缝光阑本体3f-1、位于所述一号狭缝光阑本体3f-1中部的一号可调狭缝3f-2、位于所述一号狭缝光阑本体 3f-1四角上的一号狭缝光阑同轴支杆过孔3f-3及位于所述一号狭缝光阑本体 3f-1顶部的一号狭缝光阑旋钮3f-4，所述一号可调狭缝3f-2的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述一号狭缝调节旋钮3f-4可以控制狭缝的高度,

如图8所示，所述二号狭缝光阑3g包括二号狭缝光阑本体3g-1、位于二号可调狭缝3g-2、二号狭缝光阑同轴支杆过孔3g-3及位于二号狭缝光阑本体3g-1 顶部的二号狭缝光阑旋钮3g-4，所述二号可调狭缝3g-2的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述二号狭缝调节旋钮3g-4可以控制狭缝的高度；

如图9所示，所述一号平面镜总成3e包括一号平面镜镜架3e-1、安装在所述一号平面镜镜架3e-1上的一号平面镜3e-2、位于所述一号平面镜镜架3e-1 四角的一号平面镜同轴支杆过孔3e-3及位于所述一号平面镜镜架3e-1上的一号平面镜镜架旋钮3e-4；

如图10所示，所述二号平面镜总成3h包括二号平面镜镜架3h-1、安装在所述二号平面镜镜架3h-1上的二号平面镜3h-2、位于所述二号平面镜镜架3h-1 四角的二号平面镜同轴支杆过孔3h-3及位于所述二号平面镜镜架3h-1上的二号平面镜镜架旋钮3h-4。

一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测方法，其特点是：包括如下步骤：

步骤一：激光器1a发出的功率为100mw的相干光通过扩束镜1b扩束后形成直径大于150mm的光斑将被测物2材料完全照射覆盖，使发生微形变的被测物金属材料或复合材料发生漫反射；

步骤二：漫反射光通过依次经过成像透镜3a-2、一号透镜3b-2后到达分光棱镜3d-2，此时，漫反射光会聚为平行光通过分光棱镜3d-2后被分成两束，其中一束光经一号狭缝光阑3f-2垂直照射到一号平面镜3e-2，平面镜反射后通过狭缝光阑3f-2、分光棱镜3d-2、二号透镜3c-2后到达CCD靶面上成像；另一束光经二号狭缝光阑3g-2垂直照射到二号平面镜3h-2后被反射至分光棱镜 3d-2和二号透镜3c-2到到达CCD靶面，两束光在传递过程中发生干涉；

步骤三，旋转二号平面镜3h-4旋钮后，二号平面镜3h-2产生一个微小角度后，被二号平面镜3h-2反射回分光棱镜3d-2的光束将会产生一个相对于入射光的小角度，这个角度的光束照射在CCD靶面上将会与一号平面镜3e-2反射回的光束错开，由于二号平面镜3h-2倾斜微小角度后产生X方向上的错位量和载波频率，最终，经两平面镜反射后的光到达分光棱镜后相互错开的两束光发生干涉后，在CCD相机靶面成像后形成错位的干涉图；

步骤四：通过热加载的方式让被测物发生微小形变，在发生形变的过程中记录干涉图，由于光阑限制空间频谱宽度，调节一号狭缝调节旋钮3f-4控制一号可调狭缝3f-2的高度，调节二号狭缝调节旋钮3g-4控制二号可调狭缝3g-2 的高度，使得狭缝光阑减小，对被测物体变形前后的散斑干涉图进行傅里叶变换，会将散斑图从空域变到频域，频谱分离更大，以频谱的中心坐标为中心，中心处含有背景光信息的低频项没有产生移动，两侧包含相位信息的频谱带将会由中间区域向两边移动，直到频谱位置有了明显的分离现象为止；

步骤四：选择合适的窗函数取出傅里叶变换后空域中包含相位信息的高频频谱部分，由于分开的频谱是对称的，则选择其中一部分即可；

步骤五：再对选择出来的的包含相位信息的高频频谱进行傅里叶反变换，可以得到相位图；

步骤六：得到的相位图是还有被测物变形前后的相位分布，通过实时相减处理便得到散斑蝶形条纹图，有物体变形引起的相对相位差与物体离面位移导数的关系表征形变量。

工作原理

本发明中主要采用空间载波傅里叶变换法实现相移，不需要增添额外的相移装置，激光器发出的相干光将被测物材料完全覆盖；漫反射光通过成像系统后被分成两束，倾斜其中一个平面镜小角度θ后，被平面镜反射回分光棱镜的光束将会产生一个相对于入射光为β(β＝2θ)的角度，在两干涉光束之间引入一个错位量Δx，使两束互相错开的光束产生一个载波频率f_o，相互错开的两束光发生干涉，到达CCD相机像面成像形成干涉图。

傅里叶变换法的实现过程为：首先，对CCD相机采集到的载波干涉图像进行傅里叶变换，使图像的空域值变为频域值，因为获得的散斑图中引入了载波，因此，散斑图经过傅里叶变换后将会使背景强度与相位信息所在的频谱带分离开来，同时通过调节狭缝光阑尺寸限制散斑大小和空间频谱的宽度，然后，将含有相位信息的频谱带提取出来，最后，对提取出来的频谱带进行傅里叶逆变换后实时相减，即可得到只含有相位分布信息的散斑图。

平面镜反射的两束光的波前分别表示为：

其中，|u|表示波阵面振幅。Δx为X方向上的错位量，f₀是沿X方向所施加的载波频率，其可以表示为：

f₀＝sinβ/λ (2)

其中β称为错位角，是光束u₁与CCD靶面垂直方向的夹角，λ为激光器的波长。由采样定理可知，当CCD相机的像素尺寸δ_x为时，CCD相机可以记录的最大空间频率为：

f_max＝1/(2δ_x) (3)

可得错位角的大小必须满足：

β≤arcsin(λ/3δ_x) (4)

剪切散斑干涉图的光强可以表示为：

I(x,y)＝|u₁+u₂|²＝u₁u₁ ^*+u₂u₂ ^*+u₁u₂ ^*+u₂u₁ ^* (5)

联立方程(4)和(5)可得：

方程式(6)的后两项包含了两束光的随机相位差φ(x+Δx,y)-φ(x,y)的信息。

对散斑干涉图的强度I进行傅里叶变换，可得：

其中U₁(f_x-f₀,f_y)＝FT(u₁)，U₂(f_x,f_y)＝FT(u₂)。*表示共轭，

表示卷积。当狭缝光阑减小，倾斜角度增大会发生频谱分离，频域中有三段频谱,方程式(7)的前两项是低频项，主要含有背景光信息,频域中是中间的区域，后两项互为共轭，主要包含散斑干涉图的相位信息，频域中是两边对称的区域。由于光阑限制引入了载波，后两项将会分别产生不同方向的移动，后两项包含相位信息的频谱带将会由中间区域向两边移动，导致各频谱带能够相互分离，含有背景光信息的低频项，没有产生移动，其以频谱的中心坐标(0,0)为中心。当中f_o足够大，使得低频项与含有相位信息项的频谱带能够完全分离，便可以提取出含有相位信息的频谱部分，从而计算出散斑图中的相位。

选择合适的窗函数取出

项的频谱带，再对其进行傅里叶反变换，可得：

通过复数运算，即可以计算出相位：

为两束错位光的随机相位差。为了得到由物体变形引起的相对相位差Δ(x,y)，可以通过式(9)对变形前后散斑图分别进行计算处理，从而得到被测物变形前后的相位分布

然后将它们作相减处理。假设照明方向与被测物表面相互垂直时，由推导公式可知，物体变形引起的相对相位差与物体的离面位移导数

的关系为：

其中，Δx表示错位量的大小空间载波相移法仅需在变形前后各采集一幅散斑干涉图并进行傅里叶变换，根据公式(10)就能够求得到相位分布信息，之后再根据前端光路特征便能够得到物体对应的形变量。

Claims (2)

1.一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测系统，由光源单元(1)、被测物(2)、光路单元(3)及CCD采集单元(4)四部分搭建，其特征是：被测物(2)垂直固定，在其前面斜上方约45度处放置光源单元(1)，所述光源单元(1)包括激光器(1a和扩束镜(1b，在激光器(1a正前方放置扩束镜(1b，激光器和被测物放置在普通载物台，扩束镜安装在普通实验支撑架，方便换取；在被测物(2)的正前面一定距离处放置光路单元(3)，所述光路单元(3)包括成像透镜总成(3a)、一号透镜总成(3b)、二号透镜总成(3c)、分光棱镜总成(3d)、一号平面镜总成(3e)、二号平面镜总成(3h)、一号狭缝光阑(3f)及二号狭缝光阑(3g)；搭建光路单元(3)时，将根据实际检测需求，调整同轴支杆(3i)的长度，可以改变距离，首先，以分光棱镜总成(3d)为中心，先将底座(3d-14)放置在平面上，支杆(3d-13)两段分别与底座中心处螺纹孔和分光棱镜(3d-1)底部中心处螺纹孔连接，分光棱镜同轴镜架(3d-1)中央放置分光棱镜(3d-2)，分光棱镜镜架四面有通光孔(3d-11)、四面均有4个与同轴支杆连接的固定孔(3d-12)，然后，在分光棱镜总成(3d)的左面依次放置一号透镜总成(3b)、成像透镜总成(3a)，成像透镜总成(3a)到一号透镜总成(3b)的距离为两透镜焦距之和,所述一号透镜总成(3b)置于所述成像透镜总成(3a)与分光棱镜同轴镜架(3d-1)之间；所述成像透镜总成(3a)及所述一号透镜总成(3b)通过四根相同的同轴支杆(3i)分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔(3d-12)固接，在分光棱镜总成(3d)的右面依次放置一号狭缝光阑(3f)、一号平面镜总成(3e)，所述一号狭缝光阑(3f)置于所述一号平面镜总成(3e)与分光棱镜同轴镜架(3d-1)之间并靠近一号平面镜总成(3e)，所述一号平面镜总成(3e)及所述一号狭缝光阑(3f)通过所述四根相同的同轴支杆(3i)分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔(3d-12)固接；水平方向上，一号透镜总成(3b)到一号平面镜总成(3e)的距离为一号透镜(3b-2)的焦距，分光棱镜总成(3d)的后面依次放置二号狭缝光阑(3g)、二号平面镜总成(3h)，所述二号狭缝光阑(3g)置于所述二号平面镜总成(3h)与分光棱镜同轴镜架(3d-1)之间并靠近二号平面镜总成(3h)；所述二号平面镜总成(3h)及所述二号狭缝光阑(3g)通过所述四根同轴支杆(3i)分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔(3d-12)固接；分光棱镜总成(3d)的前面放置二号透镜总成(3c)，所述二号透镜总成(3c)通过所述四根同轴支杆(3i)分别与分光棱镜镜架同轴支杆固定孔(3d-12)固接；二号透镜总成(3c)到二号平面镜总成(3h)的距离为二号透镜(3c-2)的焦距；在二号透镜总成(3c)前面放置CCD采集单元(4)，所述CCD采集单元(4)中CCD靶面位于正对所述二号透镜(3c-2)的位置，二号透镜总成(3c)到CCD靶面的距离为二号透镜的焦距；

所述成像透镜总成(3a)包括成像透镜同轴镜架(3a-1)、位于所述成像透镜同轴镜架(3a-1)上的成像透镜(3a-2)和位于成像透镜同轴镜架(3a-1)四角上的成像透镜镜架同轴支杆过孔(3a-3)，其中，成像透镜(3a-2)焦距为定值；

所述一号透镜总成(3b)包括一号透镜同轴镜架(3b-1)、位于一号透镜同轴镜架(3b-1)上的一号透镜(3b-2)及位于一号透镜同轴镜架(3b-1)四角的一号透镜镜架同轴支杆过孔(3b-3)，其中，一号透镜(3b-2)的焦距为定值；

所述二号透镜总成(3c)包括二号透镜同轴镜架(3c-1)、位于所述二号透镜同轴镜架(3c-1)上的二号透镜(3c-2)及位于所述二号透镜同轴镜架(3c-1)四角的二号透镜镜架同轴支杆过孔(3c-3)，其中，二号透镜(3c-2)和一号透镜(3b-2)的焦距相同；

所述分光棱镜总成(3d)包括呈立方体的分光棱镜同轴镜架(3d-1)、位于所述分光棱镜同轴镜架(3d-1)中部的分光棱镜(3d-2)、位于所述分光棱镜同轴镜架(3d-1)四面的通光孔(3d-11)、位于所述分光棱镜同轴镜架(3d-1)四面上四个角上的同轴支杆固定孔(3d-12)、用于支撑所述分光棱镜同轴镜架(3d-1)的支杆(3d-13)及底座(3d-14)；

所述一号狭缝光阑(3f)包括一号狭缝光阑本体(3f-1)、位于所述一号狭缝光阑本体(3f-1)中部的一号可调狭缝(3f-2)、位于所述一号狭缝光阑本体(3f-1)四角上的一号狭缝光阑同轴支杆过孔(3f-3)及位于所述一号狭缝光阑本体(3f-1)顶部的一号狭缝光阑旋钮(3f-4)，所述一号可调狭缝(3f-2的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述一号狭缝调节旋钮(3f-4)可以控制狭缝的高度；

所述二号狭缝光阑(3g)包括二号狭缝光阑本体(3g-1)、位于二号可调狭缝(3g-2)、二号狭缝光阑同轴支杆过孔(3g-3)及位于二号狭缝光阑本体(3g-1)顶部的二号狭缝光阑旋钮(3g-4)，所述二号可调狭缝(3g-2)的宽度为40mm不可调，高度为0～10mm可调,调节所述二号狭缝调节旋钮(3g-4)可以控制狭缝的高度；

所述一号平面镜总成(3e)包括一号平面镜镜架(3e-1)、安装在所述一号平面镜镜架(3e-1)上的一号平面镜(3e-2)、位于所述一号平面镜镜架(3e-1)四角的一号平面镜同轴支杆过孔(3e-3)及位于所述一号平面镜镜架(3e-1)上的一号平面镜镜架旋钮(3e-4)；

所述二号平面镜总成(3h)包括二号平面镜镜架(3h-1)、安装在所述二号平面镜镜架(3h-1)上的二号平面镜(3h-2)、位于所述二号平面镜镜架(3h-1)四角的二号平面镜同轴支杆过孔(3h-3)及位于所述二号平面镜镜架(3h-1)上的二号平面镜镜架旋钮(3h-4)。

2.一种数字剪切散斑的同轴笼式结构无损检测方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤一：激光器(1a)发出的功率为100mw的相干光通过扩束镜(1b)扩束后形成直径大于150mm的光斑将被测物(2)材料完全照射覆盖，使发生微形变的被测物金属材料或复合材料发生漫反射；

步骤二：漫反射光通过依次经过成像透镜(3a-2)、一号透镜(3b-2)后到达分光棱镜(3d-2)，此时，漫反射光会聚为平行光通过分光棱镜(3d-2)后被分成两束，其中一束光经一号狭缝光阑(3f-2)垂直照射到一号平面镜(3e-2)，平面镜反射后通过狭缝光阑(3f-2)、分光棱镜(3d-2)、二号透镜(3c-2)后到达CCD靶面上成像；另一束光经二号狭缝光阑(3g-2)垂直照射到二号平面镜(3h-2)后被反射至分光棱镜(3d-2)和二号透镜(3c-2)到到达CCD靶面，两束光在传递过程中发生干涉；

步骤三，旋转二号平面镜(3h-4)旋钮后，二号平面镜(3h-2)产生一个微小角度后，被二号平面镜(3h-2)反射回分光棱镜(3d-2)的光束将会产生一个相对于入射光的小角度，这个角度的光束照射在CCD靶面上将会与一号平面镜(3e-2)反射回的光束错开，由于二号平面镜(3h-2)倾斜微小角度后产生X方向上的错位量和载波频率，最终，经两平面镜反射后的光到达分光棱镜后相互错开的两束光发生干涉后，在CCD相机靶面成像后形成错位的干涉图；

步骤四：通过热加载的方式让被测物发生微小形变，在发生形变的过程中记录干涉图，由于光阑限制空间频谱宽度，调节一号狭缝调节旋钮(3f-4)控制一号可调狭缝(3f-2)的高度，调节二号狭缝调节旋钮(3g-4)控制二号可调狭缝(3g-2)的高度，使得狭缝光阑减小，对被测物体变形前后的散斑干涉图进行傅里叶变换，会将散斑图从空域变到频域，频谱分离更大，以频谱的中心坐标为中心，中心处含有背景光信息的低频项没有产生移动，两侧包含相位信息的频谱带将会由中间区域向两边移动，直到频谱位置有了明显的分离现象为止；

步骤四：选择合适的窗函数取出傅里叶变换后空域中包含相位信息的高频频谱部分，由于分开的频谱是对称的，则选择其中一部分即可；

步骤五：再对选择出来的的包含相位信息的高频频谱进行傅里叶反变换，可以得到相位图；

步骤六：得到的相位图是还有被测物变形前后的相位分布，通过实时相减处理便得到散斑蝶形条纹图，有物体变形引起的相对相位差与物体离面位移导数的关系表征形变量。

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