CN111288914A - 一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统。所述方法包括：分光元件对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面；参考光以预设角度进入感光元件；经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并与以预设入射角度进入感光元件的参考光进行散斑干涉。本公开利用光学4F系统的光学传递特性，可以扩大数字散斑干涉系统的被测视场角，进而可以实现对大面积被测物的全场测量。

Description

一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统
技术领域
本公开涉及全场光测量技术领域，尤其涉及一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统。
背景技术
数字散斑干涉技术(Digital speckle pattern interferometry，DSPI)是一种可以对物体表面微小形变进行精确测量的全场光学测试技术，可用于对材料、元器件和工程结构的表面形变检测。它具有全场、实时、非接触、高精度等优点，目前已经广泛应用于生物医学检测、航空航天、精密机械制造等领域。其中，基于空间载波的数字散斑干涉技术由于具有动态测量和多维变形同时测量的能力，具有很好的应用潜力。然而传统的基于空间载波的数字散斑干涉技术由于成像透镜位置的限制，导致被测视场角很小，难以对大尺寸被测物进行测量。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种基于空间载波的数字散斑干涉方法及系统。
根据本公开的一方面，提供了一种基于空间载波的数字散斑干涉方法，包括：
分光元件对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；
扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面；
参考光以预设角度进入感光元件；
经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并与以预设入射角度进入感光元件的参考光进行干涉。
在一种可能的实现方式中，参考光以预设角度进入感光元件，包括：
控制参考光耦合进入光纤；
经光纤传输的参考光以预设角度进入感光元件。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统包括：第一透镜和第二透镜。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；
通过第一反射镜改变经过第一透镜的光线方向；
通过第二反射镜改变经过第二透镜的光线方向。
在一种可能的实现方式中，基于空间载波的数字散斑干涉方法的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于空间载波的数字散斑干涉系统，包括：
分光元件，用于对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；
扩束元件，用于对物光进行扩束后照射到被测物面；
导光元件，用于将参考光以预设角度传输进入感光元件；
成像元件，用于对经被测物面反射的物光进行成像；
光学4F系统和光阑，用于将成像元件成像后的物光传输进入感光元件；
感光元件，用于记录成像后的物光和以预设入射角度进入感光元件的参考光所形成的散斑干涉条纹。
在一种可能的实现方式中，导光元件为光纤；
光纤，用于对耦合进入光纤的参考光进行传输，以及将经光纤传输的参考光以预设角度传输进入感光元件。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统包括：第一透镜和第二透镜。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；
第一反射镜，用于改变经过第一透镜的光线方向；
第二反射镜，用于改变经过第二透镜的光线方向。
在一种可能的实现方式中，基于空间载波的数字散斑干涉方法的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
通过分光元件对光源出射的光进行分光得到物光和参考光，扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面，经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并与以预设入射角度进入感光元件的参考光进行干涉。利用光学4F系统的光学传递特性，可以扩大基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场角，进而可以实现对大面积被测物的全场测量。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出本公开实施例的一种数字散斑干涉方法的流程图；
图2示出本公开实施例的光学4F系统的示意图；
图3示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图；
图4示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图；
图5示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图；
图6示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图；
图7示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图；
图8示出本公开实施例的成像元件成像的示意图；
图9示出本公开实施例的一种基于空间载波的散斑干涉系统的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。下面结合附图详细说明本公开实施例的技术方案。
图1示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤S11，分光元件对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光。
步骤S12，扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面。
步骤S13，参考光以预设角度进入感光元件。
步骤S14，经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并以预设入射角度进入感光元件的参考光进行散斑干涉。
对散斑干涉得到的散斑干涉图进行后续数据处理，可以得到物面形变等相关测量值。
在一种可能的实现方式中，参考光以预设角度进入感光元件，包括：控制参考光耦合进入光纤；经光纤传输的参考光以预设角度进入感光元件。
传统的基于空间载波的数字散斑干涉光路，由于光路结构的限制，光阑、光纤、成像透镜与图像传感器之间的距离较远，因此，需要焦距较大的成像透镜。例如，一般采用焦距为75mm或100mm的非球面透镜来作为成像透镜。但是，成像透镜的焦距过大，会导致基于空间载波的数字散斑干涉系统的视场角较小，导致无法对大面积被测物进行全场测量。
光学4F系统是一种经典的光学信息处理系统，运用该系统可实现图像的传递、滤波等功能，本公开利用光学4F系统的光学传递特性，可以扩大数字散斑干涉系统的被测视场角，进而可以实现对大面积被测物的全场测量。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统包括：第一透镜和第二透镜。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统中的第一透镜和第二透镜的焦距相同。
图2示出本公开实施例的光学4F系统的示意图。如图2所示，光学4F系统可以由两个焦距相同(焦距为F)的透镜L1和透镜L2组成。两个透镜之间平行，并垂直于光轴放置，两者之间的距离为两倍焦距(2F)。透镜L1的前焦面为输入平面，图像由此输入。透镜L2的后焦面为输出平面，图像在此输出。共焦平面也称为变换平面，在此可以安插不同的光学结构起到空间滤波器的作用。当透镜L1和透镜L2的焦距相同，且共焦平面上无滤波器时，成像透镜对被测物面所成的像经过光学4F系统后只是旋转了180°成倒像，而图像的大小比例不变，因此图像信息可严格复原。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统中的第一透镜和第二透镜的焦距不相同。
当透镜L1和透镜L2的焦距不相同，且共焦平面上无滤波器时，光学4F系统所传递的图像将起放大或缩小的作用，放大或缩小的比值为透镜L2的焦距除以透镜L1的焦距。
利用光学4F系统的光学传递特性，可以扩大基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场角。下面详细描述利用光学4F系统的基于空间载波的数字散斑干涉系统的多种光路。
图3示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图。如图3示，光源301(例如，激光器)出射的光被分光元件302分为物光和参考光。物光经过第三反射镜303、第四反射镜304和扩束元件305进行扩束后照射到被测物面306，经被测物面306反射的物光经过成像元件307(例如，焦距为F1的成像透镜，或，焦距为F1的相机镜头)、光学4F系统308和光阑309后照射到感光元件312(例如，相机，或，相机的感光部分)，其中，光学4F系统308由两个焦距相同(焦距为F2＝100mm)的第一透镜3081和第二透镜3082组成，光阑309位于光学4F系统中的第二透镜3082与感光元件312之间。参考光经过平凸透镜310耦合进入光纤311，进而通过光纤311以预设载波角度(与光轴之间的夹角)照射到感光元件312，形成空间载波。物光和参考光在感光元件312处发生干涉，形成干涉条纹。
在一种可能的实现方式中，光阑309还可以位于光学4F系统中的第一透镜3081和第二透镜3082之间，如图4所示。图4示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图。
在一种可能的实现方式中，还可以在光路中设置分光棱镜313，使得经被测物面306反射的物光经过成像元件307(焦距为F1的成像透镜)、光学4F系统308、光阑309和分光棱镜313后照射到感光元件312，以及使得通过光纤311传输的参考光经过分光棱镜后以预设载波角度(与光轴之间的夹角)照射到感光元件312，如图5所示。图5示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图。通过增加分光棱镜313，可以更便于对预设载波角度的调节。
在一种可能的实现方式中，可以设置光学4F系统308由两个焦距不相同的透镜构成：第一透镜3081(焦距为F2＝50mm)和第二透镜3082(焦距为F3＝100mm)，如图6所示。图6示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图。在图6所示的光路中，光学4F系统308可以对成像透镜所传递的图像放大两倍，同时可以在一定程度上减小基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路尺寸。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；通过第一反射镜改变经过第一透镜的光线方向；通过第二反射镜改变经过第二透镜的光线方向。图7示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路图。如图7所示，光学4F系统308由第一透镜3081、第二透镜3082、第一反光镜3083和第二反射镜3084组成。第一反光镜3083和第二反射镜3084对第一透镜3081和第二透镜3082之间的光路进行折返，通过改变光轴方向，进一步减小了基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路尺寸。
在一种可能的实现方式中，可以将光学4F系统应用于基于空间载波的二维数字散斑干涉系统，和/或，基于空间载波的三维数字散斑干涉系统，具体光路可以采用上述多种光路结构，这里不再赘述。光路中的具体结构如何设置，例如，光阑的位置、是否采用分光棱镜、第一透镜和第二透镜的焦距是否相同、是否采用第一反射镜和第二反射镜进行光路折返等，以及各种结构的组合方式，可以根据实际情况进行设置，本公开对此不做具体限定。基于空间载波的数字散斑干涉系统的其它光路形式、元器件替换也均落在本公开的保护范围内。
增加的光学4F系统仅用于图像传输，而不会对散斑干涉过程产生任何影响。同时，由于增加了光学4F系统，使得感光元件前拥有足够空间，该空间足以放置光阑和光纤组件，因此，可以使用焦距较小的成像元件来对经被测物面反射的物光进行成像。
在一种可能的实现方式中，基于空间载波的数字散斑干涉方法的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
图8示出本公开实施例的成像元件成像的示意图。如图8所示，成像元件81的焦距为F1，成像元件81对应的感光元件中的靶面为82(水平尺寸为v，垂直尺寸为h)。其中，成像元件81对应的水平方向的视场角α可以通过下述公式(一)确定：
Figure BSA0000205328030000071
成像元件81对应的垂直方向的视场角β可以通过下述公式(二)确定：
Figure BSA0000205328030000072
当成像元件81距离被测物面的测量距离为D时，成像元件81对应的水平方向最大视场V可以通过下述公式(三)确定：
Figure BSA0000205328030000081
成像元件81对应的垂直方向最大视场H可以通过下述公式(四)确定：
Figure BSA0000205328030000082
根据公式(三)和公式(四)可知，成像元件81对应的感光元件中的靶面尺寸越大，和/或，成像元件81的焦距F1越小，则成像元件对应的测量视场(水平方向的测量视场和垂直方向的测量视场)越大。
在图3-图7所示的基于空间载波的数字散斑干涉系统的光路中，成像元件307位于光学4F系统308和被测物面306之间，成像元件307的后焦面与光学4F系统308的输入平面重合，感光元件312的靶面则位于光学4F系统308的输出平面，因此，成像元件307所成的像由光学4F系统308传递到感光元件312的靶面。
由于增加了光学4F系统，可以使用焦距较小的成像元件，从而可以扩大基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场角。例如，可以采用焦距F1为12mm的成像元件，当成像元件对应的感光元件中的靶面尺寸为2/3英寸(h×v＝7.1mm×8.5mm)，测量距离D为310mm时，图3-图5所示的基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场可以达到：H×V＝183mm×220mm。
通过分光元件对光源出射的光进行分光得到物光和参考光，扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面，经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并与以预设入射角度进入感光元件的参考光进行散斑干涉。利用光学4F系统的光学传递特性，可以扩大基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场角，进而可以实现对大面积被测物的全场测量。
可以理解，本公开提及的上述各个方法实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。
此外，本公开还提供了基于空间载波的数字散斑干涉系统、电子设备、计算机可读存储介质、程序，上述均可用来实现本公开提供的任一种基于空间载波的数字散斑干涉方法，相应技术方案和描述和参见方法部分的相应记载，不再赘述。
图9示出本公开实施例的一种基于空间载波的数字散斑干涉系统的框图。如图7所示，系统90包括：
分光元件91，用于对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；
扩束元件92，用于对物光进行扩束后照射到被测物面；
导光元件93，用于将参考光以预设角度传输进入感光元件；
成像元件94，用于对经被测物面反射的物光进行成像；
光学4F系统95和光阑96，用于将成像元件成像后的物光传输进入感光元件；
感光元件97，用于记录成像后的物光和以预设入射角度进入感光元件的参考光所形成的散斑干涉条纹。
在一种可能的实现方式中，导光元件93为光纤；
光纤，用于对耦合进入光纤的参考光进行传输，以及将经光纤传输的参考光以预设角度传输进入感光元件。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统95包括：第一透镜和第二透镜。
在一种可能的实现方式中，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；
第一反射镜，用于改变经过第一透镜的光线方向；
第二反射镜，用于改变经过第二透镜的光线方向。
在一种可能的实现方式中，基于空间载波的数字散斑干涉系统70的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
在一些实施例中，本公开实施例提供的系统具有的功能或包含的元件可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。计算机可读存储介质可以是非易失性计算机可读存储介质。
本公开实施例还提出一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行上述方法。
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，当计算机可读代码在设备上运行时，设备中的处理器执行用于实现如上任一实施例提供的基于空间载波的数字散斑干涉方法的指令。
本公开实施例还提供了另一种计算机程序产品，用于存储计算机可读指令，指令被执行时使得计算机执行上述任一实施例提供的基于空间载波的数字散斑干涉方法的操作。
在本公开的方法、系统等实施例中，显然，各部件(系统、子系统、模块、子模块、单元、子单元等)或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。同时，在上面对本公开具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于空间载波的数字散斑干涉方法，其特征在于，包括：
分光元件对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；
扩束元件对物光进行扩束后照射到被测物面；
参考光以预设角度进入感光元件；
经被测物面反射的物光通过成像元件、光学4F系统、光阑后进入感光元件，并与以预设入射角度进入感光元件的参考光进行散斑干涉。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，参考光以预设角度进入感光元件，包括：
控制参考光耦合进入光纤；
经光纤传输的参考光以预设角度进入感光元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光学4F系统包括：第一透镜和第二透镜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；
通过第一反射镜改变经过第一透镜的光线方向；
通过第二反射镜改变经过第二透镜的光线方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于空间载波的数字散斑干涉方法的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
6.一种基于空间载波的数字散斑干涉系统，其特征在于，包括：
分光元件，用于对光源出射的光进行分光，得到物光和参考光；
扩束元件，用于对物光进行扩束后照射到被测物面；
导光元件，用于将参考光以预设角度传输进入感光元件；
成像元件，用于对经被测物面反射的物光进行成像；
光学4F系统和光阑，用于将成像元件成像后的物光传输进入感光元件；
感光元件，用于记录成像后的物光和以预设入射角度进入感光元件的参考光所形成的散斑干涉条纹。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，导光元件为光纤；
光纤，用于对耦合进入光纤的参考光进行传输，以及将经光纤传输的参考光以预设角度传输进入感光元件。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，光学4F系统包括：第一透镜和第二透镜。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，光学4F系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；
第一反射镜，用于改变经过第一透镜的光线方向；
第二反射镜，用于改变经过第二透镜的光线方向。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，基于空间载波的数字散斑干涉系统的测量视场角由成像元件的焦距和感光元件中靶面的尺寸确定。
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