CN112629422B - 提高散斑法测量精度的误差修正方法及散斑测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提高散斑法测量精度的误差修正方法及散斑测量方法，涉及散斑测量法，针对现有技术中透明固体厚度带来的误差影响而提出本方案。以透明固体垂直于光轴时的散斑图作为第一散斑图。将透明固体相对光轴倾斜并获取第二散斑图，最后在第一散斑图和第二散斑图中提取散斑对并进行待测物理量的理论计算。优点在于，厚度属性不再是散斑法应用的限制参数，在精细化测量至粗犷式测量中，只要是透明固体均能直接应用，明显提升散斑法在透明固体测量领域中的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及透明固体的散斑测量方法，及其误差修正方法。
背景技术
激光自散射体的表面反射或通过一个透明散射体时，由于激光的高相干性，每一个物点的散射光都和其他物点的散射光发生干涉，从而在散射表面或附近的光场中，观察或记录到一种无规则分布的亮暗斑纹，称为激光散斑，简称散斑。散斑一般分为与菲涅耳衍射对应的近场散斑、与夫琅和费衍射对应的远场散斑，以及像面散斑。通常技术人员最感兴趣的是在成像面及夫朗和费衍射面上的散斑。
目前，散斑已经广泛地应用在表面粗糙度研究、光学图像处理和成像质量评价等方面，其中最有应用前景的就是散斑计量，如在工程力学中采用的剪切散斑、散斑光弹、散斑数字滤波和散斑图像处理等技术。
通过测量散斑在放入具有一定倾斜角的透明固体前后，因折射效应而产生的微小面内偏移量，进而通过理论公式计算出透明固体的某一待定物理量。该透明固体的前后两平面基本平行且厚度很小，一般超过5mm厚度就误差很大。一般测量可以有：已知折射率，测量厚度；已知厚度，测量折射率。
这一方法研究起步较早，但研究不多，如赵德信等、陈万金等分别利用激光散斑测量了透明的折射率；而王仕璠、张小星及周杰等均采用了同一折射率关系公式分别对散斑法测量透明固体折射率进行了研究。综合来看，利用激光散斑测量透明固体折射率的现有方法原理简单，操作方便。但现有研究主要集中在厚度较薄的透明固体，并未深入分析现有方法本身的测量误差来源，以及没有研究为什么被厚度参数限制了场景应用。
要修正误差的话，必须从基本原理上进行分析：
散斑法测量微小偏移量，是通过寻找在光路中插入透明固体前/后两张散斑图中的散斑对，而散斑对的距离和方向反应了偏移大小以及方向。其原理如图1所示，当一束光照射到一倾斜的透明固体时，将发生折射现象。由几何关系可知
以及
根据折射定律
n0sinθ＝nsinθ′ (3)
联合(1)(2)(3)式，可得
其中：θ为入射角，等于透明固体的倾斜角；θ′为折射角；D为透明固体的厚度；d为散斑面内偏移量；n0为空气的折射率且n0＝1；n为透明固体的折射率。
(4)式表明，如果已知透明固体的厚度D、倾斜角度θ及偏移量d，即可获得固体的折射率n；反过来，如果已知透明固体的折射率n、倾斜角度θ及偏移量d，同样可以获得透明固体的厚度D。
测量的时候通常采用像面散斑测量光路，即利用CCD先采集一幅未放待测透明固体时激光通过空气的第一散斑图，再将偏转一定角度的待测透明固体放入光路系统中，记录下激光通过透明固体的第二散斑图。然后利用数字散斑相关法对采集到的两幅散斑图进行数据处理，获得激光通过透明固体后微小面内的偏移量d。而置入的透明固体倾斜角也是有固定工具确定，是一个已知量，从而理论计算出其折射率n或厚度D。
然而，现有测量方法忽略了散斑在放入透明固体前后产生的轴向偏移量。如图2所示，考虑某一散斑对时由几何光学可知，放入待测透明固体后的第二散斑点S，相比未放透明固体前对应的第一散斑点S'，不仅在感光平面x方向有个面内偏移，且在光轴z方向由于光程变化也产生了一个轴向偏移，这一轴向偏移量跟固体厚度、固体折射率和倾斜角等有关。而由于采集数据的CCD感光面为一固定位置的接收平面，这种轴向偏移直接导致CCD两次采集到的数据不再是散斑对，而是相应的点和斑，从而产生明显的测量误差。
发明内容
本发明目的在于提供提高散斑法测量精度的误差修正方法及散斑测量方法，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述提高散斑法测量精度的误差修正方法，以透明固体垂直于光轴时的散斑图作为第一散斑图。
本发明所述散斑测量方法，首先在光路中置入垂直于光轴的透明固体并获得第一散斑图，将所述透明固体相对光轴倾斜并获取第二散斑图；在所述第一散斑图和第二散斑图中提取散斑对并进行待测物理量的理论计算。
在透明固体倾斜角度和厚度已知的情况下，计算所述透明固体的折射率；在透明固体倾斜角度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的厚度；在透明固体厚度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的倾斜角度。
本发明所述提高散斑法测量精度的误差修正方法及散斑测量方法，其优点在于，改变了以往第一散斑图的获取状态，将透明固体的厚度性质同时引入前后两幅散斑图中，使光程变化带来的误差降至最低。由于将厚度同时引入，因此厚度属性不再是散斑法应用的限制参数，在精细化测量至粗犷式测量中，只要是透明固体均能直接应用，明显提升散斑法在透明固体测量领域中的适用范围。
附图说明
图1是透明固体对光线折射的计算模型示意图。
图2是散斑法误差来源分析的光路原理图；
图3是利用本发明所述误差修正方法的光路原理图。
附图标记：10-毛玻璃、11-成像透镜、12-透明固体、13-感光平面；21-氦氖激光器、22扩束镜、23-准直透镜；f-成像透镜的焦距；S-第二散斑点、S'-第一散斑点。
具体实施方式
本发明所述提高散斑法测量精度的误差修正方法以透明固体垂直于光轴时的散斑图作为第一散斑图。
利用所述误差修正方法的散斑测量方法，其光路结构如图3所示，首先在光路中置入垂直于光轴的透明固体并获得第一散斑图，将所述透明固体相对光轴倾斜并获取第二散斑图；在所述第一散斑图和第二散斑图中提取散斑对并进行待测物理量的理论计算。
在透明固体倾斜角度和厚度已知的情况下，计算所述透明固体的折射率；在透明固体倾斜角度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的厚度；在透明固体厚度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的倾斜角度。
计算公式仍然为所述的式子
其中n为透明固体的折射率，d为散斑面内偏移量，以及θ为入射角，等于透明固体的倾斜角。
本发明以标定折射率为1.516的冕牌玻璃K9作为透明固体的具体样品，进行方法一和方法二的测量以作比对。倾斜角固定使用三组，分别是θ1＝0.0446弧度、θ2＝0.0828弧度、θ3＝0.1400弧度。通过测量数值d进行折射率的理论计算，最后将折射率进行(计算值-标定值)/标定值的表达式进行误差水平标定。方法1是现有技术的散斑测量方法，即第一散斑图采集于光路没有置入透明固体的状态。方法2是本发明提供的散斑测量方法，即第一散斑图采集于光路置入垂直透明固体的状态。
实施例一如下表所示
实施例二如下表所示
实施例三如下表所示
实施例四如下表所示
通过上述各实施例可见，随着透明固体D的厚度不断增加，现有技术的测量方法其误差之大已经远远不能满足各种技术需求，反之本发明提供的测量方法误差水平仍然能保持在3％以下。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.提高散斑法测量精度的误差修正方法，其特征在于，以透明固体垂直于光轴时的散斑图作为第一散斑图，以所述透明固体相对光轴倾斜时的散斑图作为第二散斑图；将透明固体的厚度性质同时引入第一散斑图和第二散斑图中，以降低光程变化引起的误差。
2.利用权利要求1所述误差修正方法的散斑测量方法，其特征在于，首先在光路中置入垂直于光轴的透明固体并获得第一散斑图，将所述透明固体相对光轴倾斜并获取第二散斑图；在所述第一散斑图和第二散斑图中提取散斑对并进行待测物理量的理论计算。
3.根据权利要求2所述散斑测量方法，其特征在于，在透明固体倾斜角度和厚度已知的情况下，计算所述透明固体的折射率；在透明固体倾斜角度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的厚度；在透明固体厚度和折射率已知的情况下，计算所述透明固体的倾斜角度。
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