CN113358324A - 一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法，该系统包括：激光器、准直扩束单元、分束单元、载物面、参考面、第一成像透镜、参考光透镜、测量臂孔径、参考臂孔径、合束单元、第二成像透镜和面阵相机单元；激光器发出的相干光经准直扩束后，分光到测量臂和参考臂中，在两臂中分别安放一个独立的可调孔径，引入可调节的空间相移，两臂合束并汇聚在面阵相机单元处形成干涉，可通过从空间相移上定量求解烧蚀模型的变化量；本发明的技术方案具有适应风洞极端环境的工作能力，降低了散斑干涉测量系统对测量环境的要求，提高了测量的精度。

Description

一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法。

背景技术

随着高超声速飞行器的迅猛发展，飞行马赫数更高，飞行器外形结构日益复杂，对材料及结构在极端条件下的变形测量有迫切需求。散斑干涉技术作为一种光学无损测量手段，被大量应用于工业生产中。然而风洞试验中的烧蚀模型测量将会面对高温、高马赫数和自发光等方面的极端试验条件，要求散斑干涉中的相移装置具有极高的时间分辨率，或能实现实时测量。目前，常规的散斑干涉测量系统相移调制性能有限，不能达到如此苛刻条件下的时间分辨测量要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种基于空间相移的散斑干涉测量系统及方法，以提高对极端条件的测量能力，实现风洞试验中的烧蚀模型测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，包括：

激光器、准直扩束单元、分束单元、载物面、参考面、第一成像透镜、参考光透镜、测量臂孔径、参考臂孔径、合束单元、第二成像透镜和面阵相机单元；其中，

所述激光器用于提供激光；

所述准直扩束单元用于将所述激光器出射的激光进行准直扩束后，入射所述分束单元；

所述分束单元用于将入射的激光分束，分束后，一路为测量臂，入射用于设置待测物的载物面后反射，依次穿过所述第一成像透镜、所述测量臂孔径，入射所述合束单元，另一路为参考臂，入射参考面后反射，依次穿过所述参考光透镜、所述参考臂孔径，入射所述合束单元；

所述合束单元用于将入射的两路激光合束，合束后激光穿过所述第二成像透镜，汇聚成像在所述面阵相机单元处，形成散斑干涉图；

且所述测量臂孔径和所述参考臂孔径为孔径大小可调的独立孔径，孔径中心相对于穿过的激光光束中心偏移量不同，用于引入空间相移。

可选地，所述第一成像透镜与所述参考光透镜焦距相同，且到所述第二成像透镜的光程相同，所述测量臂孔径位于所述第一成像透镜的后焦面处，所述参考臂孔径位于所述参考光透镜的后焦面处。

可选地，所述第一成像透镜、所述参考光透镜分别与所述第二成像透镜构成4f光学系统。

可选地，所述分束单元的分束光强比为1:1。

可选地，所述参考面为漫射面，材质与待测物相同。

可选地，测量臂中，激光垂直入射待测物表面。

可选地，所述分束单元为分束立方体，所述合束单元为合束立方体；

所述分束立方体用于将入射的激光分束，分束后，一路为测量臂，经所述分束立方体的透反面反射后出射，垂直入射待测物后反射，依次穿过所述分束立方体、所述第一成像透镜、所述测量臂孔径，再经反射镜转向，入射所述合束立方体，并透射穿过所述合束立方体；

另一路为参考臂，经所述分束立方体的透反面透射后出射，入射参考面后反射，依次穿过所述参考光透镜、所述参考臂孔径，入射所述合束立方体，并在所述合束立方体的透反面上反射，与透射的一路合束。

可选地，所述测量臂孔径、所述参考臂孔径的孔径最小值根据所述面阵相机单元的像素设定，令成像的散斑干涉图中面积最小的散斑颗粒至少对应3个像素。

本发明还提供了一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量方法，采用如上述任一项所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统进行测量，包括：

设置待测物与基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，并调节测量臂孔径、参考臂孔径的孔径大小及孔径中心位置，令所述测量臂孔径和所述参考臂孔径的孔径大小相同，孔径中心相对于穿过的激光光束中心偏移不同的距离，直至面阵相机单元能够拍摄到散斑干涉图；

进行风洞烧蚀试验并利用所述面阵相机单元实时拍摄待测物的散斑干涉图；

根据两张不同时刻的散斑干涉图，解算待测物表面发生的变化量，完成待测物烧蚀测量。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法，该散斑干涉烧蚀测量系统包括激光器、准直扩束单元、分束单元、载物面、参考面、第一成像透镜、参考光透镜、测量臂孔径、参考臂孔径、合束单元、第二成像透镜和面阵相机单元，激光器发出的相干光经准直扩束单元准直扩束后，由分束单元分光到测量臂和参考臂中，在两臂中分别安放一个独立的可调孔径，即测量臂孔径、参考臂孔径，引入可调节的空间相移，合束并汇聚在面阵相机单元处形成干涉，可通过从空间相移上定量求解烧蚀模型的变化量，本发明的技术方案具有适应风洞极端环境的工作能力，降低了散斑干涉测量系统对测量环境的要求，提高了测量的精度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量方法步骤示意图。

图中：1：激光器；2：准直扩束单元；3：载物面；4：分束单元；5：参考面；6：第一成像透镜；7：参考光透镜；8：测量臂孔径；9：参考臂孔径；10：反射镜；11：合束单元；12：第二成像透镜；13：面阵相机单元。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，包括激光器1、准直扩束单元2、分束单元4、载物面3、参考面5、第一成像透镜6、参考光透镜7、测量臂孔径8、参考臂孔径9、合束单元11、第二成像透镜12和面阵相机单元13。具体地，其中：

激光器1用于提供激光；激光器1即激光光束的光源；

准直扩束单元2用于将激光器1出射的激光进行准直扩束后，入射分束单元4；

分束单元4用于将入射分束单元4的激光分束，分束后一路为测量臂，测量臂的激光光束入射用于设置待测物(即烧蚀模型)的载物面3后，反射得到物光，依次穿过第一成像透镜6、测量臂孔径8，入射合束单元11，另一路为参考臂，参考臂的激光光束入射参考面5后反射，依次穿过参考光透镜7、参考臂孔径9，入射合束单元11；

合束单元11用于将入射合束单元11的两路激光合束，合束后的激光穿过第二成像透镜12，汇聚成像在面阵相机单元13处(也即干涉面处)，形成散斑干涉图；

其中测量臂孔径8和参考臂孔径9为孔径大小可调的独立孔径，二者的位置可独立的调节；测量臂孔径8和参考臂孔径9的孔径中心相对于穿过其孔径的激光光束中心偏移量不同，即，测量臂孔径8的孔径中心点位置相对于测量臂的激光光束中心线(也即第一成像透镜6的主光轴)的偏移量与参考臂孔径9的孔径中心点位置相对于参考臂的激光光束中心线(也即参考光透镜7的主光轴)的偏移量不同，若测量臂孔径8的孔径中心点在第一成像透镜6的主光轴上，则参考臂孔径9的孔径中心点到参考光透镜7的主光轴的垂直距离不为零，用于引入空间相移。参考臂和测量臂中的独立孔径在用于探测的面阵相机单元13探测面处的投影呈错位分布。

通过采用上述技术方案，测量臂中的测量光和参考臂中的参考光在透射过各自光路中的可调孔径(即测量臂孔径8和参考臂孔径9)后，产生不同的光程差，使得在干涉面上产生线性的光程差分布，干涉光强产生周期性分布，即为空间相移。

使用本发明提供的散斑干涉烧蚀测量系统时，激光器1作为光源出射激光，经准直扩束单元2形成扩展光束，后经分束单元4将扩展光束分为用于照明待测物的测量光和用于形成干涉的参考光，测量光和参考光通过各自光路中的可调孔径引入空间相移动，经过合束单元11与第二成像透镜12，在用于探测的面阵相机单元13处形成具有空间调制结构的散斑干涉图。

本发明提高了散斑干涉烧蚀测量系统集成度，加强了时间分辨能力，减少了获取烧蚀模型(即待测物)定量测量结果所需要的散斑干涉图数量，通过采集烧蚀前、后两张散斑干涉图即可实现对烧蚀模型形变的测量；另外，采用测量光和参考光通过各自的孔径(即测量臂孔径8和参考臂孔径9)分别控制的方式实现空间相移，减少了散斑干涉烧蚀测量系统对固定相移装置的依赖性，提高了空间相移在复杂系统中的可用性；同时，将两个可调孔径设计为分离形式，采用独立控制的方式，减少了固定多孔径掩模版需要每次重新制作的困扰，可根据不同测试条件和环境，方便地调整空间相移。

可选地，第一成像透镜6与参考光透镜7焦距相同，且第一成像透镜6到第二成像透镜12的光程与参考光透镜7到第二成像透镜12的光程相同，测量臂孔径8位于第一成像透镜6的后焦面处，参考臂孔径9位于参考光透镜7的后焦面处。将测量臂孔径8、参考臂孔径9分别设置在第一成像透镜6、参考光透镜7后焦面，可使得成像面积不因孔径的加入而减小。

可选地，载物面3与成像的干涉面形成共轭成像关系，设置时，待测物散射的光被第一成像透镜6收集，根据成像关系配置第二成像透镜12，使待测物共轭成像在干涉面处，通过控制不同物象关系，提高对不同放大率的成像能力。

进一步地，第一成像透镜6、参考光透镜7分别与第二成像透镜12构成4f光学系统，即，测量臂中，第一成像透镜6距离待测物的表面一个焦距(1倍的f)，第一成像透镜6和第二成像透镜12间距两个焦距，第二成像透镜12距离成像的干涉面一个焦距，构成一套4f光学系统，参考臂中，参考光透镜7距离参考面5一个焦距，参考面5和第二成像透镜12间距两个焦距，也构成一套4f光学系统。第一成像透镜6收集到的散射光在经过第一成像透镜6后形成平行光，使待测物离轴部分的光不会产生离轴误差，增强离轴成像能力，扩大成像面积。

可选地，分束单元4的分束光强比为1:1，即，分束后令测量光与参考光的光强相同。进一步地，参考面5为漫射面，参考面5的材质与待测物相同。参考光在光路中经过一次与待测物相同材质材料的反射，提高所形成散斑干涉图的可见度，使参考光与测量光在干涉面的光强处于相同水平，提高信噪比。

可选地，测量臂中，激光垂直入射待测物表面，使散斑干涉烧蚀测量系统的敏感向量增大，提高对离面方向的灵敏度。

进一步地，如图1所示，分束单元4为分束立方体，合束单元11为合束立方体，分束单元4、合束单元11均为棱镜。

如图1所示，分束立方体用于将入射的激光分束，分束后，一路为测量臂，经分束立方体的透反面反射后出射，垂直入射待测物后反射，依次穿过分束立方体、第一成像透镜6、测量臂孔径8，再经反射镜10转向，入射合束立方体，并透射穿过合束立方体；

另一路为参考臂，经分束立方体的透反面透射后出射，入射参考面5后反射，依次穿过参考光透镜7、参考臂孔径9，入射合束立方体，并在合束立方体的透反面上反射，与透射的一路激光合束，有第二成像透镜12汇聚成像。

使用时，如图1所示，由激光器1发出的相干光经准直扩束单元2后形成扩展的高斯光束，经分束立方体后垂直照明待测物，经待测物散射的光(即物光)携带上物面信息，透射通过分束立方体，由第一成像透镜6收集散射光，在第一成像透镜6的后焦面处，光束穿过孔径大小可调的测量臂孔径8，经由反射镜10和合束立方体，被第二成像透镜12汇聚成像在面阵相机单元13表面，同时，参考光由分束立方体中的透射光束产生，经过与待测物同材质的漫射面(参考面5)，形成与物光同质的散射光，由参考光透镜7收集，在参考光透镜7的后焦面处，光束穿过孔径大小可调的参考臂孔径9，经由合束立方体，被第二成像透镜12汇聚在面阵相机单元13表面，并与物光形成散斑干涉，通过空间相移散斑干涉图解调方法，即可实时解调出相位变化。

可选地，测量臂孔径8、参考臂孔径9的孔径最小值根据面阵相机单元13的像素设定，令成像的散斑干涉图中面积最小的散斑颗粒至少对应3个像素，确保散斑干涉图的成像效果。

如图2所示，本发明还提供了一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量方法，采用如上述任一项实施方式所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统实现，包括如下步骤：

步骤201、设置待测物与基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，并调节测量臂孔径、参考臂孔径的孔径大小及孔径中心位置，令测量臂孔径和参考臂孔径的孔径大小相同，孔径中心相对于穿过的激光光束中心偏移不同的距离，直至面阵相机单元能够拍摄到散斑干涉图；孔径大小的最小值优选根据面阵相机单元13的像素设定；

步骤202、进行风洞烧蚀试验并利用面阵相机单元实时拍摄待测物的散斑干涉图；

步骤203、根据两张不同时刻的散斑干涉图，解算待测物表面发生的变化量，完成待测物(即烧蚀模型)烧蚀测量。

综上所述，本发明提供了一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统及方法，通过在测量臂和参考臂分别设置独立的、大小可调节的孔径，通过孔径间投影关系的配合，提高散斑干涉烧蚀测量中空间相移方法的便捷性，提高散斑干涉烧蚀测量在极端环境下的测量能力和稳定性，使散斑干涉测量系统在风洞烧蚀模型测量中的定量测量能力提高，配合成像单元(即第一成像透镜与第二成像透镜)的设计，降低了系统的离轴测量误差。

最后应说明的是：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 (9)

1.一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于，包括：激光器、准直扩束单元、分束单元、载物面、参考面、第一成像透镜、参考光透镜、测量臂孔径、参考臂孔径、合束单元、第二成像透镜和面阵相机单元；其中，

所述激光器用于提供激光；

所述准直扩束单元用于将所述激光器出射的激光进行准直扩束后，入射所述分束单元；

所述分束单元用于将入射的激光分束，分束后，一路为测量臂，入射用于设置待测物的载物面后反射，依次穿过所述第一成像透镜、所述测量臂孔径，入射所述合束单元，另一路为参考臂，入射参考面后反射，依次穿过所述参考光透镜、所述参考臂孔径，入射所述合束单元；

所述合束单元用于将入射的两路激光合束，合束后激光穿过所述第二成像透镜，汇聚成像在所述面阵相机单元处，形成散斑干涉图；

且所述测量臂孔径和所述参考臂孔径为孔径大小可调的独立孔径，孔径中心相对于穿过的激光光束中心偏移量不同，用于引入空间相移。

2.根据权利要求1所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述第一成像透镜与所述参考光透镜焦距相同，且到所述第二成像透镜的光程相同，所述测量臂孔径位于所述第一成像透镜的后焦面处，所述参考臂孔径位于所述参考光透镜的后焦面处。

3.根据权利要求2所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述第一成像透镜、所述参考光透镜分别与所述第二成像透镜构成4f光学系统。

4.根据权利要求1所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述分束单元的分束光强比为1:1。

5.根据权利要求4所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述参考面为漫射面，材质与待测物相同。

6.根据权利要求5所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

测量臂中，激光垂直入射待测物表面。

7.根据权利要求6所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述分束单元为分束立方体，所述合束单元为合束立方体；

所述分束立方体用于将入射的激光分束，分束后，一路为测量臂，经所述分束立方体的透反面反射后出射，垂直入射待测物后反射，依次穿过所述分束立方体、所述第一成像透镜、所述测量臂孔径，再经反射镜转向，入射所述合束立方体，并透射穿过所述合束立方体；

另一路为参考臂，经所述分束立方体的透反面透射后出射，入射参考面后反射，依次穿过所述参考光透镜、所述参考臂孔径，入射所述合束立方体，并在所述合束立方体的透反面上反射，与透射的一路合束。

8.根据权利要求1所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，其特征在于：

所述测量臂孔径、所述参考臂孔径的孔径最小值根据所述面阵相机单元的像素设定，令成像的散斑干涉图中面积最小的散斑颗粒至少对应3个像素。

9.一种基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统进行测量，包括：

设置待测物与基于空间相移的散斑干涉烧蚀测量系统，并调节测量臂孔径、参考臂孔径的孔径大小及孔径中心位置，令所述测量臂孔径和所述参考臂孔径的孔径大小相同，孔径中心相对于穿过的激光光束中心偏移不同的距离，直至面阵相机单元能够拍摄到散斑干涉图；

进行风洞烧蚀试验并利用所述面阵相机单元实时拍摄待测物的散斑干涉图；

根据两张不同时刻的散斑干涉图，解算待测物表面发生的变化量，完成待测物烧蚀测量。

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