CN113946117A - 散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质，本发明装置主要由第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、平面镜和相机组成，通过结合散射光场的全息测量和数字图像相关等技术，实现高散射物体三维矢量位移的动态测量。本发明测量装置采用双波长，实现光路复用，比现有的基于散射光场的三维位移与位移测量技术更简单和实用，且位移测量范围相比于单波长而言更大。本发明融合了数字图像相关技术和散射光场的全息测量技术，具有非接触性、测量精度高、测量速度快、测量范围大、三维矢量位移同步测量等优点，在航空航天、微型医疗机器人等高精密测量的场合具有广泛的应用前景。

Description

散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质

技术领域

本发明涉及光学测量的技术领域，具体地，涉及散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质，尤其涉及一种散射光场全息大范围三维位移测量装置及方法。

背景技术

随着机械制造、半导体工业等行业精密加工技术的迅猛发展，相应的对于各类超精密器件或光学元件的工艺要求日益增加。对于许多要求各部件精准配合的场合，如航空航天、微型医疗机器人等，如何获得精密元件的位移或形变是一个非常关键的问题。

在现有的测量方法中，传统的接触式位移测量方法测量速度慢，而且会引入人为的受力干扰，也可能会因接触力而对物体表面造成磨损，因此不太适合精密元件的测量。在非接触测量方法中，数字全息技术具有无接触式测量、全场测量纳米级的高精度等优点，是一种十分理想的高精度位移检测手段。但是数字全息技术一般用于镜面表面物体的测量，对于散射表面的物体失效。同时，单一的数字全息装置并不适用于三维矢量位移的测量。若想实现同步三维矢量位移同步测量，往往需要三套数字全息装置，每一套负责一个维度形变的测量。然而，三套数字全息装置的安装较为复杂。同时信息的利用效率不高，只利用了相位图，而三个装置的强度图被全部丢弃。同时，单波长全息的测量范围有限，通常在百纳米级，单波长全息方法对于测量范围要求更高的场合失效。

在公开号为CN110608678A的专利文献中公开了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M-Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。

此外，在现有光学测量方法中，数字图像相关方法因具有安装简单、测量指标和信息量丰富、可测材料类型众多、适合各个尺度和多种条件下的测量、精度高等综合优势而被广泛研究与应用。在实验力学领域，二维数字图像相关是一种广泛使用的方法，用于定量测量平面物体面内x与y方向的位移。它通过分析变形前后被测物表面的数字图像获得物体感兴趣区域的图像平面内位移和应变信息，并达到亚像素精度。但是，二维数字图像相关仅限于面内x与y方向位移的测量，无法获得光轴z方向的位移。

因此，如何通过一个简单的装置快速简便的获得物体的三维矢量位移是一个亟待解决的问题，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质。

根据本发明提供的一种散射光场全息范围三维位移测量装置，包括第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、平面镜、第三分光镜、第四分光镜和相机；

第一分光镜正对第一激光器和第二激光器的激光发射口，将两束激光进行合束，扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、待测物体依次排成一排位于第一分光镜的合束光路上，待测物体将照射在其表面的光反射后由第三分光镜反射，平面镜位于第二分光镜的反射光路上，第四分光镜位于第三分光镜和平面镜的反射光路的交叉位置处，相机位于第四分光镜的合束光路上。

优选地，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

优选地，所述第三分光镜和第四分光镜之间设置有第一成像透镜，所述平面镜和第四分光镜之间设置有第二成像透镜。

优选地，所述在平面镜和第四分光镜之间设置有相移装置。

优选地，所述第二分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片，偏振分光镜位于第二分光镜的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜之间。

本发明还提供一种散射光场全息范围三维位移测量装置的测量方法，所述方法应用上述中的散射光场全息范围三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：第一激光器和第二激光器发出的光经第一分光镜合束后入射到扩束准直单元后由第二分光镜分成两路：经第二分光镜透射的光束透过第三分光镜后照射到待测物体表面，由待测物体表面反射的光经第三分光镜反射形成测量光束；经第二分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光，测量光束和参考光由第四分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；

步骤S2：在待测物体位移发生变化前，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H1和H2，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移前其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移前的形貌，使用全息图H1或者全息图H2从中解算出待测物体位移前其表面反射光场的强度图；

步骤S3：在待测物体位移发生变化后，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H3和H4，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移后其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移后的形貌；使用同步骤S2中相同波长激光器照射得到的全息图H3或者H4，解算出待测物体8位移后其表面反射光场的强度图；

步骤S4：将待测物体位移前后的形貌相减得到沿光轴方向z向的位移；对待测物体位移前后其表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体在垂直光轴方向x向和y向的位移；

步骤S5：结合待测物体的沿光轴方向z向的位移与垂直光轴方向x向和y向的位移，得到待测物体的三维矢量位移。

优选地，所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S2.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；

步骤S2.2：以选取的待测坐标点P1为中心，划定一个尺寸为(2M+1)×(2M+1)像素大小的区域R1，其中M为正整数，由感兴趣的子区域的大小决定；

步骤S2.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点Pi为中心的尺寸为(2M+1)×(2M+1)的区域R2；

步骤S2.4：计算区域R1和R2的相似度；

步骤S2.5：变化步骤S2.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S2.3-步骤S2.4，直到i遍历位移后强度图中的所有像素，找出与区域R1相似度最高的区域R2；

步骤S2.6：计算区域R2的中心坐标P2；

步骤S2.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂直光轴方向x向与y方向的位移；

步骤S2.8：重复执行步骤S2.1～步骤S2.7，直到遍历整个位移前的强度图中的所有像素点，即获得所有像素点对应的垂直光轴方向x向和y向的位移。

优选地，调整平面镜的倾斜角度，使反射的参考光与测量光形成夹角，通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。

优选地，在光束由第二分光镜反射并入射到第四分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光进行移相，通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致系统光路结构复杂、成本高的问题，提出仅采用一路测量光束的测量方法，将其与二维数字图像相关技术相结合，高效地利用一套测量系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度；

2、本发明采用双波长的光路结构，实现光路复用，能够有效扩大离面方向位移的测量范围；

3、本发明测量方法具有全场、非接触测量的特点，能够实现对待测件的无损检测；

4、本发明测量方法将纳米级高精度散射光场测量技术和亚像素级高精度数字图像相关技术相结合，具有高效、快速、测量精度高、动态测量的优点；首先，本发明将两个独立技术融合于一个硬件系统上，之前两个技术分别具有自己的硬件系统，包括各自独立的相机与光成像系统等。本发明只基于一套全息硬件系统，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件系统，而是利用数字图像相关技术处理之前数字全息没有利用的散斑强度图像，因此将两个独立技术有机融合于一个硬件系统上。其次，数字图像相关技术在本发明里处理的是激光散斑图像。而之前的数字图像相关技术处理的是自然光下的或者白光下的强度图像，处理的关键内容是强度图像中物体的纹理或者人为喷涂的散斑。激光散斑与以上这些数字图像相关技术之前处理的特征存在差异。

5、本发明测量方法可以实现对散射表面物体的三维矢量位移进行同步测量，解决了传统光学测量方法只能对镜面表面物体进行测量的局限性。曲面物体的三维位移测量需要物体的三维形貌信息。但是散射表面物体的三维形貌测量比镜面物体要难。这主要由于散射表面物体的颗粒高度变化已经超过激光波长，难以通过简单的数字全息系统测量，往往需要额外的三维形貌测量系统，不但造成测量方案的复杂，多套系统的数据融合导致困难与方案的进一步复杂。但是，微米以及微米以下高度的镜面物体的三维形貌可以利用一个激光器的全息系统进行测量。因此导致散射表面物体的三维矢量位移的测量困难。本发明通过复用同一套光路，用两个激光器的全息系统解决了这个问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明散射光场全息大范围三维位移测量装置示意图；

图2为本发明实施例1中的散射光场全息大范围三维位移测量装置的结构图；

图3为本发明实施例1中空间光滤波模块的示意图；

图4为本发明实施例1中扩束准直模块的示意图；

图5A为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第一激光器照射下的全息图；

图5B为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第二激光器照射下的全息图；

图6A为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移后由第一激光器照射下的全息图；

图6B为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移后由第二激光器照射下的全息图；

图7为本发明实施例1中待测物体位移前的双波长合成包裹相位图；

图8为本发明实施例1中待测物体沿着光轴z方向的测量结果图；

图9A为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第一激光器照射下的强度图；

图9B为本发明实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第二激光器照射下的强度图；

图10为本发明实施例1中待测物体沿着垂直光轴的x,y方向的面内位移的测量结果图；

图11为本发明实施例2中的散射光场全息大范围三维位移测量装置的结构图；

图12为本发明实施例2中偏振分光单元的内部结构图；

图13为本发明实施例3中的散射光场全息大范围三维位移测量装置的结构图。

其中：

第一激光器1 第四分光镜9

第二激光器2 相机10

第一分光镜3 第一成像透镜11

扩束准直单元4 第二成像透镜12

空间光滤波模块401 偏振分光单元13

扩束准直模块402 第一半波片131

第二分光镜5 偏振分光镜132

平面镜6 第二半波片133

第三分光镜7 相移装置14

待测物体8

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质。本发明是基于散射光场测量技术，并结合二维数字图像相关技术，动态同步地测量物体的三维矢量位移。本发明可应用到镜面或者粗糙表面物体的位移测量中，实现物体三维矢量位移或形变的同步测量。

实施例1

如图2所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、第二分光镜5、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11和第二成像透镜12。

第一激光器1产生激光1a，第二激光器2产生激光2a，激光1a和激光2a输入至第一分光镜3后进行合束。

第一激光器1和第二激光器2采用的是相干光源，在本发明具体设计中，第一激光器1提供中心波长在532nm的空间光，第二激光器2提供中心波长在526.5nm的空间光。

第一分光镜3、第二分光镜5、第三分光镜7和第四分光镜9是一种光学装置，能把光束一分为二，实现50％透射和50％反射。第一分光镜3，第二分光镜5、第三分光镜7和第四分光镜9的结构和作用相同，这里以第二分光镜5为例进行说明。第二分光镜5用于接收扩束准直模块402出射的准直平行光4b，将其分为平行光5a和5b输出。其中透射光5a进入测量光路，反射光5b进入参考光路。

空间光滤波模块401由空间滤波器和平凸透镜构成，内部结构如图3所示；其中空间滤波器由显微物镜MO和针孔PH组成。在空间光滤波单元401中，显微物镜将经过第一分光镜合束后的空间光3a会聚于一点，在该会聚点设置针孔PH消除杂散光使该点更接近理想的点光源，平凸镜L1的前焦点与该点重合，使经过平凸镜L1后的出射光为平行光。

扩束准直模块402用于扩束并产生光强均匀的平行光。如图3所示，扩束准直模块402由2个平凸透镜组成，使出射光4a为光斑直径放大后的平行光。本发明中平凸透镜的焦距选择根据光斑放大需求确定。

平面镜6用于反射光束，使光传播方向发生偏转。平面镜6用来将第二分光镜5出来的参考光5b在空间上偏转约90°，使其经过平面镜6后再反射。采用离轴数字全息结构，平面镜6用于调整参考光和测量光束的夹角。

第一成像透镜11的作用是成像。携带目标信息的入射平行光7b经过第一成像透镜11后在其后方成像，被相机10记录。在本发明中，第一成像透镜11与第二成像透镜12为相同参数透镜并且二者到相机的距离相同，用于补偿参考光路的光程，使全息图中的干涉条纹清晰可见。

第二成像透镜12的作用是保证参考光波前与测量光波前的曲率一致。

相机10用于记录全息图。该相机10包括但不限定于CCD或CMOS等。

本发明中，由第二分光镜5发出的平行光5a经第三分光单元7、待测物体8再反射后经过第三分光单元7、第一成像透镜11和第四分光单元9。这部分可以称为测量光路。

本发明中，由第二分光镜5发出的平行光5b经平面镜6、第二成像透镜12和第四分光单元9，这部分可以称为参考光路。

参考光与测量光发生干涉，形成的全息图由相机10的感光面记录下来得到数字全息图。

本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b，4b经过第二分光镜5后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10记录。

本实施例提供的散射光场全息大范围三维位移测量装置，能够动态地测量物体的同步三维形变或位移，其具体测量方法的步骤如下：

步骤S1：将待测物体8放置在测量光路中。

步骤S2：在待测物体8产生位移前，用CCD分别记录两个不同波长激光照射时的待测物体8的全息图，如图5所示。

步骤S3：对待测物体8施加位移，本实施例中采用PZT对待测物体8沿着光轴方向施加5微米的加载。

步骤S4：用CCD分别记录两个不同波长激光照射时的待测物体8位移后的全息图，如图6所示。

步骤S5：计算2个不同波长激光器分别照射下的待测物体8的散射光场：对位移前的全息图作傅里叶变换，通过空间滤波方法截取一级频谱，将其移频至中心，乘以对应波长和重建距离决定的传递函数并进行逆傅里叶变换，得到位移前不同波长下的待测物散射光场复振幅。

步骤S6：重复步骤S5，得到位移后不同波长下的待测物散射光场复振幅。

步骤S7：从位移前的复振幅中提取不同波长照射时的待测物体8的散射光场的相位分布

和

步骤S8：重复步骤(7)，从复振幅中提取不同波长照射时的待测物体8位移后的散射光场的相位分布

和

步骤S9：通过关系式得到待测物体8位移前双波长合成包裹相位ΔΦ1，如图7所示：

步骤S10：重复步骤S9，根据以下关系式得到待测物体8位移后双波长合成包裹相位ΔΦ2：

步骤S11：利用关系表达式：

将相位信息转换为高度信息，从而分别得到待测物体8位移前后的形貌。

步骤S12：将待测物体8位移后的形貌减去位移前的形貌即可得到待测物体8沿着z轴方向的离面位移，如图8所示。

步骤S13：从复振幅中提取任一波长照射下的待测物体8位移前后的散射光场的强度分布I₁和I₂如图9所示。

步骤S14：使用2D-DIC技术对I₁和I₂进行处理，得到整个图像区域的垂直法线方向的面内位移x，y，如图10所示。

步骤S15：结合沿着法线方向的离面位移z和垂直光轴方向的面内位移x，y，即可得到物体的三维位移测量结果。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中采用偏振分光单元13来替换实施例1中的第二分光镜5。

如图11所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、偏振分光单元11、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11、第二成像透镜12和偏振分光单元13。

偏振分光单元13的内部结构如图12所示，包括第一半波片131，偏振分光镜132和第二半波片133。

偏振分光单元13用于接收从扩束准直模块402出射的平行光4b，将其分为平行光5a和5b输出，并负责调节两路光的光强比，一般为1:5到5:1。

扩束准直单元402出射光4b入射到偏振分光单元13后被分为偏振方向正交的两束光：反射光5b和透射光5a；其中经过偏振分光镜132的反射光经过第二半波片133后成为5b进入参考光路，透射光5a进入测量光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元13中的第一半波片131可以改变空间光5a和5b之间的光强比，一般为1:5-5:1，进而执行调整测量光和参考光的光强比的功能，获得高质量的全息图。通过旋转第二半波片133，使测量光5a和参考光5b的偏振方向一致，目的是使得二者能够进行干涉。

本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b，4b经过偏振分光单元13后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后成为9b最终到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10记录。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中在参考光路的平面镜6和第四分光镜9之间加入相移装置14。

如图13所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、第二分光镜5、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11、第二成像透镜12和相移装置14。

相移装置14的作用在于对参考光进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b，4b经过第二分光镜5后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后经过相移装置14移相后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10记录。

本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。

本发明测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致系统光路结构复杂、成本高的问题，提出仅采用一路测量光束的测量方法，将其与二维数字图像相关技术相结合，高效地利用一套测量系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度；采用双波长的光路结构，实现光路复用，能够有效扩大离面方向位移的测量范围。

本发明测量方法将纳米级高精度散射光场测量技术和亚像素级高精度数字图像相关技术相结合，具有高效、快速、测量精度高、动态测量的优点；首先，本发明将两个独立技术融合于一个硬件系统上，之前两个技术分别具有自己的硬件系统，包括各自独立的相机与光成像系统等。本发明只基于一套全息硬件系统，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件系统，而是利用数字图像相关技术处理之前数字全息没有利用的散斑强度图像，因此将两个独立技术有机融合于一个硬件系统上。其次，数字图像相关技术在本发明里处理的是激光散斑图像。而之前的数字图像相关技术处理的是自然光下的或者白光下的强度图像，处理的关键内容是强度图像中物体的纹理或者人为喷涂的散斑。激光散斑与以上这些数字图像相关技术之前处理的特征存在差异。

本发明测量方法可以实现对散射表面物体的三维矢量位移进行同步测量，解决了传统光学测量方法只能对镜面表面物体进行测量的局限性。曲面物体的三维位移测量需要物体的三维形貌信息。但是散射表面物体的三维形貌测量比镜面物体要难。这主要由于散射表面物体的颗粒高度变化已经超过激光波长，难以通过简单的数字全息系统测量，往往需要额外的三维形貌测量系统，不但造成测量方案的复杂，多套系统的数据融合导致困难与方案的进一步复杂。但是，微米以及微米以下高度的镜面物体的三维形貌可以利用一个激光器的全息系统进行测量。因此导致散射表面物体的三维矢量位移的测量困难。本发明通过复用同一套光路，用两个激光器的全息系统解决了这个问题。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一分光镜(3)、扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、平面镜(6)、第三分光镜(7)、第四分光镜(9)和相机(10)；

第一分光镜(3)正对第一激光器(1)和第二激光器(2)的激光发射口，将两束激光进行合束，扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)、待测物体(8)依次排成一排位于第一分光镜(3)的合束光路上，待测物体(8)将照射在其表面的光反射后由第三分光镜(7)反射，平面镜(6)位于第二分光镜(5)的反射光路上，第四分光镜(9)位于第三分光镜(7)和平面镜(6)的反射光路的交叉位置处，相机(10)位于第四分光镜的合束光路上。

2.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元(4)还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

3.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述第三分光镜(7)和第四分光镜(9)之间设置有第一成像透镜，所述平面镜(6)和第四分光镜(9)之间设置有第二成像透镜。

4.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述在平面镜(6)和第四分光镜(9)之间设置有相移装置。

5.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片，偏振分光镜位于第二分光镜(5)的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元(4)和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜(6)之间。

6.一种散射光场全息范围三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-5任一项所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：第一激光器和第二激光器发出的光经第一分光镜合束后入射到扩束准直单元后由第二分光镜分成两路：经第二分光镜透射的光束透过第三分光镜后照射到待测物体表面，由待测物体表面反射的光经第三分光镜反射形成测量光束；经第二分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光，测量光束和参考光由第四分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；

步骤S2：在待测物体位移发生变化前，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H1和H2，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移前其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移前的形貌，使用全息图H1或者全息图H2从中解算出待测物体位移前其表面反射光场的强度图；

步骤S3：在待测物体位移发生变化后，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H3和H4，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移后其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移后的形貌；使用同步骤S2中相同波长激光器照射得到的全息图H3或者H4，解算出待测物体8位移后其表面反射光场的强度图；

步骤S4：将待测物体位移前后的形貌相减得到沿光轴方向z向的位移；对待测物体位移前后其表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体在垂直光轴方向x向和y向的位移；

步骤S5：结合待测物体的沿光轴方向z向的位移与垂直光轴方向x向和y向的位移，得到待测物体的三维矢量位移。

7.根据权利要求6所述的散射光场全息范围三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S2.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；

步骤S2.2：以选取的待测坐标点P1为中心，划定一个尺寸为(2M+1)×(2M+1)像素大小的区域R1，其中M为正整数，由感兴趣的子区域的大小决定；

步骤S2.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点Pi为中心的尺寸为(2M+1)×(2M+1)的区域R2；

步骤S2.4：计算区域R1和R2的相似度；

步骤S2.5：变化步骤S2.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S2.3-步骤S2.4，直到i遍历位移后强度图中的所有像素，找出与区域R1相似度最高的区域R2；

步骤S2.6：计算区域R2的中心坐标P2；

步骤S2.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂直光轴方向x向与y方向的位移；

步骤S2.8：重复执行步骤S2.1～步骤S2.7，直到遍历整个位移前的强度图中的所有像素点，即获得所有像素点对应的垂直光轴方向x向和y向的位移。

8.根据权利要求6所述的散射光场全息范围三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，调整平面镜的倾斜角度，使反射的参考光与测量光形成夹角，通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。

9.根据权利要求6所述的散射光场全息范围三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，在光束由第二分光镜反射并入射到第四分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光进行移相，通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至9中任一项所述的方法的步骤。

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