CN114136976A - 偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统及其测量方法，包括参数标定模块、偏振同轴照明成像模块、剪切干涉探测模块、控制采集处理模块等，用于实现应变与离面形变的测量。本系统可根据样品目标区域的实际测量范围，结合静态或动态加载情况，现场调节并精确标定系统的测量视场与剪切量，从而调节应变测量动态范围与检测灵敏度，并应用时间移相或空间载波相位提取方法，实现应变与离面形变的动态高速或静态高精度测量，系统操作方便，实用性强，测量精度高。此外，本发明采用偏振同轴照明方式，提高了光能利用率与成像质量，实现大视场、高亮度、高均匀性的照明与高质量探测。
Description
技术领域
本发明属于光学无损检测技术领域，特别涉及一种偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统及其测量方法方法。
背景技术
工程材料受外界环境因素变化引起的应变等相关参数的测量在许多工程学科中都很重要，了解构件或结构在荷载作用下的行为，可以帮助工程师们设计新的轻型结构，研究成型和连接技术，或者研发新材料，验证计算固体力学模型。除此之外，许多新型复合材料因其强度高且重量低，在航天工业甚至汽车工业中受到了广泛的青睐。然而，多数复合材料如玻璃纤维增强材料、碳纤维增强材料和蜂窝结构材料，通常具有多层结构，相比于传统材料更容易存在内部缺陷，特别是层间的分离、皱褶、裂纹等缺陷，会降低复合材料的力学性能，甚至会造成严重的后果。因此，无论是材料的各种应变测量还是缺陷检测，都需要一种高精度的检测技术进行辅助。
由于接触式测量将不可避免地对材料表面造成新的损伤，虽然其测量精度较高，但是当测量面积较大的材料时，此类方法所需时间将显著增加，严重影响材料生产与测试效率。因此，无损检测(Non-Destructive Testing，NDT)技术在生产过程的质量监控过程中应用更为广泛。相比于接触式测量，NDT具有实时、全视场、非接触和高灵敏度等优势。随着近年来测试技术的不断发展，光学NDT技术例如全息术、电子散斑干涉术、数字剪切散斑干涉术、数字图像相关术在各行各业的检测系统中大放异彩。其中，数字剪切散斑干涉术由于其设置简单、可直接测量应变、对环境干扰相对不敏感等优点，被认为是检测复合材料和蜂窝结构较薄面板分层以及材料应变的最佳无损检测方法之一。
上世纪70年代，Leendertz等人第一次提出了激光激光剪切散斑干涉技术。该技术与全息术和ESPI类似，但是却可以直接测量材料变形梯度和应变信息，后者只能测量材料的变形量。由于物体中的缺陷通常会产生应变集中，这意味着激光剪切散斑干涉技术可以更容易地揭示缺陷，预示着激光剪切散斑干涉技术在工业流程中有着巨大的应用前景。随着多年的发展，激光剪切散斑干涉技术已经能够结合性能优越的探测器以及干涉图滤波相位提取算法对材料应变进行高精度的测量，数字剪切散斑干涉术逐渐成为主流技术，广泛应用于工业生产与检测中。
在实际应用DS进行应变检测过程中，干涉相位分布的提取至关重要，根据提取方法的不同大致可以分为三类：空间载波法、傅里叶分析法以及时间移相法。其中，空间载波法通常需要调整反射镜倾角或者在光路中增加光阑引入载波，使相邻的像素点之间的光程差受载波调制，再根据载波特征对相位进行提取；傅里叶分析法与空间载波法类似，在引入载波后，通过对干涉图进行傅里叶频谱分析，将携带相位信息的载波一级频谱滤出，即可提取相位；时间移相法需要利用压电陶瓷(Piezo-Electric Transducer，PZT)或线性促动器控制反射镜沿光轴方向周期性移动，以引入固定的光程差，利用成熟的移相解调算法提取相位。虽然时间移相法相位提取精度最高，但是无法胜任动态检测的应用场景。相比于空间载波法较为复杂的光路结构与处理方法，傅里叶分析法系统无需特殊设计光阑、相位提取过程简单，因此，在动态检测中应用更为广泛。
在现有的系统中，往往只配置了一种相位提取方法，如仅选用空间载波法针对动态加载环境实时测量(在先技术1，数字剪切散斑干涉的实时测量方法和系统，发明专利201510716373.3)；或仅选用时间移相法针对静态加载环境高精度测量。然而，随着工业检测的应用需求更加复杂，对检测系统的要求也越来越高，为了针对不同应用场景，保持高精度、高稳定性且自动化的应变检测能力，需要设计更加全面的检测系统。同时，为了保证系统在不同应用场景中都能保持良好的测量精度，需要系统中配置有通用性的在线参数标定方法，以保证测量视场与剪切量的准确性，提高系统适用范围。除此之外，在现有的系统中(如在先技术1，在先技术2：基于空间载波的双方向剪切散斑干涉系统及测量方法，发明专利201510447980.4)，通常选用傍轴照明的方式测量切应变与离面形变，这种方式下，照明光和干涉系统光轴存在一定夹角，将损失部分光能并影响成像质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，针对工业生产中高精度与动态检测应用场景，提出了一种偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统及其使用方法，通过现场高精度标定测量视场与系统剪切量，结合系统关键功能模块切换，利用同一硬件系统实现动态与静态加载条件下的样品应变与离面形变非接触、快速、高精度的测量。
本发明的技术解决方案如下：
一种偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特点在于：包括
参数标定模块，用于产生两束平行光束垂直照明样品，作为标定激光，标定测量视场尺寸与剪切量；
偏振同轴照明成像模块，至少包括成像镜组和紧贴该成像镜组表面的狭缝，用于产生线偏振光，并获取两束标定激光同时照明样品的未剪切强度图像，以及获取平行光束分别经过两剪切光路的强度图像；
剪切干涉探测模块，至少包括由焦距相同的第一透镜和第二透镜组成4f系统、分光棱镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜、探测器以及供第二平面反射镜放置的机械移相装置，所述的4f系统将所述的成像镜组所成实像传递到探测器，经样品反射的漫反射光在自由空间内传输，通过狭缝、成像镜组与第一透镜后的散射光场经分光棱镜分为透射光与反射光，所述的透射光经第二平面反射镜反射，原路返回再经分光棱镜反射作为参考光，所述的反射光经一定角度倾斜放置的第一平面反射镜反射后发生偏折，再经所述的分光棱镜透射后作为剪切光，所述的参考光与剪切光在重叠区域内干涉，并由探测器采集；
控制采集处理模块，用于控制机械移相装置按固定步长移动，控制探测器记录加载前后样品散斑图像数据，利用软件处理分析数据，获得样品的应变与离面形变分布。
参数标定模块包括标定激光器、光纤分束器、第一准直镜和第二准直镜；标定激光器产生的激光经过光纤分束器分为两束，分别经过第一准直镜和第二准直镜，输出平行光束垂直照明样品，两束平行光束的出射点与两个准直镜高度相等且间距已知；光束直径远小于样品的尺寸，用于标定测量视场与剪切量；
偏振同轴照明成像模块包括一个线偏振输出激光器、扩束器、二分之一波片和四分之一波片、偏振分光棱镜、成像镜组、狭缝；激光器产生的线偏振光出射，由扩束器转换为发散光束，经过二分之一波片转换为s光，由偏振分光棱镜反射，经过四分之一波片和成像镜组照明样品，漫反射光在自由空间内传输，经过狭缝、成像镜组与四分之一波片，转换为p光透射经过偏振分光棱镜；其中狭缝作为孔径光阑，紧贴镜组前表面放置，不影响成像镜组的视场；
剪切干涉探测模块包括第一透镜和第二透镜、分光棱镜、第一光闸和第二光闸、第一平面反射镜和第二平面反射镜、线性促动器、一维位移台、探测器；第一透镜和第二透镜组成4f系统，将成像镜组所成实像传递到探测器；经过成像镜组与第一个透镜之后的散射光场被分光棱镜分为透射光与反射光，其中透射光经第二平面反射镜反射，原路返回再经分光棱镜反射作为参考光；反射光经第一平面反射镜反射后发生偏转后，通过分光棱镜作为剪切光；两个光闸主要用于辅助参数标定；第二平面反射镜固定在一维位移台上，一维位移台由线性促动器控制移动；参考光与剪切光在重叠区域内干涉，并由探测器采集；
控制采集处理模块主体是一台计算机，用于控制线性促动器带动一维位移台移动、同时控制探测器记录加载前后样品散斑图像数据，利用软件处理分析数据，获得样品的应变与离面形变分布。
使用该系统测量样品应变与离面形变的具体方法如下：
①调节成像镜组，使样品的目标区域在探测器上清晰成像；
②使用参数标定模块标定测量视场尺寸，使用照明成像模块获取两束标定激光同时照明样品的未剪切强度图像，并使用光强峰值提取方法获得两束平行光束中心位置像素坐标S1(x1,y1)、S2(x2,y2)，并根据已知的平行光束间距D，计算得到单像素代表的实际尺寸L为
根据探测器的总像素数目计算得到系统的实际测量区域尺寸；
③遮挡一束平行光束，使用偏振同轴照明成像模块，获得平行光束分别经过两剪切光路的强度图像I1、I2，使用图像相关算法计算得到平行光束的中心间距像素数目为N，则系统剪切量为NL；
④针对动态加载的样品测量需求，调小狭缝宽度并增大第一平面反射镜倾角，使一级频谱与零级频谱完全分开，使用傅里叶变换法提取剪切散斑干涉图的一级频谱，处理获得干涉相位信息；或者针对静态加载或者精度要求较高的样品测量需求，调大狭缝宽度并减小第一平面反射镜倾角，提高系统光通量与信噪比，结合时间相移法，使用控制采集处理模块周期性改变线性促动器的驱动电压，使线性促动器带动一维位移台上的第二平面反射镜一起周期性移动，每移动到一个位置拍摄一幅剪切散斑干涉图，综合分析处理多幅剪切散斑干涉图，处理获得干涉相位信息；
⑤在样品加载前后的干涉相位信息分别记为
与
使用加载后相位分布
减去加载前相位分布
根据相位变化与应变的对应关系即可得到应变测量结果，具体表达式如下：
其中，λ为激光波长，Δx为系统沿x方向的剪切量，由参数标定模块进行标定；对应变分布进行累加求和，即可得到离面形变测量结果：
其中，xi表示x方向第i个像素，W(0,y)表示积分零点的形变初值，一般设为0。同理，沿y方向剪切干涉时，具体表达式如下：
其中，Δy为系统沿y方向的剪切量，由参数标定模块进行标定；对应变分布进行累加求和，即可得到离面形变测量结果：
其中，yi表示y方向第i个像素，W(x,0)表示积分零点的形变初值，一般设为0。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.相比在先技术1、在先技术2，本发明可根据样品目标区域的实际测量范围，现场调节并精确标定系统的测量视场与剪切量，提高了系统现场调节与现场关键参数精确标定能力，从而调节应变测量动态范围与检测灵敏度，系统操作方便，实用性强，测量精度高。
2.相比在先技术1、在先技术2，本发明可根据静态或动态加载情况，现场调节系统参数，并应用时间移相或空间载波相位提取方法，实现金属样品、复合材料等待测对象应变与离面形变的动态高速或静态高精度测量。
3.相比在先技术1、在先技术2，本发明采用偏振同轴照明方式，提高了光能利用率与成像质量，实现大视场、高亮度、高均匀性的照明与高质量探测。
附图说明
图1为本发明偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统实施例的光路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的具体技术方案，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统实施例的光路图，如图所示，包括参数标定模块、偏振同轴照明成像模块、剪切干涉探测模块和控制采集处理模块。
参数标定模块，包括标定激光器101、光纤分束器2、第一准直镜301和第二准直镜302；标定激光器101产生的激光经过光纤分束器2分为两束，分别经过第一准直镜301和第二准直镜302，输出平行光束垂直照明样品9，两束平行光束的出射点与两个准直镜高度相等且间距已知；光束直径远小于样品9的尺寸，用于标定测量视场与剪切量。
偏振同轴照明成像模块，包括一个线偏振输出激光器102、扩束器4、二分之一波片501和四分之一波片502、偏振分光棱镜6、成像镜组7、狭缝8；线偏振输出激光器102产生的线偏振光出射，由扩束器4转换为发散光束，经过二分之一波片501转换为s光，由偏振分光棱镜6反射，经过四分之一波片502和成像镜组7照射样品(9)，漫反射光在自由空间内传输，经过狭缝8、成像镜组7与四分之一波片502，转换为p光透射经过偏振分光棱镜6；其中狭缝8作为孔径光阑，紧贴镜组前表面放置，不影响成像镜组7的视场；
剪切干涉探测模块，包括第一透镜1001和第二透镜1002、分光棱镜11、第一光闸1201和第二光闸1202、第一平面反射镜13和第二平面反射镜(14)、线性促动器15、一维位移台(16)、探测器17；第一透镜1001和第二透镜(1002)组成4f系统，将成像镜组7所成实像传递到探测器17；经过成像镜组7与第一个透镜1001之后的散射光场被分光棱镜11分为透射光与反射光，其中透射光经第二平面反射镜14反射，原路返回再经分光棱镜11反射作为参考光；反射光经第一平面反射镜(13)反射后发生偏转后，通过分光棱镜11作为剪切光；两个光闸主要用于辅助参数标定；第二平面反射镜14固定在一维位移台16上，一维位移台16由线性促动器15控制移动；参考光与剪切光在重叠区域内干涉，并由探测器17采集。
控制采集处理模块主体是一台计算机18，用于控制线性促动器15带动一维位移台16移动、同时控制探测器17记录加载前后样品散斑图像数据，利用软件处理分析数据，获得样品的应变与离面形变分布。
本发明形变与离面形变的测量方法，主要包括以下步骤：
1)在测量开始之前，对系统参数进行标定。将狭缝8调至最大，打开标定激光器101，调整第一准直镜301和第二准直镜302；使得其照明在样品9表面的光可到达探测器17，固定并测量第一准直镜301和第二准直镜302的间距。
初始状态系统剪切量为0，即第一平面反射镜13倾斜，且第一光闸1201处于关闭状态，第二光闸1202保持开启状态，探测器17可拍摄到两个激光光斑，此时两个光斑处于平行等高的位置，且光斑大小一致；对两个光斑分别进行峰值位置提取，获得两个光斑中心位置的像素坐标，两者作差获得两光斑的像素间距，结合已记录的两激光出射位置空间距离，计算得到每个像素对应的实际尺寸，完成测量视场标定：296.21mm×247.81mm。
2)在完成视场标定之后，打开第一光闸1201，微调第一平面反射镜13的倾角，通过探测器17观察到样品9表面的光束，分别关闭第一光闸1201和第二光闸1202，分别获得两张光束强度图像，并进行互相关运算，确定剪切光斑的中心像素间距，利用标定好的视场参数，换算得到剪切量的实际尺寸，完成剪切量标定：动态加载测量时25.65mm、静态加载测量时11.53mm。
3)正式测量时，打开线偏振输出激光器102，调整扩束器4与线偏振输出激光器102的间距以及角度，使发散的高斯光束能够完全照明样品9目标区域；
4)在进行静态加载测量时，选用精度更高的时间移相法，将狭缝调整至合适宽度，保证系统光通量的同时最大程度限制散斑尺寸；通过线性促动器15控制一维位移台16进行等间距的移动，其每次移动的距离对应
对应的相位差均为
控制探测器17分别拍摄四副剪切散斑干涉图，利用四步移相算法提取相位分布；在加载之后，重复上述操作，获取加载后的相位分布，使用式1)和式2)计算得到应变与离面形变分布。
5)在进行动态加载测量时，选用时效性更好的空间载波傅里叶分析法，将狭缝8调整至合适宽度，保证傅里叶频谱分析时一级频谱与零级频谱完全分开，利用相应尺寸的窗函数提取一级频谱，通过反正切关系计算得到相位分布；在动态加载过程中，利用探测器17实时采集剪切散斑干涉图并计算提取每一监控时刻的相位分布，使用式1)和式2)计算得到应变与离面形变分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特征在于：包括
参数标定模块，用于产生两束平行光束垂直照明样品，作为标定激光，标定测量视场尺寸与剪切量；
偏振同轴照明成像模块，至少包括成像镜组(7)和紧贴该成像镜组(7)表面的狭缝(8)，用于产生线偏振光，并获取两束标定激光同时照明样品的未剪切强度图像，以及获取平行光束分别经过两剪切光路的强度图像；
剪切干涉探测模块，至少包括由焦距相同的第一透镜(1001)和第二透镜(1002)组成4f系统、分光棱镜(11)、第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)、探测器(17)以及供第二平面反射镜(14)放置的机械移相装置，所述的4f系统将所述的成像镜组(7)所成实像传递到探测器(17)，经样品反射的漫反射光在自由空间内传输，通过狭缝(8)、成像镜组(7)与第一透镜(1001)后的散射光场经分光棱镜(11)分为透射光与反射光，所述的透射光经第二平面反射镜(14)反射，原路返回再经分光棱镜(11)反射作为参考光，所述的反射光经一定角度倾斜放置的第一平面反射镜(13)反射后发生偏折，再经所述的分光棱镜(11)透射后作为剪切光，所述的参考光与剪切光在重叠区域内干涉，并由探测器(17)采集；
控制采集处理模块，用于控制机械移相装置按固定步长移动，控制探测器(17)记录加载前后样品散斑图像数据，利用软件处理分析数据，获得样品的应变与离面形变分布。
2.根据权利要求1所述的偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特征在于：所述的参数标定模块，包括标定激光器(101)、光纤分束器(2)、第一准直镜(301)和第二准直镜(302)；
所述的标定激光器(101)产生的激光经过光纤分束器(2)分为两束，分别经过第一准直镜(301)和第二准直镜(302)，输出平行光束垂直照明样品(9)，两束平行光束的出射点与两个准直镜高度相等且间距已知；光束直径远小于样品(9)的尺寸，用于标定测量视场与剪切量。
3.根据权利要求1所述的偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特征在于：所述的偏振同轴照明成像模块，包括线偏振输出激光器(102)、扩束器(4)、二分之一波片(501)、四分之一波片(502)、偏振分光棱镜(6)、成像镜组(7)、狭缝(8)；
所述的线偏振输出激光器(102)产生的线偏振光出射，由扩束器(4)转换为发散光束，经过二分之一波片(501)转换为s光，由偏振分光棱镜(6)反射，经过四分之一波片(502)和成像镜组(7)照明样品(9)，漫反射光在自由空间内传输，经过狭缝(8)、成像镜组(7)与四分之一波片(502)，转换为p光经过偏振分光棱镜(6)透射。
4.根据权利要求1所述的偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特征在于：所述的剪切干涉探测模块，包括第一透镜(1001)和第二透镜(1002)、分光棱镜(11)、第一光闸(1201)和第二光闸(1202)、第一平面反射镜(13)和第二平面反射镜(14)、机械移相装置、探测器(17)；第一透镜(1001)和第二透镜(1002)组成4f系统，将成像镜组(7)所成实像传递到探测器(17)；经过成像镜组(7)与第一个透镜(1001)之后的散射光场被分光棱镜(11)分为透射光与反射光，其中透射光经第二平面反射镜(14)反射，原路返回再经分光棱镜(11)反射作为参考光；反射光经第一平面反射镜(13)反射后发生偏转后，通过分光棱镜(11)作为剪切光；两个光闸主要用于辅助参数标定；第二平面反射镜(14)固定在机械移相装置上，参考光与剪切光在重叠区域内干涉，并由探测器(17)采集。
5.根据权利要求4所述的偏振同轴照明激光剪切散斑干涉测量系统，其特征在于：所述的机械移相装置包括线性促动器(15)和一维位移台(16)一维位移台(16)由线性促动器(15)控制移动，所述的第二平面反射镜(14)固定在所述的一维位移台(16)上。
6.一种基于激光剪切散斑干涉的应变与离面形变测量方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
①调节成像镜组(7)，使样品的目标区域在探测器(17)上清晰成像；
②标定测量视场尺寸，使用照明成像模块获取两束标定激光同时照明样品的未剪切强度图像，并使用光强峰值提取方法获得两束平行光束中心位置像素坐标S1(x1,y1)、S2(x2,y2)，并根据已知的平行光束间距D，计算得到单像素代表的实际尺寸L为
根据探测器(17)的总像素数目计算得到系统的实际测量区域尺寸；
③遮挡一束平行光束，使用偏振同轴照明成像模块，获得平行光束分别经过两剪切光路的强度图像I1、I2，使用图像相关算法计算得到平行光束的中心间距像素数目为N，则系统剪切量为NL；
④针对动态加载的样品测量需求，调小狭缝(8)宽度并增大第一平面反射镜(13)倾角，使一级频谱与零级频谱完全分开，使用傅里叶变换法提取剪切散斑干涉图的一级频谱，处理获得干涉相位信息；或者针对静态加载或者精度要求较高的样品测量需求，调大狭缝(8)宽度并减小第一平面反射镜(13)，倾角提高系统光通量与信噪比，结合时间相移法，使用控制采集处理模块周期性改变线性促动器(15)的驱动电压，使线性促动器(15)带动一维位移台(16)上的第二平面反射镜(14)一起周期性移动，每移动到一个位置拍摄一幅剪切散斑干涉图，综合分析处理多幅剪切散斑干涉图，处理获得干涉相位信息；
⑤在样品加载前后的干涉相位信息分别记为
与
使用加载后相位分布
减去加载前相位分布
根据相位变化与应变的对应关系即可得到应变测量结果，沿x方向剪切干涉时，公式如下：
其中，λ为激光波长，Δx为系统沿x方向的剪切量，由参数标定模块进行标定；对应变分布进行累加求和，即可得到离面形变测量结果：
其中，xi表示x方向第i个像素，W(0,y)表示积分零点的形变初值，一般设为0；同理，沿y方向剪切干涉时，公式如下：
其中，Δy为系统沿y方向的剪切量，由参数标定模块进行标定；对应变分布进行累加求和，即可得到离面形变测量结果：
其中，yi表示y方向第i个像素，W(x,0)表示积分零点的形变初值，一般设为0。
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