TWI577976B - 用於測量面內振動的光學系統及方法 - Google Patents

Description

用於測量面內振動的光學系統及方法

本發明係有關一種光學測量系統及其方法，特別是一種應用於測量面內振動的光學測量系統及方法。

智慧型材料為結合精密致動與感測，並且考量結構強度的一種全方位材料的統稱。壓電材料是具有潛力與發展性的智慧型材料之一，已廣泛運用於精密工業致動感測設備當中，其中，壓電式致動器是目前最常使用於微幫浦中的一種致動器，其構造簡單且製程容易，反應速度快，因此壓電微幫浦系統的研究是目前改善微流體控制的發展目標。對於需要穩定致動的幫浦系統來說，壓電材料的應用與特性，例如壓電材料在不同狀況之下的共振特性是目前重要的研究方向。

電子斑點干涉術(Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI)是一種常見的材料動態分析量測方法，他擁有即時、非接觸、全域式測量的優點，並可同時量測試片振動時的共振頻率與振動模態。電子斑點干涉術由全相術(Holography)演變而來，以兩道同調光源射向待測物及參考平面藉由兩道光之光程差的變化得到待測物的變形資料，且透過相關拍攝程式可即時的在電腦螢幕上獲得待測物的變形量。該技術是利用影像感測元件及電子處理技術記錄全場成像圖形，用來量測物體表面變形。量測原理為物體表面發生變形時，物體觀測面上光斑產生的微小位移的變 化，造成與參考面之光斑有光程相位的變化而形成干涉條紋，利用例如零階貝索函數等數值方法調制干涉條紋，可由全場干涉圖形獲得振動位移的分佈情形。

物體的振動位移方式可分為與物體表面垂直的面外位移，以及與物體表面平行的面內位移，而因應不同位移方向須使用不同的光路架設。常見量測物體振動模態的方法是將物體放置於架設光路中的待測位置，並以一個訊號產生器輸出一穩態振動訊號至該物體。ESPI測量方法應用於物體的面外位移可獲得光波長等級的精度，然而，當輸入訊號的頻率低於10kHz時，上述ESPI測量方法應用於物體的面內位移量測卻無法獲得精確的結果。

有鑑於此，為解決上述低頻面內振動模態量測的問題，本發明提供一種光學測量系統及方法，利用剪切干涉術(Shearography)的光路架設方法並採用雙反射鏡面，對產生的疊合虛像進行光學量測，以獲得低頻的面內振動模態；此外，本發明可利用轉動反射鏡產生不同虛像疊合位置來量測不同面內振動方向的振動模態，無須更動待測物的位置或改變測量系統的光路設置，具有步驟簡單易於實施的特性。

為達上述目的，本發明提供一種光學測量系統，用以測量一待測物的面內振動，該光學測量系統包括一光源、一分光元件、一第一反射元件、一第二反射元件、一影像感測元件、一影像處理元件和一顯示元件，其中第一反射元件和第二反射元件分別設置於分光元件的兩側，且位於使一光線從分光元件到第一反射元件和到該第二反射元件的光程相等的位置；前述光源發射一同調光到一待測物；該待測物散射的光入射到前述分光元件，入射至該分光元件的光線一部分被該分光元件反射，另一部分 則穿透該分光元件；前述第一反射元件反射來自該分光元件的反射光線，而前述第二反射元件反射穿透該分光元件的光線；該第一反射元件和該第二反射元件反射的光線在前述影像感測元件上形成疊合的影像；前述影像處理元件控制該影像感測元件的影像擷取並從該影像感測元件接收擷取的影像資訊，再對該影像資訊進行計算處理；而前述顯示元件則從該影像處理元件接收經過計算處理的影像資訊並顯示該影像。

於實施時，前述第一反射元件和第二反射元件為可轉動者，藉以調整第一反射元件和第二反射元件的光線反射角度。

於實施時，前述影像處理元件以均時法對該影像資訊進行計算處理。

於實施時，前述光源為一雷射光，且該系統更包括一空間濾波器，該雷射光經過該空間濾波器濾除光線的繞射及散射，並使光線擴散以平均照射該待測物之一待測面。

於實施時，前述影像感測元件是一電荷耦合元件。

此外，本發明亦提供一種光學測量方法，用於測量一待測物的面內振動，該方法包括以下步驟：(1)以一光源發射一同調光到一待測物；(2)一成像步驟：將該待測物散射的光入射到一分光元件，入射至該分光元件的光線一部分被該分光元件反射至一第一反射元件，另一部分穿透該分光元件至一第二反射元件，該第一反射元件和該第二反射元件反射的光線在一影像感測元件上形成疊合的影像，其中該第一反射元件和該第二反射元件分別設置於該分光元件的兩側且位於使一光線從該分光元件到該第一反射元件和到該第二反射元件的光程相等的位置；以及 (3)一影像處理步驟：以一影像處理元件控制該影像感測元件的影像擷取，從該影像感測元件接收擷取的影像資訊，並對該影像資訊進行計算處理，將經過計算處理的影像資訊傳送至一顯示元件並顯示該影像。

於實施時，前述成像步驟更包括以下步驟：根據所需的光線反射角度轉動該第一反射元件和該第二反射元件中至少一者。

於實施時，前述影像處理步驟中，該影像處理元件以均時法對該影像資訊進行計算處理。

於實施時，前述光源為一雷射光，該雷射光經過一空間濾波器濾除光線的繞射及散射，並使光線擴散以平均照射該待測物之一表面。

於實施時，前述影像感測元件是一電荷耦合元件。

為對於本發明之特點與作用能有更深入之瞭解，茲藉實施例配合圖式詳述於後。

10‧‧‧待測物

15‧‧‧激振源

20‧‧‧光源

30‧‧‧分光元件

41‧‧‧第一反射元件

42‧‧‧第二反射元件

50‧‧‧影像感測元件

60‧‧‧影像處理元件

65‧‧‧顯示元件

41、42、43‧‧‧步驟

第1圖為本發明所提供的一種用以測量一待測物面內振動的光學測量系統之一實施例的示意圖。

第2A及2B圖分別為反射元件的轉動方向示意圖。

第3A及3B圖分別顯示一待測物在兩個正交方向上的面內振動模擬圖形。

第4圖為本發明所提供的一種用以測量一待測物面內振動的光學測量方法之一實施例的流程圖。

參照第1圖所示，其顯示本發明一種光學測量系統的一個實施例，包括一光源20、一分光元件30、一第一反射元件41、一第二反射元件42、一影像感測元件50、一影像處理元件60和一顯示元件65，其中第 一反射元件41和第二反射元件42分別設置於分光元件30的兩側，且位於使一光線從分光元件30到第一反射元件41和到第二反射元件42的光程相等的位置，以使第一和第二反射元件反射的光線經過分光元件後能在同一位置上聚焦。

應用上述系統測量一待測物10的面內振動時，首先，使光源20發射一同調光到待測物10的一個表面；待測物10散射的光入射到分光元件30後，入射至分光元件30的光線一部分被分光元件30反射，另一部分則穿透分光元件30；第一反射元件41反射來自分光元件30的反射光線，而第二反射元件42反射穿透分光元件30的光線；第一反射元件41和第二反射元件42反射的光線在影像感測元件50上形成疊合的影像；影像處理元件60控制影像感測元件50的影像擷取，並從影像感測元件50接收擷取的影像資訊，再對該影像資訊進行計算處理；最後，顯示元件65從影像處理元件60接收經過計算處理的影像資訊並顯示該影像。

本發明係利用電子斑點干涉術的原理來測量一待測物的面內振動，用於測量的待測物應具有一能散射光線的待測面，以使同調光照射到該待測面時能形成斑點干涉圖形。在一實施例中，待測物可為一智慧型材料，例如一壓電材料；在另一實施例中，待測物可為一揚聲器元件或一結構物材料。待測物的振動模式可由一激振源15輸出穩態訊號來控制，並可依需要加上一功率放大器來放大訊號。根據待測物的特性可選擇使用不同的激振源15。就壓電材料而言，該激振源15可為一函數產生器，實驗時以函數產生器輸入電壓作為壓電試片的激振信號。又例如一揚聲器元件作為待測物10，可由一函數產生器產生穩態訊號。若為結構物材料作為待測物10，則可由一振動器或喇叭接近待測物傳遞振動能量，故其他激振源15則可提供待測物10所需產生的振動。

本發明所提供的光源20發出的光為同調光，該同調光應能平均照射一定面積的待測面，以形成斑點干涉圖形。在一個實施例中，光源可為一雷射光；在一較佳的實施例中，光源可為一氦氖雷射，因為氦氖雷射具有較佳的同調性，且可達到次微米的量測精度。本發明所提供的光學測量系統可更包括一空間濾波器，用於濾除空氣中的灰塵或光學元件上的瑕疵造成的光雜訊並使光束擴散；雷射光經過空間濾波器濾除光線的繞射及散射以及擴散，得以平均地照射在待測物的待測面上。

在一個實施例中，第一反射元件41和第二反射元件42為可轉動者，以改變其反射面的法線方向，如第2A和2B圖所示，藉此調整光線反射角度。

在一個實施例中，影像感測元件50可為一電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)。在一個實施例中，影像處理元件60可以是一電腦，而顯示元件65可以是一螢幕。影像處理元件60可以均時法(Time-Averaging Method)對從影像感測元件50接收的影像資訊進行計算處理，特點是在影像感測元件50的曝光時間內擷取振動中的待測物在不同時間的影像，以零階貝索函數(zero-order Bessel Function)調制干涉條紋，圖形中干涉影像最亮的部分為節線區(nodal line)位移為零，而亮暗相間的條紋為等位移線的分佈，故可由全場干涉圖形直接獲得振動位移的分佈情形。

本發明亦提供一種光學測量方法，用於測量一待測物的面內振動。第4圖顯示本發明的光學測量方法的一個實施例的流程圖，其包含以下步驟：在步驟41中，以一光源發射一同調光到一待測物；步驟42為一成像步驟，在此步驟中，將該待測物散射的光入射到一分光元件，入射至該分光元件的光線一部分被該分光元件反射至一第一反射元件，另一部 分穿透該分光元件至一第二反射元件，該第一反射元件和該第二反射元件反射的光線在一影像感測元件上形成疊合的影像，其中該第一反射元件和該第二反射元件分別設置於該分光元件的兩側且位於使一光線從該分光元件到該第一反射元件和到該第二反射元件的光程相等的位置；步驟43為一影像處理步驟，在此步驟中，以一影像處理元件控制該影像感測元件的影像擷取，從該影像感測元件接收擷取的影像資訊，並對該影像資訊進行計算處理，將經過計算處理的影像資訊傳送至一顯示元件並顯示該影像。

本發明的方法中，用於測量的待測物應具有一能散射光線的待測面，以使同調光照射到該待測面時能形成斑點干涉圖形。在一個實施例中，前述待測物為一智慧型材料，例如一壓電材料。在一個實施例中，可使用一函數產生器來控制待測物的振動模式，並可依需要加上一功率放大器來放大訊號。在一個實施例中，當待測物為一壓電試片時，可使用函數產生器輸入電壓來激振壓電試片。

在一個實施例中，前述光源可為一雷射光；在一較佳的實施例中，光源可為一氦氖雷射。在一個實施例中，前述雷射光可經過一空間濾波器濾除光線的繞射及散射，並使光線擴散以平均照射該待測物之一待測面。

在一個實施例中，前述方法的成像步驟中更包括以下步驟：根據所需的光線反射角度轉動該第一反射元件和該第二反射元件中至少一者。

在一個實施例中，前述影像感測元件可為一CCD。在一個實施例中，前述影像處理元件可以是一電腦，而前述顯示元件可以是一螢幕。前述影像處理元件可以均時法對從影像感測元件接收的影像資訊進行計算處理。

在本發明所提供的光學測量方法和系統中，待測物散射的光線經分光元件分光，分別入射至第一反射元件和第二反射元件，第一反射元件和第二反射元件反射的光線可分別在影像感測元件上形成干涉影像，在第一反射元件和第二反射元件形成的干涉影像未疊合時，其分別包含待測物的面外震動資訊。此時以如第2B圖的方向轉動第一反射元件和第二反射元件中的一或兩者可改變光線的反射路徑，進而使兩個干涉影像在一個方向上疊合。第3A及3B圖分別顯示在一待測物的待測面的兩個正交方向(U方向和V方向)上的面內振動模擬圖形。由於重疊的干涉影像顯示的量測結果與第3A及3B圖顯示的數值模擬之面內模態振型相似，因此，該疊合的影像應包含面內振動的干涉訊息，此系統架設形成的光路使得兩組影像的面外干涉圖形的相位互為相對的正負值，故當兩影像疊合後可完全抵銷使得光路殘留於面內的干涉向量最終呈現於影像中。此外，將第一反射元件和第二反射元件中的一或兩者以如第2A圖的方向轉動可改變影像重疊的方向，使兩個影像在另一個方向上疊合，藉此可產生不同面內振動方向的對應結果。以傳統的剪切干涉術測量物體的振動模態時，所獲得的結果為待測物的應變量，必須經過計算轉換才能得到振動的位移量，相較之下，使用本發明的方法可直接獲得物體的振動的位移量，而不需要經過額外的計算轉換。

因此，本發明具有以下優點：

1.本發明所提出的光學測量系統和方法具有非接觸及全域量測的優點，且能對面內振動進行即時量測。

2.本發明所提出的光學測量系統和方法能用於測量低頻的面內振動模態。

3.本發明所提出的光學測量系統和方法可利用轉動反射元件產生不同 虛像疊合位置來量測不同面內振動方向的振動模態，無須更動待測物的位置或變更測量系統設置，其步驟簡單且易於實施。

4.本發明所提出的光學測量系統和方法毋需經過額外的計算轉換步驟即可直接獲得待測物的面內振動位移量。

綜上所述，本發明所提供的一種光學測量系統及方法確實可達到預期之目的，能獲得低頻的面內振動模態，且透過簡單的步驟即可量測不同面內振動方向的振動模態，無須更動待測物的位置或變更測量系統設置，具有步驟簡單且易於實施的特性。其確具產業利用之價值，爰依法提出發明專利申請。

又上述說明與圖示僅是用以說明本發明之實施例，凡熟於此業技藝之人士，仍可做等效的局部變化與修飾，其並未脫離本發明之技術與精神。

10‧‧‧待測物

15‧‧‧激振源

20‧‧‧光源

30‧‧‧分光元件

41‧‧‧第一反射元件

42‧‧‧第二反射元件

50‧‧‧影像感測元件

60‧‧‧影像處理元件

65‧‧‧顯示元件

Claims (10)

1. 一種光學測量系統，用於測量一待測物的面內振動，該系統包括：一光源，其發射一同調光到一待測物；一分光元件，該待測物散射的光入射到該分光元件，入射至該分光元件的光線一部分被該分光元件反射，另一部分則穿透該分光元件；一第一反射元件和一第二反射元件，其分別設置於該分光元件的兩側，且位於使一光線從該分光元件到該第一反射元件和到該第二反射元件的光程相等的位置，該第一反射元件反射來自該分光元件的反射光線，而該第二反射元件反射穿透該分光元件的光線；一影像感測元件，該第一反射元件和該第二反射元件反射的光線在該影像感測元件上形成疊合的影像；一影像處理元件，其控制該影像感測元件的影像擷取，從該影像感測元件接收擷取的影像資訊，並對該影像資訊進行計算處理；以及一顯示元件，其從該影像處理元件接收經過計算處理的影像資訊並顯示該影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學測量系統，其中該第一反射元件和該第二反射元件為可轉動者，藉以調整該第一反射元件和該第二反射元件的光線反射角度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學測量系統，其中該影像處理元件以均時法對該影像資訊進行計算處理。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學測量系統，其中該光源為一雷射光，且該系統更包括一空間濾波器，該雷射光經過該空間濾波器濾除光線的繞射及散射，並使光線擴散以平均照射該待測物之一待測面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學測量系統，其中該影像感測元件是一電荷耦合元件。
6. 一種光學測量方法，用於測量一待測物的面內振動，該方法包括以下步驟：(1)以一光源發射一同調光到一待測物；(2)一成像步驟：將該待測物散射的光入射到一分光元件，入射至該分光元件的光線一部分被該分光元件反射至一第一反射元件，另一部分穿透該分光元件至一第二反射元件，該第一反射元件和該第二反射元件反射的光線在一影像感測元件上形成疊合的影像，其中該第一反射元件和該第二反射元件分別設置於該分光元件的兩側且位於使一光線從該分光元件到該第一反射元件和到該第二反射元件的光程相等的位置；以及(3)一影像處理步驟：以一影像處理元件控制該影像感測元件的影像擷取，從該影像感測元件接收擷取的影像資訊，並對該影像資訊進行計算處理，將經過計算處理的影像資訊傳送至一顯示元件並顯示該影像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學測量方法，其中該成像步驟更包括以下步驟：根據所需的光線反射角度轉動該第一反射元件和該第二反射元件中至少一者。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學測量方法，其中該影像處理步驟中，該影像處理元件以均時法對該影像資訊進行計算處理。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光學測量方法，其中該光源為一雷射光，該雷射光經過一空間濾波器濾除光線的繞射及散射，並使光線擴散以平均照射該待測物之一待測面。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光學測量方法，其中該影像感測元件是一電荷耦合元件。