CN106403836B - 基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置及测量方法，激光器出射光被分光棱镜分为第一束光和第二束光；第一束光经另一分光棱镜反射到单色CCD相机成像靶面上，构成参考光路；第二束光经平面镜反射照射在被测物体表面，形成激光散斑场，单色CCD相机从与光轴对称的双方向同时接收激光散斑场，构成两个物光路；通过切换参考光路和物光路的开闭，形成同步测量的数字散斑干涉光路和剪切数字散斑干涉光路，提取散斑干涉条纹相位和剪切散斑干涉条纹相位，测得被测物体表面变形和斜率。本发明实现了被测物体变形及其斜率信息的同步、独立测量，无需重复加载和后期分离；采用相移技术，提高测量精度；构建测量灵敏度可调且物光共用的散斑干涉双光路，使系统整体结构简单、紧凑。

Description

基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种数字散斑干涉测量方法。

背景技术

数字散斑干涉技术和剪切数字散斑干涉技术是两种基于激光散斑干涉技术的全场、非接触、高精度、高灵敏度的光学测量技术。前者广泛应用于物体表面的变形测量、振动分析、形貌测试和缺陷检测等，而后者可直接测量物体变形的斜率，主要应用于工业无损检测领域。整合数字散斑干涉技术和剪切数字散斑干涉技术开展物体变形及其斜率信息的同步测量研究，对于解决具有相对较大变形和相对较小斜率物体的内部缺陷无损检测问题显得较为方便，这也为实现工程结构中不同类型缺陷的无损检测提供了多种选择。

目前基于数字散斑干涉技术的物体变形及其斜率同时测量方法主要分成三类：第一类是多孔径剪切数字散斑干涉技术，该技术需针对不同测试对象制作专门的多孔径模板，光路系统较为复杂，且获得的变形及其斜率信息相互耦合，并不独立；第二类是迈克尔逊式剪切数字散斑干涉技术，该技术获得的载频变形信息和斜率信息相互耦合，不独立，需在频域中设置适合的频率窗口将其进行后期分离。这种技术虽适合变形及其斜率信息的动态测量，但测量精度不高；第三类是数字散斑干涉技术与剪切数字散斑干涉技术的组合，该技术虽能独立获得变形及其斜率信息，但不能实现变形及其斜率信息的同步测量。

综上所述，已有技术均不能实现变形及其斜率信息的同步、独立和高精度测量，因而严重阻碍了数字散斑干涉测量技术的发展和应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置及测量方法，能够实现被测物体离面变形及其斜率信息的同步、独立和高精度测量，使测量装置结构简单、测量方法便捷。

技术方案：本发明提供了一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，包括激光发射器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、单色CCD相机、平面镜、侧面全反直角三棱镜、透镜、压电陶瓷相移器和计算机；

所述激光发射器发射的激光经第一分光棱镜分成反射光及透射光，分别对应参考光路和物光路，其中，透射光经平面镜反射到被测物体表面，沿光轴对称布置有两面平面镜，两面平面镜的连线中点上设有侧面全反直角三棱镜，其中一面平面镜的背面设有压电陶瓷相移器且其中一面平面镜与侧面全反直角三棱镜之间设有光学开关，被测物体表面散射的物光被两面平面镜反射依次通过沿光轴方向上布置的侧面全反直角三棱镜、透镜及第二分光棱镜进入到单色CCD相机成像靶面；此外，激光经第一分光棱镜分成的反射光经光学开关及第二分光棱镜也投射到单色CCD相机成像靶面上；

所述单色CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，所述压电陶瓷相移器通过直流稳压电源与计算机连接。

进一步，沿光轴对称布置的两面平面镜之间的距离可调，通过改变物光接收的角度，从而调整系统的测量灵敏度。

进一步，所述计算机控制压电陶瓷相移器驱动平面镜平移微小距离产生相移，光程差的改变导致相位的变化，可提高物体表面变形及其斜率的测量精度。

一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量方法，包括以下步骤：

(1)被测物体加载变形前，打开两个光学开关，单色CCD相机采集数字散斑干涉图像作为参考图像；

(2)被测物体加载变形后，单色CCD相机采集变形后数字散斑干涉图像，并与参考图像进行实时相减，得到实时的耦合数字散斑干涉条纹图；

(3)打开参考光路中的光学开关，并关闭一支物光路中的光学开关，使得整个系统成为数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形的全场测量；打开一支物光路中的光学开关，并关闭参考光路中的光学开关，使得整个系统成为剪切数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形斜率的全场测量；

(4)通过光学开关在数字散斑干涉光路和剪切数字散斑干涉光路之间切换，并利用计算机控制压电陶瓷相移器同步采集多幅具有等相移量的数字散斑干涉条纹图和剪切数字散斑干涉条纹图；

(5)利用相移技术解调被测物体的变形和斜率信息包裹相位图，并对其进行相位解包裹处理，得到两幅连续分布的相位图；

(6)利用两幅连续分布的相位图分别计算出被测物体的变形和斜率信息。

进一步，被测物体表面变形及其斜率分别表示为：

式中，λ为所用激光的波长，θ为接收物光与光轴的夹角，Δ_x为被测物体沿x方向的物面剪切量，δ_w对应被测物体表面离面变形的相位分布，δ_x对应被测物体表面离面变形斜率的相位分布。

有益效果：本发明散斑干涉光路的设置实现了数字散斑干涉光路和剪切数字散斑干涉光路的物光共用，降低了测量系统的复杂程度；可以实现物体变形及其斜率信息的同步一次性测量，无需重复加载，也可实现物体变形及其斜率信息的独立测量，不需要后期分离处理；采用相移技术，提高物体变形及其斜率信息的测量精度；采用双方向观察，实现测量灵敏度可调，使系统整体结构简单、紧凑。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2a为实施例中对应离面变形的散斑干涉条纹图；

图2b为实施例中对应斜率的剪切散斑干涉条纹图；

图2c为实施例中对应离面变形的连续相位分布图；

图2d为实施例中对应斜率的连续相位分布图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，如图1所示，包括激光发射器1、第一分光棱镜2、第一光学开关3、单色CCD相机4、第二分光棱镜5、成像透镜6、侧面全反直角棱镜7、第二光学开关8、第一平面镜9、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12和被测物体13。

激光发射器1沿水平方向发出激光，经过位于激光发射器1左边的第一分光棱镜2后分成反射光和透射光，因此形成参考光路和物光路。

物光路为分出的透射光经过第三平面镜11和第四平面镜12的反射到被测物体13表面，其中，第三平面镜11设置在分光棱镜左侧，而第四平面镜12位于第三平面镜11的上方，两面平面镜相互平行。透射光经过第一分光棱镜2沿平行光轴方向射出，与两面平面镜的入射角皆呈45°，使得经过反射的透射光能够沿着光轴方向垂直照射在被测物体13表面。第一平面镜9和第二平面镜10沿光轴对称布置，两面平面镜的连线中点上设置侧面全反直角三棱镜7，被测物体13、侧面全反直角三棱镜7、成像透镜6、第二分光棱镜5与单色CCD相机4沿光轴方向依次放置。在透射光照射被测物体13后，被测物体13表面散射的物光经过第一平面镜9和第二平面镜10的反射，通过侧面全反直角三棱镜7接收后经成像透镜6成像在单色CCD相机4成像靶面上。第一平面镜9和第二平面镜10中的其中一个背面设有压电陶瓷相移器，同时，其中一个平面镜与侧面全反直角三棱镜7之间设有第二光学开关8。

参考光路为第一分光棱镜2分出的反射光，沿垂直光轴方向射出，通过第一光学开关3，正好经过设置在成像透镜6和单色CCD相机4之间的第二分光棱镜5，投射到单色CCD相机4成像靶面上作为参考光。

倾斜第一平面镜9和第二平面镜10中的任意一面，使得从两个对称方向观察的两束物光在单色CCD相机4成像靶面上形成两个错位的图像；单色CCD相机4通过图像采集卡与计算机连接，压电陶瓷相移器通过直流稳压电源与计算机连接；打开参考光路中的第一光学开关3，并关闭一支物光路中的第二光学开关8，使得整个系统成为数字散斑干涉系统，实现被测物体13表面离面变形的全场测量；打开一支物光路中的第二光学开关8，并关闭参考光路中的第一光学开关3，使得整个系统成为剪切数字散斑干涉系统，实现被测物体13表面变形斜率的全场测量。

采用上述测量装置的测量方法具体操作如下：

步骤一：被测物体13加载变形之前，微调第一平面镜9和第二平面镜10，调节单色CCD相机4，打开所有的光学开关，使得被测物体13在单色CCD相机4中成像清晰重叠，大小适中，占满采集窗口；

步骤二：倾斜第一平面镜9和第二平面镜10中的一面，使得被测物体13的两个清晰成像发生错位，此时打开激光发射器1，并将光束照射在被测物体13上，光轴与第一平面镜9和第二平面镜10对称双观察方向的夹角记为θ，单色CCD相机4采集变形前的数字散斑干涉图像作为参考图像；

步骤三：对被测物体13进行加载，使其发生离面变形，采集变形后数字散斑干涉图像并与步骤二中参考图像进行实时相减，得到变形及其斜率耦合的数字散斑干涉条纹图像；打开参考光路第一光学开关3，关闭物光光路第二光学开关8，获得对应离面变形的数字散斑干涉条纹图，反之，获得对应斜率的剪切数字散斑干涉条纹图；

步骤四：通过压电陶瓷相移器驱动第一平面镜9或第二平面镜10产生微小平移，实现时间相移，配合参考光路与物光光路的光学开关切换操作，分别依次记录多幅具有等相移量的数字散斑干涉条纹图和剪切数字散斑干涉条纹图；

步骤五：选择合适的相移算法精确提取对应被测物体13变形及其斜率信息的两幅相位图，并将其进行相位解包裹处理，进一步得到两幅连续分布相位图；

步骤六：按照图1中所示x、y、z方向，被测物体13表面变形及变形斜率引起的相位变化可表示为：

式中，w表示被测物体13表面的离面变形，λ是所用激光的波长，θ表示接收物光与被测物体13表面法线的夹角，Δ_x表示被测物体13沿x方向物面剪切量。

根据式(1)、(2)，被测物体13表面变形及其斜率可最终表示为：

根据式(3)、(4)，结合两幅连续分布相位图，即可获得被测物体13离面变形及其斜率分量，w和

同理，若将两个物光路绕着光轴转动90°，即第一平面镜9、第二平面镜10和侧面全反直角棱镜7沿光轴旋转90°，按照上述步骤即可获得被测物体13离面变形及其另一斜率分量，即w和

本实施例以四周固支、中心受集中荷载物体表面为被测面，按本发明方法，使用波长为632.8nm的激光，物光接收角为10°，物面剪切量为6mm，测量被测物体13加载后的变形及其斜率信息w和测量结果如图2a～2d所示，表明本发明方法可以实现被测物体13的离面变形及其斜率信息的同步测量。

Claims (5)

1.一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，其特征在于：包括激光发射器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、单色CCD相机、平面镜、侧面全反直角三棱镜、透镜、压电陶瓷相移器和计算机；

所述激光发射器发射的激光经第一分光棱镜分成反射光及透射光，分别对应参考光路和物光路，其中，透射光经平面镜反射到被测物体表面，沿光轴对称布置有两面平面镜，两面平面镜的连线中点上设有侧面全反直角三棱镜，其中一面平面镜的背面设有压电陶瓷相移器且其中一面平面镜与侧面全反直角三棱镜之间设有光学开关，被测物体表面散射的物光被两面平面镜反射依次通过沿光轴方向上布置的侧面全反直角三棱镜、透镜及第二分光棱镜进入到单色CCD相机成像靶面；此外，激光经第一分光棱镜分成的反射光经光学开关及第二分光棱镜也投射到单色CCD相机成像靶面上；

所述单色CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，所述压电陶瓷相移器通过直流稳压电源与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，其特征在于：沿光轴对称布置的两面平面镜之间的距离可调。

3.根据权利要求1所述的基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，其特征在于：所述计算机控制压电陶瓷相移器驱动平面镜平移产生相移。

4.一种根据权利要求1所述的基于字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)被测物体加载变形前，打开两个光学开关，单色CCD相机采集数字散斑干涉图像作为参考图像；

(2)被测物体加载变形后，单色CCD相机采集变形后数字散斑干涉图像，并与参考图像进行实时相减，得到实时的耦合数字散斑干涉条纹图；

(3)打开参考光路中的光学开关，并关闭一支物光路中的光学开关，使得整个系统成为数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形的全场测量；打开一支物光路中的光学开关，并关闭参考光路中的光学开关，使得整个系统成为剪切数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形斜率的全场测量；

(4)通过光学开关在数字散斑干涉光路和剪切数字散斑干涉光路之间切换，并利用计算机控制压电陶瓷相移器同步采集多幅具有等相移量的数字散斑干涉条纹图和剪切数字散斑干涉条纹图；

(5)利用相移技术解调被测物体的变形和斜率信息包裹相位图，并对其进行相位解包裹处理，得到两幅连续分布的相位图；

(6)利用两幅连续分布的相位图分别计算出被测物体的变形和斜率信息。

5.根据权利要求4所述的一种根据权利要求1所述的基于字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置的测量方法，其特征在于：被测物体表面变形及其斜率分别表示为：

式中，λ为所用激光的波长，θ为接收物光与光轴的夹角，Δ_x为被测物体沿x方向的物面剪切量，δ_w对应被测物体表面离面变形的相位分布，δ_x对应被测物体表面离面变形斜率的相位分布。