大剪切载频电子散斑干涉位移场分离方法

摘要

本发明提供了一种大剪切载频电子散斑干涉位移场分离方法。该分离方法为：在剪切电子散斑干涉系统中，将被测物体旁边放置一参考物，用对称双光束分别同时照明被测物体和参考物；通过大剪切棱镜实现散斑干涉，将参考物偏转引入载波调制条纹；根据物体变形的大小，适量偏转参考物角度，以调节空间频率，实现位移场的调制；被测物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形；利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面和面内位移信息的二幅位相图；二相位图解包络后，进行代数运算将面内位移场与离面位移场分离。本发明具有调制条纹质量好，系统简单，不需要参考光等优点，能够快速、稳定地测量物体变形场二维分量。

说明书

技术领域

本发明涉及载频电子散斑干涉位移场的分离方法。

背景技术

剪切电子散斑干涉技术具有光路简单、自动化程度高、防震的要求低、可直接测量位移的导数场等优点，广泛地应用于无损检测领域。利用大错位晶体棱镜(Wollaston棱镜)的剪切电子散斑干涉技术则可以实现散斑干涉的位移测量，具有系统简单、不需要专门引入参考光，条纹质量好等优点。为高精度分析变形场的干涉条纹，常用相移法和载波法实现变形场的位相测量。与相移方法相比，干涉条纹空间调制的载波方法不需要精密的相移设备，对测量的环境要求低，具有适合动态测量的优点，在实际应用中有重要价值。由于光干涉计量都是基于干涉条纹来进行位移场测量的，干涉条纹的质量对测量结果的影响很大。特别是干涉条纹空间调制载波方法，更需要有高对比度条纹。全息干涉术和云纹干涉得到的干涉条纹对比度比较高，该方法在全息术及云纹干涉中应用较多。该方法也被引入到电子散斑干涉中，但是散斑条纹的高噪声，限制了该技术的发展。近年来，随着数字图像处理技术的发展，该方法又引起了人们的重视。

发明内容

本发明针对现有电子散斑干涉技术存在的不足，提供一种能够快速、稳定地测量物体变形场二维分量的大剪切载频电子散斑干涉位移场分离的方法。

本发明大剪切载频电子散斑干涉位移场分离方法为：

在剪切电子散斑干涉系统中，将被测物体旁边放置一参考物，用对称双光束分别同时照明被测物体和参考物；通过大剪切棱镜实现散斑干涉，将参考物偏转引入载波调制条纹；根据物体变形的大小，适量偏转参考物角度，以调节空间频率，实现位移场的调制；被测物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形；利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面和面内位移信息的二幅位相图；二相位图解包络后，进行代数运算将面内位移场与离面位移场分离。

本发明通过大剪切棱镜实现散斑干涉，使得系统简单；通过参考物的偏转引入载波调制条纹，得到了高质量的调制条纹，具有条纹对比度高的优点。根据空间频率与参考物偏转角度之间的关系，很方便地得到位移场的调制。结合傅里叶变换方法，可以通过简单的位相运算将面内位移场与离面位移场分离。本发明提出了大剪切载波调制分离位移场的方法，具有调制条纹质量好，系统简单，不需要参考光等优点，能够快速、稳定地测量物体变形场二维分量。

附图说明

图1为大剪切电子散斑干涉载频调制光路示意图。

图2为加载前照明光11照明物体时的载波条纹图。

图3为加载后照明光11照明物体时的调制载波条纹图。

图4为加载前照明光12照明物体时的载波条纹图。

图5为加载后照明光12照射物体时受物体变形调制发生弯曲后的调制载波条纹图。

图6为照明光11照明时解调出的包络位相图。

图7为照明光12照明时解调出的包络位相图。

图8为分离出的水平位移分量u场的等位移分布图。

图9为分离出的离面位移分量w场的等位移分布图。

图中：1、可变分光镜，2、反射镜2，3、摄像机，4、透镜，5、偏振片，6、大剪切棱镜，7、扩束镜1，8、扩束镜2，9、反射镜1，10、反射镜3，11、照明光1，12、照明光2，13、被测物体，14、参考物。

具体实施方式

实施例

大剪切电子散斑干涉载频调制光路如图1所示。激光束经过分光成为二束：经过可变分光镜1、反射镜9和扩束镜7，成为照明光11；经过可变分光镜1、反射镜2、反射镜10和扩束镜8，成为照明光12。调节可变分光镜1，可使照明光11和照明光12等光强。被测物体13旁边固定放置一参考物14，照明光11和照明光12均能同时照明二物体。当照明光11或者照明光12照明物体时，物体的漫反射光经过大剪切棱镜6、偏振片5，再经透镜4进入摄像机3。

正入射的光束进入棱镜6，棱镜6产生两个错位的像。将棱镜6和偏振片5置于摄像机3的镜头前面(见图1)，若棱镜6的错位角很大，则物体自身由于错位而在摄像机3靶面形成的二个像可完全分离，而与放在物体旁边的参考物14的一个像相叠加。当入射光同时照射在被测物体13和参考物14上，用大错位棱镜6可以使摄像机3同时接受物光和参考光的信息，但物光和参考光的偏振方向相互垂直，为使这两束振动方向不同的偏振光干涉，在错位棱镜6后还要布置一偏振片5，其偏振方向与错位棱镜的两光轴成45°。这样使物光和参考光信息在摄像机3的靶面上实现同轴偏振相干，而且光强几乎相等，从而有好的干涉结果。

物体变形前由二光束分别照明，分别采集一幅物体未加载的原始散斑图像存入计算机中。随后，对应二光束分别照明采集物体在其他状态的图像，并每一幅图像与第一幅图像相减，相减后的结果实时地显示在监视器上。期间参考物偏转可引入载波条纹，当物体有变形时，载波条纹受物体的变形的调制而发生弯曲。

干涉条纹场经线性调制后，变成密集的、含有变形信息的载波条纹。受调制的载波条纹可表述为

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[Δφ(x，y)+2πf₀x]    (1)

其中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹幅值，b(x，y)/a(x，y)常称为条纹对比度，Δφ(x，y)为物体变形引起的位相变化，即待求位相，它们都是空间位置的函数。式中f₀是参考物偏转引入的沿x轴方向的空间频率。由理论推导可知：