一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法

摘要

一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法，属于光学成像技术领域。所述方法如下：红色和绿色激光分别通过光分束器，经反光镜和光束扩展器照射在被测物体上，在其表面发生反射，反射光经凸透镜通过剪切镜进行光的干涉，在CCD相机中采集干涉图像；通过压电陶瓷控制器控制PZT相移量，红色激光经彩色相机R通道，绿色激光经彩色相机G通道，分别被CCD相机同时记录；通过压力阀调节真空箱中的压强，压强值通过压力表显示；对干涉图像进行傅里叶变换，推算合成波长相位条纹数与单波长条纹数关系；计算面内位移导数阵和离面位移导数阵，根据该测量系统的光学几何特性，进而得到物体三维变形阵，实现物体三维变形测量。

说明书

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法。

背景技术

作为主要测量方法的数字散斑干涉法和混合光测方法在三维变形测量中已经取得了一定的研究成果，但仍然存在以下几个方面的问题：

(1)测量光路设置复杂操作不便、测量范围小、对环境和硬件设备要求高，不能满足工程环境测量。

(2)当测量由缺陷引起的深度变形时，导致CCD上采集到的散斑干涉条纹图过于密集，出现欠采样问题，常用的数字图像处理方法失效，无法得到真实相位。

(3)在散斑干涉条纹图像处理上，相位去噪滤波、提取和解包裹算法还存在去噪效果不明显、丢失或破坏有用信息、相位提取算法复杂度高、大计算量解包运行时间长等。

发明内容

本发明的目的是为了解决三维变形测量中存在的精度低、抗干扰性差的问题，提供一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法，所述方法步骤如下：

步骤一：两束不同波长的红色激光和绿色激光通过光分束器，并经反光镜和光束扩展器照射放置在真空箱内的被测物体上，在被测物体表面发生反射，反射光经凸透镜L1并在剪切干涉装置中通过剪切镜进行光的干涉，在CCD相机中采集干涉图像；

步骤二：通过PZTcontroller控制PZT相移量，红色激光经彩色相机R通道，绿色激光经彩色相机G通道，分别被CCD相机同时记录，R通道和G通道位于剪切干涉装置内部；

步骤三：通过压力阀调节真空箱中的压强，压强值通过压力表显示；由于步骤一采集的干涉图像中包含着红色光谱信息和绿色光谱信息，在工作波长λ_r的情况下对被测物体表面进行移相干涉测量，相应得到N个釆样点，进而得到N个相位数据φ_1r，φ_2r，…，φ_Nr；然后，更换工作波长为λ_g，同样能够得到N个相位数φ_1g，φ_2g，…，φ_Ng；

步骤四：对干涉图像进行傅里叶变换，分离红色光谱信息和绿色光谱信息，由相移法提取包裹相为：红色波长相位变化量减去绿色波长相位变化量即得合成波长相位变化量，相位条纹数等于推得合成波长相位条纹数与单波长条纹数关系其中，为相位改变量，N_r为红色波长相位条纹数，N_s为合成波长相位条纹数，λ_r为红色波长，λ_s为合成波长。

如果剪切量是沿x轴向，则相位变化可表示为

式中，u，v，w分别是物体沿x，y，z轴向的位移分量，α、β分别为x-z面和y-z面的光照角，λ为波长。

当激光器和CCD相机置于x-z面，且剪切沿x轴向，则合成光束1采集的相位变化为

合成光束2采集的相位变化为

由此，可计算面内位移相位变化和离面位移相位变化；

(1)面内位移相位变化计算

沿x、y轴向的面内位移相位变化为

由上两式，可得物体面内位移相位变化的一阶导数

(2)离面位移相位变化计算

剪切沿x、y轴向的离面位移相位变化分别为：

由上两式，可得离面位移相位变化的一阶导数

当光照角α很小且接近于0时，则离面位移导数为

步骤五：面内位移导数阵G_in和离面位移导数阵G_out可分别表述为

式中，u、v、w分别是x、y、z轴向的位移分量，则空间三维变形阵G可写为

根据该测量系统的光学几何特性有：当合成光束1所采集的相位减去合成光束2所采集的相位，即为面内位移相位，通过面内位移相位变化可得物体面内位移的一阶导数；当合成光束1照射时采集的相位加上合成光束2照射时所采集的相位，即为离面位移相位，通过离面位移相位变化，能够得到物体离面位移的一阶导数，从而得到物体的三维变形阵，因此能够实现物体三维变形的测量。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)采用两个不同波长的红光合成光束1和绿光合成光束2照射被测物体，设计光路简单、非接触、全场测量、精度高、速度快的三维变形测量系统，解决三维变形测量中存在的精度低、抗干扰性差等问题，从而满足工程环境三维变形的测量要求，有望为物体三维变形测量提供一种新的光学研究方法。

(2)采用上下双光源照射，同步得到物体面内位移和离面位移，解决目前物体三维变形量无法同步获得的问题。合成等效波长光源的使用，使光束中心光斑能量增强，波长更长，测量范围更大，有助于降低频谱混叠程度，大幅度降低相位条纹密度，解决深变形导致干涉条纹过密，易使后续相位处理失败，无法获得三维变形的情况。

附图说明

图1为合成等效波长的上下双光源剪切散斑干涉测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式记载的是一种基于合成波长双光源剪切散斑干涉的三维变形测量方法，所述方法步骤如下：

步骤一：两束不同波长的红色激光和绿色激光通过光分束器，并经反光镜和光束扩展器照射放置在真空箱内的被测物体上，在被测物体表面发生反射，反射光经凸透镜L1并在剪切干涉装置中通过剪切镜进行光的干涉，在CCD相机中采集干涉图像；

步骤二：通过PZTcontroller(压电陶瓷控制器)控制PZT相移量，红色激光经彩色相机R通道，绿色激光经彩色相机G通道，分别被CCD相机同时记录，R通道和G通道位于剪切干涉装置内部；

步骤三：通过压力阀调节真空箱中的压强，压强值通过压力表显示；由于步骤一采集的干涉图像中包含着红色光谱信息和绿色光谱信息，在工作红光波长λ_r的情况下对被测物体表面进行移相干涉测量，相应得到N个釆样点，进而得到N个相位数据φ_1r，φ_2r，…，φ_Nr；然后，更换绿波工作波长为λ_g，同样能够得到N个相位数φ_1g，φ_2g，…，φ_Ng；

步骤四：对干涉图像进行傅里叶变换，分离红色光谱信息和绿色光谱信息，由相移法提取包裹相为：红色波长相位变化量减去绿色波长相位变化量即得合成波长相位变化量，相位条纹数等于推得合成波长相位条纹数与单波长条纹数关系来有效降低干涉条纹的密集程度，避免由干涉条纹过于密集而导致欠采样的问题；

如果剪切量是沿x轴向，则相位变化可表示为

式中，u，v，w分别是物体沿x，y，z轴向的位移分量，α、β分别为x-z面和y-z面的光照角，λ为波长。

当激光器和CCD相机置于x-z面，且剪切沿x轴向，则合成光束1采集的相位变化为

合成光束2采集的相位变化为

由此，计算面内位移相位变化和离面位移相位变化；

(1)面内位移相位变化计算

沿x、y轴向的面内位移相位变化为

由上两式，得物体面内位移相位变化的一阶导数

(2)离面位移相位变化计算

剪切沿x、y轴向的离面位移相位变化分别为：

由上两式，得离面位移相位变化的一阶导数

当光照角α很小且接近于0时，则离面位移导数为

步骤五：面内位移导数阵和离面位移导数阵可分别表述为

式中，u、v、w分别是x、y、z轴向的位移分量，则空间三维变形阵可写为

根据该测量系统的光学几何特性有：当合成光束1所采集的相位减去合成光束2所采集的相位，即为面内位移相位，通过面内位移相位变化可得物体面内位移的一阶导数；当合成光束1照射时采集的相位加上合成光束2照射时所采集的相位，即为离面位移相位，通过离面位移相位变化，得到物体离面位移的一阶导数，从而能够得到物体的三维变形阵，因此能够实现物体三维变形的测量。

图像采集卡采集数幅干涉图样，经PC滤波和相位解包裹得面内位移和离面位移导数，由此实现了物体三维变形的测量。

在分析现有散斑干涉光路结构及成像原理的基础上，建立新的剪切散斑干涉法测量三维变形光路测量系统，为进一步研究满足工程环境三维变形的测量系统奠定基础。

物体三维变形可分为两部分，即面内变形(即面内位移)和离面变形(即离面位移)。双束合成等效波长的上下双光源剪切散斑干涉测量系统基本原理如图所示，双束合成等效波长激光器和CCD相机置于xoz面，剪切沿y轴向。

当合成等效波长激光束照在漫射体表面，携带被测物体表面信息的反射光经凸透镜L1，在剪切干涉装置中进行光的干涉，进而在CCD上相干成像。P[P(x,y,z)]是物体变形前测试面上的任意一点，物体变形后则为点P′[P(x+u,y+v,z+w)]，由于变形前后照射在点P上的光程不等于照射在点P′上的光程，光程的改变引起了相位的变化，通过不同面上相位差的测量可得物体的三维变形。物体变形前，通过PZT产生n步相移，在不同相移下分别记录同一状态的n幅干涉图，经空域相移法可得物体变形前的相位，同理，可得物体变形后的相位，则物体变形后的相位减去物体变形前的相位即为物体变形引起的相位变化量。

与剪切干涉装置中心线所成角度α的激光束为合成光束1，与剪切干涉装置中心线所成角度-α的激光束为合成光束2(其中-π/2＜α＜π/2)。

实施例1

假设选定该测量系统中，二极管泵浦激光器发出的是绿光，波长λ_g＝532nm，氦氖激光器发出的是红色光，波长为λ_r＝632.8nm，由于激光有很好的相干性，两束激光相干后，光束中心光斑能量增强，可得高功率相干光束，使得波长更长、测量范围更大，有助于降低频谱混叠程度，其合成等效波长为λ_s：

经计算可得合成波长，即λ_s＝3.3398μm。