數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光散斑干涉測量領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量 方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)激光照射在具有漫反射性質(zhì)的物體表面時(shí)，從物體表面反射的光在空間相干疊 加，就會(huì)在整個(gè)空間發(fā)生干涉，形成隨機(jī)分布的亮斑和暗斑，稱為激光散斑。20世紀(jì)70年代 初，激光散斑干涉測量方法得到了發(fā)展，它除了具有全息干涉測量方法的非接觸、可以直觀 給出全場情況等一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有光路簡單，對試件表面要求不高，對實(shí)驗(yàn)條件要求較 低，計(jì)算方便等特點(diǎn)。
[0003] 電子散斑干涉（ESPI)是在本世紀(jì)初就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于漫射體表面位移或變形 監(jiān)測。它具有精度高、全場，非接觸等優(yōu)點(diǎn)。ESPI技術(shù)自問世以來就得到廣泛的應(yīng)用.它的 應(yīng)用領(lǐng)域有位移和變形測量，應(yīng)變分析，動(dòng)態(tài)測試，無損探傷等?？梢詰?yīng)用于檢測工程機(jī)械 領(lǐng)域的各種變形、振動(dòng)、沖擊、表面粗糙度、剛度和硬度等特性；檢測復(fù)合材料、集成電路、壓 力容器和焊接物體的表面或內(nèi)部缺陷，并且還可以用于土木結(jié)構(gòu)和水利設(shè)施的變形測量。 總之，ESPI在機(jī)械、土木、水利、電器、航空航天、兵器工業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有非常重要 的地位和廣闊的前景。
[0004]ESPI的局限性在于：由于參考光的引入，使得物光與參考光的光程差較大，因此 對光源的相干長度要求較高；在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要得到物體的應(yīng)變和撓度等物理量，而 ESPI只能測量物體位移，需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，這對精度有一定的影響；在若 干應(yīng)用中，對測量系統(tǒng)的抗震性能要求較高，而ESPI對于噪聲信號(hào)敏感性較高。針對ESPI 存在的問題，出現(xiàn)了剪切散斑干涉術(shù)。
[0005] 剪切散斑干涉術(shù)最初由Hung和Leendertz提出，他們分別對基于渥拉斯頓棱鏡和 邁克爾遜干涉儀的剪切散斑干涉系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究中，他們得到了剪切散斑干涉圖，并 闡述了相關(guān)原理和關(guān)鍵問題。此后，這一技術(shù)被引入工程領(lǐng)域，并被命名為剪切散斑干涉術(shù) (Shearography)〇
[0006] 剪切散斑干涉術(shù)可以對位移的一階微分（應(yīng)變）進(jìn)行直接測量，省略了測量位移 后的微分計(jì)算，簡化了數(shù)據(jù)處理過程，對提高測量精度有很大幫助。它的實(shí)現(xiàn)形式有很多， 基于渥拉斯頓棱鏡的測量系統(tǒng)中，視場角相對更大，無需引入?yún)⒖脊猓铱垢蓴_能力較 強(qiáng)，無需特殊隔震，并可在不避光環(huán)境下進(jìn)行測試，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
[0007] 但是，現(xiàn)有技術(shù)中，并不能對物體進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量方法和系統(tǒng)，能夠?qū)y 量物體進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。
[0010] -方面，提供一種數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量方法，包括：
[0011] 使用激光器作為光源，將所述光源輸出的偏振光經(jīng)過空間濾波器和擴(kuò)束器進(jìn)行濾 波和擴(kuò)束后，照射在測量目標(biāo)的表面；
[0012] 所述測量目標(biāo)表面的反射光經(jīng)過第一偏振片，形成線偏振光；
[0013] 所述線偏振光經(jīng)過沃拉斯頓棱鏡剪切裝置，所述沃拉斯頓棱鏡剪切裝置使得每束 所述線偏振光被剪切成偏振方向互相垂直的尋常光0光和非常光e光；
[0014] 所述尋常光〇光和所述非常光e光經(jīng)過第二偏振片，所述第二偏振片使得所述尋 常光0光和所述非常光e光的偏振方向一致；
[0015] 所述尋常光〇光和所述非常光e光經(jīng)過相互干涉形成散斑干涉圖，所述散斑干涉 圖經(jīng)過成像鏡頭成像于電荷耦合元件CCD上；
[0016] 所述電荷耦合元件CCD采集成像的所述散斑干涉圖，得到時(shí)間序列上的至少兩幅 采集后的散斑干涉圖；
[0017] 對所述至少兩幅采集后的散斑干涉圖進(jìn)行圖像相減，生成至少一個(gè)相減后的散斑 干涉圖；
[0018] 顯示所述至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖。
[0019] 所述對所述至少兩幅采集后的散斑干涉圖進(jìn)行圖像相減，生成至少一個(gè)相減后的 散斑干涉圖的步驟包括：
[0020] 將第2幅到第N幅采集后的散斑干涉圖分別減去第一幅采集后的散斑干涉圖，得 到至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖，N為采集后的散斑干涉圖的總數(shù)量，N為大于1的自然數(shù)。
[0021] 所述方法還包括：
[0022] 對所述至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖的每一點(diǎn)的光強(qiáng)進(jìn)行傅立葉變換，獲得頻譜 圖；
[0023] 根據(jù)所述頻譜圖，獲得所述測量目標(biāo)的在平行于所述光源方向上的基于時(shí)間的相 位變化量；
[0024] 根據(jù)所述測量目標(biāo)的基于時(shí)間的相位變化量，計(jì)算得到所述測量目標(biāo)在平行于所 述光源方向上的隨著時(shí)間的位移變化量；
[0025] 根據(jù)所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的隨著時(shí)間的位移變化量，計(jì)算生成 所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的應(yīng)變。
[0026] 所述根據(jù)所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的隨著時(shí)間的位移變化量，計(jì)算 生成所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的應(yīng)變的步驟根據(jù)以下公式計(jì)算：
[0027]
[0028] 其中，g(X,y,t)為測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的應(yīng)變，ΔX表示X方向的 剪切量；λ表示光源的波長；△ (X，y，t)為測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的隨著時(shí)間 的位移變化量。
[0029] 另一方面，提供一種數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，包括：
[0030] 激光器、空間濾波器和擴(kuò)束器、第一偏振片、沃拉斯頓棱鏡剪切裝置、第二偏振片、 成像鏡頭和電荷親合元件CCD、計(jì)算機(jī)；
[0031] 所述激光器用于，作為光源，輸出線偏振光；
[0032] 所述空間濾波器和擴(kuò)束器用于，將所述光源輸出的偏振光進(jìn)行濾波和擴(kuò)束后，照 射在測量目標(biāo)的表面；
[0033] 所述第一偏振片用于，使得所述測量目標(biāo)表面的反射光經(jīng)過所述第一偏振片后， 形成線偏振光；
[0034] 所述沃拉斯頓棱鏡剪切裝置用于，對所述線偏振光進(jìn)行沃拉斯頓棱鏡剪切，使得 每束所述線偏振光被剪切成偏振方向互相垂直的尋常光〇光和非常光e光；
[0035] 所述第二偏振片用于，使所述尋常光〇光和所述非常光e光經(jīng)過所述第二偏振片 后，偏振方向一致；
[0036] 所述電荷耦合元件CCD和成像鏡頭用于，將所述尋常光〇光和所述非常光e光經(jīng) 過相互干涉形成的散斑干涉圖，由成像鏡頭成像于電荷耦合器件CCD上；
[0037] 所述計(jì)算機(jī)用于，控制所述電荷耦合元件CCD采集成像的所述散斑干涉圖，得到 時(shí)間序列上的至少兩幅采集后的散斑干涉圖，對所述至少兩幅采集后的散斑干涉圖進(jìn)行圖 像相減，生成至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖；顯示所述相減后的至少一個(gè)散斑干涉圖。
[0038] 所述計(jì)算機(jī)對所述至少兩幅采集后的散斑干涉圖進(jìn)行圖像相減，生成至少一個(gè)相 減后的散斑干涉圖具體為：
[0039] 將第2幅到第N幅采集后的散斑干涉圖分別減去第一幅采集后的散斑干涉圖，得 到至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖，N為采集后的散斑干涉圖的總數(shù)量，N為大于1的自然數(shù)。
[0040] 所述計(jì)算機(jī)還用于；
[0041] 對所述至少一個(gè)相減后的散斑干涉圖的每一點(diǎn)的光強(qiáng)進(jìn)行傅立葉變換，獲得頻譜 圖；
[0042] 根據(jù)所述頻譜圖，獲得所述測量目標(biāo)的在平行于所述光源方向上的基于時(shí)間的相 位變化量；
[0043] 根據(jù)所述測量目標(biāo)的基于時(shí)間的相位變化量，計(jì)算得到所述測量目標(biāo)在平行于所 述光源方向上的隨著時(shí)間的位移變化量；
[0044] 根據(jù)所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的隨著時(shí)間的位移變化量，計(jì)算生成 所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的應(yīng)變。
[0045] 所述根據(jù)所述相位變化量，計(jì)算生成所述測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的應(yīng) 變具體根據(jù)以下公式：
[0046]
[0047] 其中，^(X,y,t)為測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的的應(yīng)變，△X表示X方向 OX 的剪切量；λ表示光源的波長；△ (X，y，t)為測量目標(biāo)在平行于所述光源方向上的隨著時(shí) 間的位移變化量。
[0048]由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例中，能夠?qū)y量 物體進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。
[0049] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0050] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0051]圖1為本發(fā)明所述的數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量方法的流程圖。
[0052]圖2為本發(fā)明所述的數(shù)字剪切散斑干涉的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的連接圖。
[0053]圖3為本發(fā)明應(yīng)用場景中基于沃拉斯頓棱鏡的外差剪切散斑干涉測量系統(tǒng)的光 路圖。
[0054] 圖4為本發(fā)明應(yīng)用場景中渥拉斯頓棱鏡原理圖。
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