基于偏轉(zhuǎn)角度的單幅圖像快速相移系統(tǒng)及相位檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于偏轉(zhuǎn)角度的單幅圖像快速相移系統(tǒng)及方法，其特征是由激光器出射的物光照射到被測(cè)物面形成激光散斑干涉，被測(cè)物表面的回程物光投照在CCD攝像機(jī)的靶面陣列上；激光器出射的參考光經(jīng)由準(zhǔn)直組件和反射鏡，以角度α照射在CCD攝像機(jī)的靶面陣列上，并與回程物光在CCD攝像機(jī)的靶面陣列上的形成激光干涉現(xiàn)象，調(diào)整角度α的大小，使相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)上參考光存在120°的光程差，根據(jù)CCD攝像機(jī)記錄的信息中的三個(gè)相鄰相素點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算獲得激光干涉現(xiàn)象的相位值。本發(fā)明在散斑干涉中只使用單幅圖像實(shí)現(xiàn)快速相位檢測(cè)，無需使用時(shí)間相移方法所需的PZT位移微動(dòng)系統(tǒng)。
【專利說明】基于偏轉(zhuǎn)角度的單幅圖像快速相移系統(tǒng)及相位檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種散斑干涉測(cè)量系統(tǒng)及相位檢測(cè)方法，特別是光學(xué)快速相移方法，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航航空天、材料和生物等各方面的應(yīng)變與變形測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)快速位移場(chǎng)、變形場(chǎng)、振動(dòng)場(chǎng)的檢測(cè)，以及材料、框架以及構(gòu)件的無損非接觸測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)(DigitalSpeckle Pattern Interferometry, DSPI)是一項(xiàng)綜合了激光、電子及圖像處理等技術(shù)的光測(cè)方法，具有高精度、非接觸及全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、材料和生物等各方面的測(cè)量。
[0003]圖4為已有的基于時(shí)間相移的散斑干涉測(cè)量系統(tǒng)，激光器101發(fā)出激光被分光棱鏡102分為兩束光，第一束光經(jīng)第一反射鏡103和第一擴(kuò)束鏡104照射到被測(cè)物108的表面后，被CCD攝像機(jī)110采集，經(jīng)圖像處理卡107將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；第二束光作為參考光束直接經(jīng)第二反射鏡105和第二擴(kuò)束鏡106照射到CCD攝像機(jī)的靶面陣列，與第一束光產(chǎn)生散斑干涉，通過干涉條紋的相位測(cè)量可以得到被測(cè)物的變形量。其中布置在第二反射鏡105后面的壓電驅(qū)動(dòng)器PZT通過PZT驅(qū)動(dòng)電路109調(diào)整第二反射鏡105使每幅圖像具有恒定的相移，通過相位計(jì)算可以獲得干涉條紋的相位。
[0004]在散斑干涉測(cè)量中，CXD攝像機(jī)獲得的只是光強(qiáng)信息，光強(qiáng)信息Il(x，y)可表示為:
[0005]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](6)
[0006]式(6)中:a(x，y)、b (x，y)和小(x, y)分別表示背景信息、調(diào)制振幅和相位信息，相位信息0(x，y)中就包含被測(cè)物場(chǎng)的變化信息。在測(cè)量系統(tǒng)中無法直接獲得相位信息，只能得到與相位有關(guān)的光強(qiáng)信號(hào)。式(6)中有三個(gè)未知量3(^7)，13 0^7)和Cj5 (x，y)，要計(jì)算出0(x，y)，就需要至少三個(gè)方程。為了獲取其中的相位信息，相移技術(shù)被發(fā)展起來。
[0007]相移技術(shù)(Phase-Shifting)是干涉條紋相位檢測(cè)技術(shù)的主要手段。目前大多采用時(shí)間相移方法來實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)，其原理是通過記錄三幅圖像來獲得三個(gè)方程，采用壓電驅(qū)動(dòng)器PZT驅(qū)動(dòng)反射鏡使每幅強(qiáng)度圖像中的參考光都具有恒定的相移，例如:通過PZT的微動(dòng)是反射鏡每次移動(dòng)1/6個(gè)激光光波的波長(zhǎng)，這樣在三次移動(dòng)之后，經(jīng)過反射鏡的反射，激光干涉的參考光的相位就產(chǎn)生了 0°、120°和240°的相位偏移。時(shí)間相移方法在測(cè)量過程需要采集多幅圖像和用PZT實(shí)現(xiàn)多次相移，來進(jìn)行相位計(jì)算的，通常測(cè)量過程需要一定的時(shí)間。提取三幅圖像中同一點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，其原理如圖5所示，由此得到式(7.1)、式(7.2)和式(7.3):
[0008]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](7.1)
[0009]I2 (x, y)=a(x, y)+b(x, y)cos[4) (x, y)+120° ](7.2)
[0010]I3 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) +240 ° ](7.3)
[0011]通過聯(lián)立方程組，解方程可得激光干涉的相位分布0 (x，y)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于偏轉(zhuǎn)角度的單幅圖像快速相移系統(tǒng)，其特征是:系統(tǒng)構(gòu)成包括激光器(I)、可變nd濾光片(2)、擴(kuò)束鏡(3)、準(zhǔn)直組件(4)、孔徑光闌(5)、成像透鏡(6)、反射鏡(8)、分光棱鏡(10)和CCD攝像機(jī)(9)； 所述激光器(I)的出射光被可變nd濾光片(2)分為物光和參考光，所述物光經(jīng)擴(kuò)束鏡(3)擴(kuò)束之后照射到被測(cè)物(7)的表面形成激光散斑干涉，被測(cè)物表面的回程物光依次經(jīng)孔徑光闌(5)和成像透鏡(6)投照在CCD攝像機(jī)(9)的靶面陣列上；所述參考光經(jīng)由準(zhǔn)直組件(4)準(zhǔn)直為參考準(zhǔn)直激光，所述參考準(zhǔn)直激光經(jīng)反射鏡(8)和分光棱鏡(10)照射在CCD攝像機(jī)(9)的靶面陣列上，并與所述回程物光在CCD攝像機(jī)(9)的靶面陣列上形成激光干涉現(xiàn)象，由所述CCD攝像機(jī)(9)記錄所述激光干涉現(xiàn)象的光場(chǎng)強(qiáng)度信息； 通過設(shè)置在反射鏡(8)下的角度微調(diào)機(jī)構(gòu)，調(diào)整參考準(zhǔn)直激光的照射角度，以使參考準(zhǔn)直激光的照射方向與CCD攝像機(jī)(9)靶面陣列的法線形成角度a時(shí)，在相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)上存在120°的光程差，根據(jù)所述CCD攝像機(jī)(9)記錄的光場(chǎng)強(qiáng)度信息中的三個(gè)相鄰相素點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算獲得所述激光干涉現(xiàn)象的相位值。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的基于偏轉(zhuǎn)角度的單幅圖像快速相移系統(tǒng)的相位檢測(cè)方法，其特征是按照如下步驟進(jìn)行: 步驟一、調(diào)整孔徑光闌(5)的大小以及成像透鏡(6)和CCD攝像機(jī)(9)的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)由CCD攝像機(jī)(9)采集獲得的激光散斑干涉的散斑大小的控制，確保每個(gè)散斑至少覆蓋所述CCD攝像機(jī)(9)靶面陣列的三個(gè)相鄰像素點(diǎn)； 步驟二、調(diào)整參考準(zhǔn)直激光的照射方向，確保參考準(zhǔn)直激光的照射方向與所述CCD攝像機(jī)(9)靶面陣列的法線成角度a時(shí)，在所述CCD攝像機(jī)(9)靶面陣列的相鄰兩個(gè)像素點(diǎn)上存在120°的光程差； 步驟三、在任意時(shí)刻，使用CXD攝像機(jī)(9)記錄當(dāng)前時(shí)刻的光場(chǎng)強(qiáng)度信息，以IntI(?,N)和I_，N)分別表示三個(gè)連續(xù)像素點(diǎn)的光場(chǎng)強(qiáng)度信息，(M，N)表示像素點(diǎn)在所述CCD攝像機(jī)(9)靶面陣列的坐標(biāo)，則有:
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK103712569SQ201310754588
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】王永紅, 孫建飛, 楊連祥 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)