本發(fā)明提出了一種高精度大量程實(shí)時(shí)單點(diǎn)離面位移測(cè)量方法，該方法適用于所有基于雙光束干涉原理的干涉系統(tǒng)，如邁克爾遜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“邁氏”)干涉儀、馬赫-曾德干涉儀等?？梢詰?yīng)用于傳統(tǒng)邁氏干涉儀應(yīng)用場(chǎng)景，例如離面位移檢測(cè)、液體折射率場(chǎng)檢測(cè)等，也可以適用于一些對(duì)測(cè)量實(shí)時(shí)性有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如監(jiān)控晶體生長(zhǎng)、材料線膨脹系數(shù)測(cè)量等，是綜合光測(cè)力學(xué)、圖像處理和自動(dòng)控制等多門(mén)復(fù)合學(xué)科知識(shí)所提出的一套光學(xué)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，隨著超精密加工、納米技術(shù)和航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，這些技術(shù)革新使得高精度位移測(cè)量受到越來(lái)越多的重視。通常情況下，人們將高精度位移測(cè)量技術(shù)分為兩類(lèi)。一類(lèi)是接觸式測(cè)量，這包括電測(cè)法、機(jī)械測(cè)量法等，但這類(lèi)方法需要使用導(dǎo)桿或者探針接觸在被測(cè)物體表面，這會(huì)不同程度的對(duì)被測(cè)物的狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而引入額外噪聲。另一類(lèi)是非接觸式的測(cè)量方法，例如光學(xué)成像法、激光干涉法等，這類(lèi)方法通常具有非接觸和測(cè)量范圍較大的特點(diǎn)。但是光學(xué)成像法的測(cè)量分辨率是微米量級(jí)，不能夠適應(yīng)超高精度要求的位移測(cè)量中；雖然基于激光干涉的測(cè)量法精度高，能達(dá)到1/100波長(zhǎng)到1/1000波長(zhǎng)的分辨率，但其測(cè)量量程成為該方法的一大弊端。同時(shí)，在全場(chǎng)位移測(cè)量方法中，常使用條紋細(xì)分技術(shù)來(lái)提高測(cè)量精度，但這些技術(shù)操作會(huì)給測(cè)量方法帶來(lái)較大的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，使其不能適用于對(duì)測(cè)量時(shí)間要求較高的工作環(huán)境。因此，如何提出一個(gè)既具有高精度、非接觸式測(cè)量特點(diǎn)，又能較好克服在激光干涉測(cè)量領(lǐng)域里的高測(cè)量分辨率與大量程矛盾，且具有良好時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量方法，還面臨著諸多技術(shù)難題，目前在國(guó)際上尚未見(jiàn)到相關(guān)測(cè)量方法的報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為：為滿(mǎn)足上述測(cè)量背景，結(jié)合到本發(fā)明所提出的測(cè)量方法和邁氏干涉原理，我們搭建了一套基于邁氏干涉的位移測(cè)量系統(tǒng)。其具有非接觸式、高精度、實(shí)時(shí)性、可實(shí)現(xiàn)較大測(cè)量量程的特點(diǎn)。該系統(tǒng)是一套光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量光路是基于邁氏光路干涉原理，通過(guò)參考端對(duì)發(fā)生在物端位移的實(shí)時(shí)追蹤來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。其實(shí)施過(guò)程需要解決的問(wèn)題包括：1)搭建邁氏干涉光路；2)搭建圖像系統(tǒng)，包括圖像采集和基于圖像的跟蹤算法；3)搭建促動(dòng)器伺服系統(tǒng)，包括對(duì)促動(dòng)器的控制和促動(dòng)器自身位移與電壓關(guān)系的標(biāo)定；4)編寫(xiě)整套測(cè)量系統(tǒng)的控制軟件。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種高精度大量程實(shí)時(shí)單點(diǎn)離面位移的測(cè)量方法，利用圖像處理的方式獲取位移的方向和大小；以及利用硬件設(shè)備根據(jù)圖像反饋信號(hào)對(duì)位移進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償；所述圖像處理方式是指常用數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括灰度等級(jí)分析、灰度重心法、直方圖對(duì)比和/或匹配法；所述硬件設(shè)備是指各類(lèi)高精度位移促動(dòng)裝置，包括壓電式、電容式、電感式、步進(jìn)電機(jī)式或人工螺旋式精密設(shè)備。更進(jìn)一步的，所述圖像處理方式具體步驟如下：步驟(1)、在位移發(fā)生前，需要將干涉圖像穩(wěn)定后的狀態(tài)記錄，并將其作為系統(tǒng)位移前的初始狀態(tài)；步驟(2)、利用判斷位移方向的圖像算法計(jì)算初始狀態(tài)的圖像，獲得對(duì)應(yīng)的特征值；之后將該圖像算法實(shí)時(shí)計(jì)算最新的干涉圖像，并獲得各自對(duì)應(yīng)的特征值；通過(guò)特征值的對(duì)比判斷出干涉條紋的移動(dòng)方向，從而獲知位移方向；步驟(3)、利用預(yù)估位移大小的圖像算法計(jì)算初始狀態(tài)的圖像，獲得對(duì)應(yīng)的特征值；之后將該算法實(shí)時(shí)計(jì)算最新的干涉圖像，并獲得各自對(duì)應(yīng)的特征值；通過(guò)特征值的對(duì)比預(yù)估出干涉條紋的移動(dòng)量，進(jìn)而對(duì)硬件設(shè)備反饋跟蹤信號(hào)；步驟(4)、硬件設(shè)備根據(jù)反饋信號(hào)做出相應(yīng)的跟蹤響應(yīng)，直到預(yù)估位移大小的圖像算法檢測(cè)到最新的干涉圖像與初始狀態(tài)相同或者非常接近，此時(shí)硬件設(shè)備跟蹤停止。本發(fā)明另外提供一種基于邁克爾遜激光干涉的單點(diǎn)實(shí)時(shí)離面位移測(cè)量系統(tǒng)，包括激光光源及光路、圖像采集及算法處理系統(tǒng)、促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)；其中，所述激光光源及光路是指產(chǎn)生穩(wěn)定光源的He-Ne激光發(fā)生器和基于邁克爾遜干涉原理搭建的光路；所述圖像采集及算法處理系統(tǒng)是指記錄激光干涉圖樣的CCD相機(jī)以及監(jiān)控物端位移發(fā)生的圖像處理算法，其具體包括位移方向判定和位移大小預(yù)估兩個(gè)部分；位移方向的判定是利用圖像重心法并結(jié)合“小窗口”技術(shù)，位移大小的預(yù)估是利用圖像直方圖相關(guān)并結(jié)合“小窗口”技術(shù)，其中所述的“小窗口”技術(shù)是指圖像的多方位局部分析技術(shù)；所述促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)是指在參考端負(fù)責(zé)跟蹤位移的裝置；所述控制軟件系統(tǒng)是指測(cè)量系統(tǒng)的操控軟件，具體包括對(duì)CCD相機(jī)的控制、圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)、PZT器件的控制和跟蹤策略的實(shí)現(xiàn)。更進(jìn)一步的，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速實(shí)時(shí)的特性，所述控制軟件系統(tǒng)的軟件功能均是按照windows消息響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。更進(jìn)一步的，使用的促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)包括壓電陶瓷器件，將壓電陶瓷器件緊密與參考端反射鏡粘貼，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)控制該壓電陶瓷器件自由伸縮，從而推動(dòng)反射鏡沿著參考端光軸自由移動(dòng)。本發(fā)明的原理在于：基于本發(fā)明所提出的測(cè)量方法，搭建了一套邁氏光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，具體包括四部分：光源及測(cè)量光路、圖像系統(tǒng)、促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)軟件。第一部分：光源及測(cè)量光路光源及測(cè)量光路主要包括以下部件：He-Ne激光器101、空間濾波器102、凸透鏡103、分光鏡104。He-Ne激光器是光源發(fā)生裝置，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的點(diǎn)光源，功率在0～60mW范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，出射的激光按照搭建光路進(jìn)行傳播。第二部分：圖像系統(tǒng)圖像系統(tǒng)主要包括以下部件：偏振片105、CCD相機(jī)106。偏振片是用來(lái)避免激光過(guò)高的功率導(dǎo)致對(duì)CCD感光器件的損壞的器件；本發(fā)明采用的成像器件是德國(guó)Basler公司的CCD相機(jī)，型號(hào)為ACA1600-20GM，水平/垂直分辨率1628*1236pixels，單位像素尺寸4.4μm，傳感器尺寸為7.16x5.44mm。第三部分：促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)促動(dòng)器跟蹤系統(tǒng)主要包括促動(dòng)跟蹤模塊和精密位移加載模塊。促動(dòng)跟蹤模塊是指參考端對(duì)物端位移進(jìn)行跟蹤的硬件裝置。在本發(fā)明中所使用促動(dòng)器裝置110由實(shí)驗(yàn)室自制，具體包括壓電陶瓷器件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PZT”)和電壓驅(qū)動(dòng)器109；在測(cè)量系統(tǒng)中，將PZT緊密粘貼在反射鏡上(模型圖如圖2(a))，通過(guò)增減電壓使其能夠自由伸縮，從而達(dá)到位移追蹤的目的。精密位移加載模塊是由納米平動(dòng)裝置107和相應(yīng)的數(shù)字控制器108組成，納米平動(dòng)裝置(模型圖如圖2(b))位移精度為1nm，調(diào)節(jié)范圍在300μm；在實(shí)際測(cè)量中，該裝置既可作為被測(cè)物的放置平臺(tái)，也可以在PZT標(biāo)定時(shí)提供等間距的移動(dòng)量。第四部分：測(cè)量系統(tǒng)軟件在本發(fā)明中，控制軟件起著很重要的作用，如何將CCD控制程序、PZT控制程序以及跟蹤算法高效的集成在一起，是保證系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所有程序都是由VC++實(shí)現(xiàn)，在VS2010環(huán)境里編寫(xiě)，相機(jī)控制程序運(yùn)行在Balser公司的Pylon4.0版本下，PZT控制程序是基于RS232的串口通信，跟蹤過(guò)程均以windows消息事件的方式進(jìn)行觸發(fā)?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明理論測(cè)量分辨率可達(dá)0.148nm，單次步長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間約0.3s，測(cè)量范圍約0.6μm。本發(fā)明的特點(diǎn)是，構(gòu)建了一套新型的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，綜合了激光干涉、圖像處理和自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，能實(shí)現(xiàn)單方向上納米級(jí)精度的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以解決在高精度測(cè)量領(lǐng)域中測(cè)量分辨率與測(cè)量范圍的矛盾問(wèn)題，并保證良好的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，在高精密機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域中能得到較好的應(yīng)用，對(duì)于發(fā)展極端條件下的材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也具有積極的推動(dòng)作用。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。在圖中，101為He-Ne激光器；102為空間濾波器；103為凸透鏡；104為分光鏡；105為偏振片；106為CCD相機(jī)；107為納米平動(dòng)臺(tái)；108為納米平動(dòng)臺(tái)控制器；109為電壓控制器；110為促動(dòng)器裝置；111為測(cè)量系統(tǒng)軟件平臺(tái)。圖2本發(fā)明中納米平動(dòng)裝置以及促動(dòng)器裝置模型圖，其中，圖2(a)是本發(fā)明中納米平動(dòng)裝置模型圖，圖2(b)是本發(fā)明中促動(dòng)器裝置模型圖，其中，201為反射鏡；202為反射鏡架；203為架桿；204為納米平動(dòng)臺(tái)；205為壓電陶瓷；206為底座。圖3是系統(tǒng)控制軟件界面，其中，301為連續(xù)采圖控制按鈕；302為準(zhǔn)備跟蹤按鈕；303為開(kāi)始跟蹤模式按鈕；304為跟蹤電壓量的實(shí)時(shí)顯示窗。圖4是“小窗口”技術(shù)在圖像處理技術(shù)中的應(yīng)用。圖5是PZT電壓與位移的標(biāo)定結(jié)果。圖6是軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明一種高精度大量程實(shí)時(shí)單點(diǎn)離面位移的測(cè)量方法，利用圖像處理的方式獲取位移的方向和大??；以及利用硬件設(shè)備根據(jù)圖像反饋信號(hào)對(duì)位移進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償；所述圖像處理方式是指常用數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括灰度等級(jí)分析、灰度重心法、直方圖對(duì)比和/或匹配法；所述硬件設(shè)備是指各類(lèi)高精度位移促動(dòng)裝置，包括壓電式、電容式、電感式、步進(jìn)電機(jī)式或人工螺旋式精密設(shè)備。如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)包含以下部分：調(diào)節(jié)光路、搭建圖像系統(tǒng)、標(biāo)定和控制PZT、啟動(dòng)系統(tǒng)控制軟件。各部分具體實(shí)施過(guò)程和實(shí)施例如下：一、調(diào)節(jié)光路由He-Ne激光器發(fā)出穩(wěn)定的點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)空間濾波器102和凸透鏡103后點(diǎn)光源被擴(kuò)束成為一組均勻的平行光，該平行光經(jīng)過(guò)分光鏡104被分束為兩個(gè)相同的部分并分別入射到參考端和物端。在物端，入射光束照射到被測(cè)物表面，攜帶表面信息后沿光路返回；在參考端，入射光束照射到反射鏡表面后同樣沿光路返回。兩束返回的平行光再次經(jīng)過(guò)半透半反鏡疊加并在CCD感光面上形成干涉，隨即干涉信息被記錄。此時(shí)，當(dāng)物端的位移發(fā)生后，干涉圖樣中的條紋發(fā)生移動(dòng)，如果參考端的促動(dòng)器快速移動(dòng)相等的距離，干涉圖樣中的條紋即回到初始位置，整個(gè)過(guò)程可以用以下關(guān)系是描述：φ(p,t)=kp1-kp2=2πλ(p1-p2)---(1)]]>其中，λ是激光波長(zhǎng)，k是波數(shù)，p1和p2分別是參考端和物端沿光軸方向的移動(dòng)距離。而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，人工調(diào)節(jié)的光路無(wú)法滿(mǎn)足參考端和物端的兩光路絕對(duì)垂直，且也無(wú)法保證位移方向或者促動(dòng)器追蹤方向嚴(yán)格沿著光軸方向移動(dòng)，因此添加了一個(gè)系統(tǒng)常數(shù)項(xiàng)K，其滿(mǎn)足關(guān)系：dOBJ＝K·dREF(2)其中，dOBJ和dREF分別是物端和參考端的實(shí)際移動(dòng)距離，K是系統(tǒng)搭建完畢后需要標(biāo)定的系統(tǒng)常數(shù)。最后，由于測(cè)量原理是基于干涉條紋的位置作為判據(jù)，因此過(guò)于密集的條紋不易于跟蹤算法的識(shí)別，建議在干涉圖樣里存在10級(jí)以?xún)?nèi)的條紋數(shù)。二、搭建圖像系統(tǒng)為了避免激光過(guò)高的功率導(dǎo)致對(duì)CCD感光器件的損壞，在CCD前放置一個(gè)方向可調(diào)的偏振片105。然后使用Basler公司的提供的程序開(kāi)發(fā)庫(kù)Pylon4.0，將相機(jī)控制打開(kāi)并工作在連續(xù)采圖模式，當(dāng)CCD接收到穩(wěn)定的干涉圖像后就可以啟動(dòng)監(jiān)控位移方向和大小的軟件模塊。在干涉條紋得到后，位移的發(fā)生會(huì)使得在干涉圖中的條紋向左或者向右移動(dòng)，因此首先判斷位移的方向是很有必要的。在本發(fā)明中，使用圖像重心法判斷位移方向，即通過(guò)位移前后圖像的重心移動(dòng)方向來(lái)判定位移的方向，其計(jì)算方法為bcx=1M·NΣiMΣjNxi·I(i,j)bcy=1M·NΣiMΣjNyi·I(i,j)---(3)]]>其中，M和N分別是圖像的長(zhǎng)度和寬度，I是圖像的灰度。但在實(shí)際操作中，由于干涉圖樣里會(huì)經(jīng)常存在有多級(jí)周期性條紋的情況，這會(huì)導(dǎo)致使用全場(chǎng)重心判定位移方向的方法出現(xiàn)誤判，因此在圖像重心法的基礎(chǔ)上加入了“小窗口”技術(shù)(圖4是使用了11個(gè)小窗口實(shí)際測(cè)量圖)，用以確保位移方向判斷的準(zhǔn)確性。具體做法是即將絕大多數(shù)窗口中判定的位移方向作為實(shí)際位移的方向，因此在實(shí)際系統(tǒng)操作中，需要提前人工設(shè)置窗口數(shù)量閾值。在確定位移方向后，使用直方圖相關(guān)算法來(lái)預(yù)估位移大小，即通過(guò)位移前后圖像的直方圖相似度來(lái)判斷位移大小。首先分別獲取位移前后干涉圖樣的灰度直方圖，然后計(jì)算直方圖的相似度，其計(jì)算公式為：d(H1,H2)=ΣI(H1(I)-H‾1)(H2(I)-H‾2)ΣI(H1(I)-H‾1)2ΣI(H2(I)-H‾2)2---(4)]]>其中，H1和H2分別是位移前后干涉圖像灰度，和分別是位移前后圖像中的平均灰度，計(jì)算過(guò)程為N是圖像灰度的種類(lèi)數(shù)。當(dāng)d(H1,H2)的實(shí)時(shí)計(jì)算值等于或者近似為1時(shí)，就認(rèn)為兩端移動(dòng)距離相等，跟蹤過(guò)程結(jié)束。類(lèi)似地，“小窗口”分析技術(shù)也應(yīng)用在直方圖相關(guān)算法中，其不僅起到提高位移跟蹤的精確度，同時(shí)也減小了計(jì)算量。三、標(biāo)定和控制PZT在本發(fā)明中，使用的跟蹤器件是PZT，其運(yùn)動(dòng)的線性度是保證測(cè)量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此在系統(tǒng)運(yùn)行前需要標(biāo)定該P(yáng)ZT電壓與位移的關(guān)系，使得在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，即可通過(guò)電壓的變化量直接換算得到位移大小。在標(biāo)定中，使用的方法是等步長(zhǎng)相移法，即通過(guò)每個(gè)位置狀態(tài)之間的位相差來(lái)判定PZT的線性度，相等步長(zhǎng)的間距由納米平動(dòng)臺(tái)提供，最終PZT的電壓與位移的標(biāo)定結(jié)果由圖5給出。在位移跟蹤時(shí)，所采用的跟蹤策略是“逐步逼近”的方式，即根據(jù)位移大小使PZT由大步到小步自動(dòng)快速移動(dòng)，直至移動(dòng)距離與位移大小相等，表1是設(shè)定的直方圖相關(guān)結(jié)果與跟蹤電壓步長(zhǎng)的關(guān)系表。最后，將PZT的驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)串口通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)器的控制，同時(shí)設(shè)定PZT處于等待狀態(tài)，一旦收到圖像處理結(jié)果的反饋信號(hào)即刻做出跟蹤的響應(yīng)。表1直方圖相關(guān)結(jié)果與設(shè)定電壓步長(zhǎng)的關(guān)系表四、啟動(dòng)系統(tǒng)控制軟件在本發(fā)明中，控制軟件起著很重要的作用，如何將CCD控制程序、PZT控制程序以及跟蹤算法高效的集成在一起，是保證系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所有程序都是由VC++實(shí)現(xiàn)，在VS2010環(huán)境里編寫(xiě)，平臺(tái)框架基于MFC搭建，相機(jī)控制程序運(yùn)行在Balser公司的開(kāi)發(fā)庫(kù)Pylon4.0，PZT控制程序是基于RS232的串口通信協(xié)議，跟蹤過(guò)程均以windows消息事件進(jìn)行觸發(fā)。圖6是軟件系統(tǒng)流程圖，其工作過(guò)程為：在相機(jī)工作在連續(xù)采圖模式后，根據(jù)干涉條紋的截距設(shè)置大小合適的小窗口，之后對(duì)各小窗口區(qū)域的數(shù)據(jù)做圖像分析；首先通過(guò)圖像灰度重心算法計(jì)算各窗口區(qū)域的灰度重心，將各個(gè)計(jì)算結(jié)果與初始狀態(tài)下的重心位置對(duì)比并統(tǒng)計(jì)移動(dòng)方向數(shù)，即Cleft和Cright，如果其值的大小達(dá)到了預(yù)設(shè)的閾值T1，即判定位移方向；然后利用灰度直方圖對(duì)比算法遍歷各小窗口，將各個(gè)窗口內(nèi)的灰度直方圖與初始狀態(tài)的對(duì)應(yīng)區(qū)域做相關(guān)對(duì)比，并將各小窗口計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終計(jì)算結(jié)果，此時(shí)如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到了閾值T2，即開(kāi)始跟蹤，同時(shí)相機(jī)保持連續(xù)采圖模式。如圖3所示，操作過(guò)程為先打開(kāi)CCD相機(jī)，然后點(diǎn)擊“連續(xù)采圖”按鈕301讓相機(jī)工作在連續(xù)采圖模式；再點(diǎn)擊“準(zhǔn)備跟蹤”按鈕302使得圖像算法運(yùn)行在各個(gè)小窗口區(qū)域內(nèi)；當(dāng)干涉圖像穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“開(kāi)始跟蹤”按鈕303，此時(shí)的狀態(tài)被記錄為位移前的初始狀態(tài)，如果之后有位移發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)促使PZT進(jìn)行快速跟蹤，窗口304中會(huì)實(shí)時(shí)顯示跟蹤電壓量。根據(jù)跟蹤電壓量可以換算出位移大小，然后再乘以標(biāo)定系數(shù)K就可以得到真實(shí)位移值。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3