本發(fā)明涉及一種光學(xué)干涉測量的儀器和方法，特別是基于加窗傅里葉變換的干涉測量裝置和方法

背景技術(shù)：

高聚物復(fù)合材料/結(jié)構(gòu)在力學(xué)載荷下的位移場動態(tài)分布情況，是高精度工業(yè)制造中需要考慮的一個重要因素。近年來，國際上許多先進的光學(xué)測量方法被用來對其進行測量，如電子散斑干涉、數(shù)字圖像相關(guān)、光纖布拉格傳感器等。在這些技術(shù)和方法當中，相位對照譜域光學(xué)相干層析(pc-soct)是最有前景的方法之一，它能夠?qū)ν该?半透明材料進行內(nèi)部位移場的層析測量，且測量靈敏度高、測量速度快。

pc-soct始于2006年，是相位對照技術(shù)和譜域光學(xué)相干層析(soct)系統(tǒng)的結(jié)合。它在樣件變形前后采集干涉光譜，并通過光譜的相位差計算樣件的變形大小。由于soct系統(tǒng)只需要進行一次拍攝即可實現(xiàn)干涉光譜的采集，因此它能夠應(yīng)用于材料變形的實時測量。此外，光譜的相位差對于樣品臂和參考臂的光程差(opd)非常敏感，它每變化2π對應(yīng)opd變化了光源中心波長的一半。因為在材料折射率不發(fā)生改變的前提下，能夠通過opd的變化量解調(diào)樣件的位移，因此pc-soct能應(yīng)用于力學(xué)載荷導(dǎo)致的微變形測量當中。但是pc-soct在測量材料內(nèi)部變形場的過程當中，由于內(nèi)部散射光較弱，容易受到被測樣件以及系統(tǒng)本身產(chǎn)生噪聲的影響，使測量結(jié)果信噪比較低。目前，還沒有一種方法或技術(shù)能夠較好的解決該問題。

本專利在優(yōu)化pc-soct系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進信號解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量裝置及方法，它首先通過干涉測量系統(tǒng)測量到樣件變形前后的干涉條紋，通過干涉條紋的相位信息解調(diào)樣件內(nèi)部的位移場分布情況，再結(jié)合加窗傅里葉變換對位移場分布進行濾波，提高測量結(jié)果的信噪比。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量裝置，如圖1所示，依次包括：寬帶光源(1)、準直透鏡(2)、柱面鏡(3)、狹縫(4)、準直透鏡(5)、分光棱鏡(6)、物鏡(7)、參考平面(8)、物鏡(9)、被測樣件(10)、反射式衍射光柵(11)、鏡頭(12)、ccd相機(13)。

裝置的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬帶光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡(2)的作用后，被柱面鏡(3)聚焦于狹縫(4)上；經(jīng)過狹縫(4)的光在準直透鏡(5)的作用下進入分光棱鏡(6)，并被分為兩束，其中一束光在物鏡(7)的作用下聚焦于參考平面(8)上，另一束經(jīng)過物鏡(9)聚焦于被測樣件(10)上；來自參考平面(8)和被測樣件(10)的反射光進過分光棱鏡(6)后入射到反射式衍射光柵(11)上，經(jīng)過衍射光柵(11)后的光譜在鏡頭(12)的作用下成像于ccd相機(13)上，并將成像后的光譜傳入計算機(14)當中。

一種基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量方法，其流程如圖2所示，具體內(nèi)容如下：

[1]在初始時刻，對被測物體采集一副干涉圖像，它的表達式如下：

(x,y)是圖像的空間坐標，是包裹相位圖

[2]通過卷積運算可以計算出條紋圖的頻譜，可以得到每個像素的頻率信息，表達式如下：

其中g(shù)u,v,ε,η(x,y)是加窗傅里葉基函數(shù)，表達式如下：

gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)

g(x,y)是歸一化的高斯窗函數(shù)，表達式如下：

[3]由于噪聲的隨機性和不連貫性，它在整個頻譜域的系數(shù)很小,通設(shè)定閾值可以去除噪聲。

[4]對去除噪聲的頻譜進行反傅里葉變換可以得到光滑的條紋圖。

附圖說明

圖1是基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量裝置的系統(tǒng)原理圖；1是寬帶光源，2是準直透鏡、3是柱面鏡、4是狹縫、5是準直透鏡、6是分光棱鏡、7是物鏡、8是參考平面、9是物鏡、10是被測樣件、11是反射式衍射光柵、12是鏡頭、13是ccd相機。

圖2是基于加窗傅里葉變換的位移場層析測量方法流程圖。

圖3(a)是直接測量到的位移場分布圖；

圖3(b)是中值濾波后的位移場分布圖；

圖3(c)是加窗傅里葉變換后的位移場分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實驗實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明主要包括：寬帶光源(1)、準直透鏡(2)、柱面鏡(3)、狹縫(4)、準直透鏡(5)、分光棱鏡(6)、物鏡(7)、參考平面(8)、物鏡(9)、被測樣件(10)、反射式衍射光柵(11)、鏡頭(12)、ccd相機(13)。下面分別對該系統(tǒng)進行詳細介紹。

寬帶光源(1)(superlumdiodesltd，hp3，帶寬：δλ＝50nm，中心波長：λc＝840nm)發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡(2)(焦距60mm)的作用后，被柱面鏡(3)(焦距100mm)聚焦于狹縫(4)(狹縫寬度10μm)上；經(jīng)過狹縫(4)的光在準直透鏡(5)(焦距100mm)的作用下進入分光棱鏡(6)(分光比50:50)，并被分為兩束，其中一束光在物鏡(7)(放大倍數(shù)4倍，na＝0.1)的作用下聚焦于參考平面(8)上，另一束經(jīng)過物鏡(9)(放大倍數(shù)4倍，na＝0.1)聚焦于被測樣件(10)上；來自參考平面(8)和被測樣件(10)的反射光進過分光棱鏡(6)后入射到反射式衍射光柵(11)(1200線/mm)上，經(jīng)過衍射光柵(11)后的光譜在鏡頭(12)(焦距135mm)的作用下成像于ccd相機(13)(1600x1200像素，動態(tài)范圍12bit)上，并將成像后的光譜傳入計算機(14)當中。

在初始時刻，對被測物體采集一副干涉圖像，它的表達式如下：

(x,y)是圖像的空間坐標，是包裹相位圖

通過卷積運算可以計算出條紋圖的頻譜，可以得到每個像素的頻率信息，表達式如下：

其中g(shù)u,v,ε,η(x,y)是加窗傅里葉基函數(shù)，表達式如下：

gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)

g(x,y)是歸一化的高斯窗函數(shù)，表達式如下：

由于噪聲的隨機性和不連貫性，它在整個頻譜域的系數(shù)很小,通設(shè)定閾值可以去除噪聲。

對去除噪聲的頻譜進行反傅里葉變換可以得到光滑的條紋圖。

通過溫度加載的方法獲得的材料內(nèi)部位移場測量結(jié)果如圖3所示。對比實驗結(jié)果可以看出，采用基于加窗傅里葉變換的信號解調(diào)方法一方面能夠獲得信噪比較高的結(jié)果，另一方面也能清晰的分辨被測對象的截面輪廓。

能夠獲得最好的實驗效果。