专利名称：分区拼接多He－Ne激光器数字散斑干涉测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电检测技术领域，涉及一种数字散斑干涉测量新系统，具体涉及一种用于测量大面积物体的分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统。
背景技术：
数字散斑干涉测量(DSPI-Digital Speckle Pattern Interfermetry)是一项集激光、数字图像处理、电子等多学科为一体的综合性技术，具有非接触、全场同时测量、精度高、灵敏度高、测量迅速简便等优点，可以用于变形测量、应力应变分析、复合材料无损检测和振动模态测量等，在机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
经检索发现，现有的DSPI测量系统可分为两类一类是采用一个长度较短的内腔式He-Ne激光器作为对物体照明的激光光源。如美国Newport公司生产的DSPI测量仪。由于这种激光器的相干性好，所以得到的条纹对比度高，测量结果的质量好。但是这种激光器输出的光功率较小(＜5～7mw)，所以这种DSPI测量系统存在可测量物体面积小(Φ＜15～25cm)，难以测量工程实际中大尺寸构件的不足。
另一类是采用半导体激光器或半导体泵浦的固体激光器作为对物体照明的激光光源。如C.Buckberry采用100mW的ND:YAG激光器来研究大构件的振动特性(Optics and Lasers in Engineering，Vol.32，PP387-394)，中国专利03230508.7(张熹，2004.6.30)采用的是半导体泵浦的固体激光器；中国专利92226915.7(伍小平，1993.3.17)和中国专利94112960.8(刘伟，1996.2.14)采用的是半导体激光器。由于半导体激光器和半导体泵浦的固体激光器的输出光功率较大，可测量面积比上面一类DSPI测量系统大。但是半导体激光器和半导体泵浦的固体激光器的相干性比He-Ne激光器要差得多，所以这一类DSPI系统存在条纹对比度低，测量结果的质量低的不足。
中国专利92239009.6(宋菲君，1993.12.29)中所采用的光源可以是He-Ne激光器，也可以是半导体激光器，选用不同的激光器时可以分别归于上面两类DSPI系统，仍然存在上述两类系统的不足。

发明内容
针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是，提出一种分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统。该系统采用多个低功率的He-Ne激光器对大尺寸构件进行分区分时测量，采用图像拼接算法将各个激光器的测量结果拼接起来，得到大尺寸构件的完整信息。这样既利用了低功率内腔式He-Ne激光器的高相干性，得到的条纹对比度高，测量结果的质量高。同时，综合利用了多个激光器的光功率，使测量面积成倍地增加，可以测量工程实际中的大尺寸构件。
实现上述目的的技术解决方案是，一种分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统，包括计算机、图像采集卡、CCD摄像机、D/A转换卡构成的数字图像处理及测量控制部分，和低功率He-Ne激光器、激光分束镜、全反射镜、物光扩束镜、光学相移器、参考光扩束镜、成像镜头、半透半反立方棱镜构成的光路部分；图像采集卡和D/A转换卡插在计算机的扩展槽里，D/A转换卡与光学相移器相连，图像采集卡与CCD摄像机相连，半透半反立方棱镜和成像镜头设置在CCD摄像机的前方；其特征在于，所述的低功率He-Ne激光器设置多个，每一个低功率He-Ne激光器的光路上设有光开关，通过各光开关对低功率He-Ne激光器的控制，使不同的低功率He-Ne激光器在不同时刻对被测物体的不同区域照明；在数字图像处理及测量控制部分的控制下，系统在各个低功率He-Ne激光器分别照明时都实施相移测量，得到各低功率He-Ne激光器照明区域的待测信息，由计算机中设置的图像拼接算法将各激光器测量的结果拼接起来，得到大尺寸物体的完整待测信息。
一种分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统，包括两大部分计算机、图像采集卡、CCD摄像机、D/A转换卡构成的数字图像处理及测量控制部分；多个低功率He-Ne激光器、光开关、激光分束镜、全反射镜、物光扩束镜、光学相移器、参考光扩束镜、成像镜头、半透半反立方棱镜构成的光路部分。
每个低功率He-Ne激光器射出的光束被激光分束镜分成物光束和参考光束，参考光束经过光学相移器和参考光扩束镜的反射，再经半透半反立方棱镜的反射后到达CCD摄像机的靶面。物光光束经过全反射镜和物光扩束镜的反射后对被测物体照明，物体的反射光经过成像镜头和半透半反立方棱镜后也到达CCD摄像机的靶面。物光和参考光在CCD摄像机的靶面上相干涉，形成散斑干涉场，CCD摄像机和图像采集卡将此散斑干涉场送入计算机中处理，得到物体的待测信息。
本发明的主要特点是通过光开关的通断控制，使不同的激光器在不同时刻对物体的不同区域照明，各个激光器分别照明时均可以实现相移测量，通过图像拼接算法将物体不同区域的测量结果拼合到一起，得到整个大尺寸物体的整体待测信息。
本发明的另一特点是，所述的多个低功率He-Ne激光器的照明区域依次紧密相邻，并且有少许重合。
以下详细描述一下采用每个激光器测量时的情况。
第一个低功率He-Ne激光器发出的632nm的激光，经激光分束镜分束后形成物光和参考光。参考光经光学相移器的反射和参考光扩束镜扩束后到达半透半反立方棱镜。物光经全反射镜的反射、物光扩束镜扩束后，照明被测物体。物体的反射光经过成像透镜后也到达半透半反立方棱镜，物光和参考光经过半透半反立方棱镜合光后在CCD摄像机的靶面上相干涉，形成散斑干涉场。该干涉场由CCD摄像机转换为视频图像信号，视频信号由图像采集卡数字化为灰度图像。通过光路中设置的光学相移器，采用相移算法对散斑条纹进行相移定量分析。由于一个低功率He-Ne激光器的光功率有限，只能对大的被测物体的一个区域照明，所以只能得到该照明区域的待测信息，即该区域的包裹相位图和去包裹相位图。
采用第二个低功率He-Ne激光器对物体测量时，光路结构及测量过程和第一个低功率He-Ne激光器相似，只是在设置第二个低功率He-Ne激光器的物光光路时，使该低功率He-Ne激光器在被测物体上的照明区域和第一个低功率He-Ne激光器的照明区域相邻，并且有少许重合。采用相移算法同样可以得到第二个低功率He-Ne激光器照明区域的待测信息，即该区域的包裹相位图和去包裹相位图。由于第一个和第二个低功率He-Ne激光器的照明区域是紧密相邻的，并且有少许重合，通过图像拼接算法将两个区域的去包裹相位图拼接起来，就可以得到两个区域的连续的待测信息。
第三个低功率He-Ne激光器及以后的低功率He-Ne激光器的测量及图像拼接和前面所述的第一及第二个低功率He-Ne激光器的测量一样。多个低功率He-Ne激光器测量图像拼合后的结果就是整个被测物体的待测信息。
本发明由于采用的是低功率内腔式He-Ne激光器，相干性很高，所以得到的条纹对比度高，测量结果的质量好；同时综合利用了多个低功率He-Ne激光器的光功率，使测量面积成倍地增加，可以测量工程实际中的大尺寸物体。


图1是本发明的系统结构图；图中仅显示了三个He-Ne激光器，可以设置多个；
图2是采用第一个He-Ne激光器测量时的光路图；图3是采用第二个He-Ne激光器测量时的光路图；图4是采用第三个He-Ne激光器测量时的光路图。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
具体实施例方式
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统主要包括激光器电源5、三个低功率He-Ne激光器(6，7，8)、光开关(9，10，11)、参考光扩束镜12、激光分束镜(13、14、15)、全反射镜(16、17、18)、物光扩束镜(19、20、21)、成像镜头23、半透半反立方棱镜24、CCD摄像机25、图像采集卡2、D/A转换卡3、光学相移器4、计算机1。
附图和下面的说明是以三个低功率He-Ne激光器DSPI测量系统为例来说明本发明的实施方式，但本发明不限于三个低功率He-Ne激光器，可以扩展为具有更多低功率He-Ne激光器的测量系统。
图1中示出了本发明的系统结构图，图中光开关K1、K2、K3(图中标号为11、10、9)全部打开，三个低功率He-Ne激光器(6，7，8)同时对被测物体22照明。三个低功率He-Ne激光器的照明区域(A、B、C)紧密相邻，并且有少许重合。通过计算机1和光开关K1、K2、K3(图中标号11、10、9)的控制，用三个低功率He-Ne激光器对三个区域(A、B、C)分别进行测量，通过图像拼接算法将采用各个低功率He-Ne激光器获得的结果拼合起来，就得到了整个被测物体的测量结果。
图2中示出了采用第一个He-Ne激光器6测量时的光路结构图。此时光开关K1(图中标号11)打开，使第一个低功率He-Ne激光器6的光可以通过，光开关K2、K3(图中标号10、9)闭合，挡住第二和第三个低功率He-Ne激光器7、8的光。第一个低功率He-Ne激光器6的光通过光开关K1(图中标号11)后，经过激光分束镜BS1(图中标号15)分束后，分成参考光束和物光束。物光束经过全反射镜M1(图中标号18)的反射，及物光扩束镜BE1(图中标号21)的扩束后变成扩展光束，该扩展光束照射到被测物体(22)的A区域。物体的反射光经过成像镜头23后，穿过合光用的半透半反立方棱镜24到达CCD摄像机25的靶面。参考光经过光学相移器PS(图中标号4)的反射后到达参考光扩束镜RBE(图中标号12)，经过该扩束镜扩束后，参考光变成扩展光束并到达半透半反立方棱镜24，经过半透半反立方棱镜24的反射后到达CCD摄像机25的靶面。物光和参考光在CCD摄像机25的靶面上相干涉，形成散斑干涉场，该干涉场由CCD摄像机25转换为视频图像信号，视频信号由图像采集卡2数字化为灰度图像送入计算机1进行处理。在参考光路中设有光学相移器PS(图中标号4)，光学相移器PS(图中标号4)利用逆压电效应，在计算机1和D/A转换卡3的控制下，产生光学相移。在计算机1的控制下，采用相移算法得到被测物体22的A区域的包裹相位图和去包裹相位图，即得到被测物体22的A区域的待测信息。
图3中示出了采用第二个He-Ne激光器7测量时的光路结构图。采用第二个低功率He-Ne激光器7测量时和采用第一个低功率He-Ne激光器6测量时的光路结构及过程是一样的，只是此时光开关K2(图中标号10)打开，使第二个低功率He-Ne激光器7的光可以通过，光开关K1、K3(图中标号11、9)闭合，第一、三低功率He-Ne激光器(6、8)的光不能通过。第二个低功率He-Ne激光器7的光路结构设置使其照明区域是第一个低功率He-Ne激光器6照明区域A的相邻区域B，并且第一个低功率He-Ne激光器的照明区域A和第二个低功率He-Ne激光器的照明区域B稍有一些重合。同样采用相移算法得到被测物体22的B区域的包裹相位图和去包裹相位图，即得到被测物体22的B区域的待测信息。
图4中示出了采用第三个低功率He-Ne激光器8测量时的光路结构图。采用第三个低功率He-Ne激光器测量时和采用第一、第二个低功率He-Ne激光器测量时的光路结构及过程是一样的，只是此时光开关K3(图中标号9)打开，使第三个低功率He-Ne激光器8的光可以通过，光开关K1、K2(图中标号11、10)闭合，第一、二低功率He-Ne激光器6、7的光不能通过。第三个低功率He-Ne激光器8的光路结构设置使其照明区域是第二个低功率He-Ne激光器照明区域B的相邻区域C，并且第三个低功率He-Ne激光器的照明区域C和第二个低功率He-Ne激光器的照明区域B稍有一些重合。同样采用相移算法得到被测物体22的C区域的包裹相位图和去包裹相位图，即得到被测物体22的C区域的待测信息。
由于三个低功率He-Ne激光器6、7、8的照明区域A、B、C是紧密相邻的，各个激光器的照明区域A、B、C还有少许重合。并且，通过相移算法得到的物体各区域A、B、C的测量结果是图像，所以通过图像拼接算法将采用各激光器6、7、8测量得到的结果拼合到一起，就得到了整个大尺寸物体的整体待测信息。
通过增加低功率He-Ne激光器、反射镜和扩束镜的数目，还可以实现四个低功率He-Ne激光器、五个低功率He-Ne激光器或多个低功率He-Ne激光器的数字散斑干涉测量系统。其原理和光路的设置方式均与上述相同，在此不一一描述。
权利要求
1.一种分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统，包括计算机、图像采集卡、CCD摄像机、D/A转换卡构成的数字图像处理及测量控制部分，和低功率He-Ne激光器、激光分束镜、全反射镜、物光扩束镜、光学相移器、参考光扩束镜、成像镜头、半透半反立方棱镜构成的光路部分；图像采集卡和D/A转换卡插在计算机的扩展槽里，D/A转换卡与光学相移器相连，图像采集卡与CCD摄像机相连，半透半反立方棱镜和成像镜头设置在CCD摄像机的前方；其特征在于，所述的低功率He-Ne激光器设置多个，每一个低功率He-Ne激光器的光路上设有光开关，通过各光开关对低功率He-Ne激光器的控制，使不同的低功率He-Ne激光器在不同时刻对被测物体的不同区域照明；在数字图像处理及测量控制部分的控制下，系统在各个低功率He-Ne激光器分别照明时都实施相移测量，得到各低功率He-Ne激光器照明区域的待测信息，由计算机中设置的图像拼接算法将各激光器测量的结果拼接起来，得到大尺寸物体的完整待测信息。
2.如权利要求1所述的分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统，其特征在于，每个低功率He-Ne激光器射出的光束被激光分束镜分成物光束和参考光束，参考光束经过光学相移器和参考光扩束镜的反射，再经半透半反立方棱镜的反射后到达CCD摄像机的靶面；物光光束经过全反射镜和物光扩束镜的反射后对被测物体照明，物体的反射光经过成像镜头和半透半反立方棱镜后也到达CCD摄像机的靶面；物光和参考光在CCD摄像机的靶面上相干涉，形成散斑干涉场，CCD摄像机和图像采集卡将此散斑干涉场送入计算机中处理，得到物体的待测信息。
3.如权利要求1所述的分区拼接多He-Ne激光器数字散斑干涉测量系统，其特征在于，所述的多个低功率He-Ne激光器的照明区域依次紧密相邻，并且有少许重合。
全文摘要
本发明公开了一种分区拼接多He－Ne激光器数字散斑干涉测量系统，包括计算机、图像采集卡、CCD摄像机、D/A转换卡构成的数字图像处理及测量控制部分和激光分束镜、全反射镜、物光扩束镜、光学相移器、参考光扩束镜、成像镜头、半透半反立方棱镜构成的光路部分。其特点是系统中设置的低功率He－Ne激光器为多个，每一个低功率He－Ne激光器的光路上有光开关，通过光开关的控制，使不同的激光器在不同时刻对被测物体的不同区域照明，并且照明区域是紧密相邻的，而且有少许重合。各个低功率He－Ne激光器分别照明时均可以实现相移测量，采用图像拼接算法将各个激光器的测量结果拼接起来，得到大尺寸物体的完整待测信息。本发明使测量面积成倍地增加，得到的条纹对比度高。
文档编号G01B11/00GK1587897SQ200410073049
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月2日 优先权日2004年9月2日
发明者贾书海 申请人:西安交通大学