专利名称：三维变形场同时载频调制的电子散斑检测方法
技术领域：
本发明涉及一种变形场的载频电子散斑干涉三维位移分量的检测方法，属于采用 载频电子散斑干涉测量物体变形三维分量的技术领域。
背景技术：
在光力学测量中，电子散斑干涉测量技术可以精确测量物体的变形场，具有精度 高、非接触、对隔震要求低等优点，在物体的静、动态测量中得到广泛应用。但目前典型的电 子散斑干涉技术只能测量物体的一维变形。由于物体的变形是三维的，常常需要测量物体 的二维或三维变形分量。时间相移和载频调制是两种有效的相位定量测量技术。与相移技 术相比，干涉条纹空间调制的方法不需要精密的相移设备，对测量的环境要求低，具有适合 动态测量的优点，在实际应用中有重要价值。在已有的研究成果中，应用相移电子散斑的方 法测量三维位移分量已有报道。应用三个测量光路分别载频调制的电子散斑法已有报道， 该方法对三个位移分量分别调制分别解调，光路复杂，本质上还是一维的载频调制。对三个 位移分量一次性同时调制和解调的电子散斑方法还未见报道。

发明内容
本发明针对现有载频电子散斑测量三维位移分量方法的不足，提供一种三维变形 场同时载频调制的电子散斑检测方法，该方法可高质量的同时载频调制物体变形场的三个 位移分量，一次性测量得到物体变形的三维位移分量。本发明的三维变形场同时载频调制的电子散斑检测方法，是在被测物一侧固定放置一与其平行但不接触的参考物，被测物中心和大错位方棱 镜中心的连线与参考物中心和大错位方棱镜中心的连线形成的夹角与大错位方棱镜的分 束角度相等；被测物的前方放置一个大错位方棱镜，被测物面和参考物面通过大错位方棱 镜叠加成像，大错位方棱镜前面放置一个摄像头，用三个激光器从不同的方向分别同时照 明被测物面和参考物面，三个激光器的前面均设有一个扩束镜；在被测物变形前，用三个激 光器分别同时照明被测物面和参考物面，分别采集散斑干涉图像，得到三幅原始的被测物 面散斑干涉图像，将参考物面偏转，再分别采集三幅被测物面散斑干涉图像，将对应同一激 光器的、参考物面偏转前后得到的被测物面散斑干涉图像相减，得到三幅被测物面载波条 纹图；保持参考物面偏转状态不变，被测物加载变形后，再用三个激光器分别同时照明被测 物面和参考物面，分别采集被测物变形后的三幅被测物面散斑干涉图像，将被测物变形后 的三幅被测物面散斑干涉图像与三幅原始的被测物面散斑干涉图像相减，得到三幅被测物 面受调制载波条纹图；三幅被测物面受调制载波条纹图与三幅被测物面载波条纹图结合， 利用傅里叶变换法分别解调，得到对应三个激光器照明的包含离面位移和面内位移分量信 息的三幅相位图；对三幅相位图进行相位运算得到三维位移场分量。大错位方棱镜为中国专利文献CN201364392公开的《一种实现电子散斑干涉的大 错位方棱镜》，该大错位方棱镜由普通光学玻璃磨制的二个直角三角棱镜组成，其中一个直角三角棱镜的斜面上镀有半透半反膜，这二个直角三角棱镜的斜面用光学胶粘合在一起形 成方棱镜，该方棱镜的一个反射面是磨去一个楔角a的斜面，a在1°到10°之间，方棱 镜的入射光所在的面和出射光所在的面镀有增透膜，两个反射面均镀有全反射膜。该大错 位方棱镜采用普通光学玻璃取代了现有技术中昂贵的方解石晶体，通过对普通光学玻璃制 备的方棱镜进行磨制实现了电子散斑干涉，结构简单，能够很好的控制分束角，获得的干涉 条纹质量好，容易实现干涉。本发明采用大错位方棱镜使被测物体面和参考物面近距离叠加成像，通过偏转参 考物面引入载波条纹，对三个激光照明干涉场一次性进行调制；三维变形场同时载频调制 的电子散斑技术，结合傅里叶变换方法，可以实现变形场三个位移分量的同时测量。该方法 具有光路简单，操作相对简单，测量精度高的优点。


图1是典型的单光束照明电子散斑干涉系统光路示意图。图2是三维载频调制的电子散斑干涉系统示意图。图3是第一激光器照明时被测物体变形前载波条纹图。图4是第二激光器照明时被测物体变形前载波条纹图。图5是第三激光器照明时被测物体变形前载波条纹图。图6是第一激光器照明时被测物体变形后受调制载波条纹图。图7是第二激光器照明时被测物体变形后受调制载波条纹图。图8是第三激光器照明时被测物体变形后受调制载波条纹图。图9是第一激光器照明时的物体变形包络相位图。图10是第二激光器照明时的物体变形包络相位图。图11是第三激光器照明时的物体变形包络相位图。图12是分离出的面内位移分量(u场)的条纹图。图13是分离出的面内位移分量(v场)的条纹图。图14是分离出的离面位移分量(w场)的条纹图。
具体实施例方式要获得变形场的位移分量值，一般采用三点照明的方法，即改变下式(1)中的入 射角度，并实现三幅相位场的测量，通过相位分离计算得到位移场的分量值。三维变形的物 体例子在工程测量中常常遇见，以有机玻璃制成的简支梁为被测物体说明本发明的三维变 形场同时载频调制的电子散斑检测方法。典型的单光束照明电子散斑干涉系统如图1所示，包括激光器、反射镜、扩束镜、透 镜、半透半反镜和摄像头，测量的是物体变形的混合场。当入射到被测物体表面的照明光束的 入射角是0时，被测物体表面变形引起的相位变化△ 可由位移分量和入射角e表示 式(1)中，w表示物体的离面位移，u代表物体的面内位移水平分量，\是所用激 光的波长，9是照明光与被测物体表面法线的夹角。
对于三维载频调制的电子散斑干涉系统，如图2所示，当只有第一激光器照射时， 被测物体变形前后的相位变化关系式可以由(1)式得出为
(2)

同理，对于只有第二激光器或第三激光器照射的干涉系统，被测物体变形前后的
相位变化关系式分别为
(3)
(4)上述(2)、(3)、(4)三式中，u、v、w分别对应被测物体在x、y、z三个坐标轴方向上 的变形分量。ei、e2* e3分别是三个激光器照明物体的入射角度，三个角度的大小可通 过扩束镜的坐标计算得到。通过联立(2)、(3)、(4)三式，求解出被测物体的三维变形量u、
v、w。干涉条纹场经线性调制后，变成密集的、含有变形信息的载波条纹。受调制的载波 条纹可表述为I (x, y) = a (x, y) +b (x, y) cos [ △Φ(x, y) +2 n πf0x](5)其中，a(x, y)为背景光强，b(x，y)为条纹幅值，b(x，y)/a(x, y)通常称为条纹对 比度，A小(x, y)为物体变形引起的位相变化，即待求位相，它们都是空间位置的函数。式 中fo是物体偏转引入的沿x轴方向的空间频率。
(6) 其中，A是所用激光的波长，e是照明光与被测物体表面法线的夹角，A a为物 体转动的微小角度。由(1)式可知，受调制的干涉条纹的相移量不随时间变化，而是随空间变化。载波 条纹在x方向上的光强表达式(5)可表示为I (x, y) = a (x，y) +c (x，y) exp (j2 n f0x) +c* (x，y) exp (_j2 n f0x)(7)其中，j代表虚部单位，*表示复数的共轭。c(x，y)用复数形式来表示，为
(8 )在x轴方向对光强I (x，y)进行傅立叶变换可以得到H(fx, y) = A (fx, y) +C (fx-f0, y) +C* (fx+f0, y)(9)其中，A(fx，y)是由背景光强和低频噪声变换得到的。用适当的滤波器将A(fx，y) ^P C*(fx+f0, y)滤掉，得到((&-&，y)后将其移到原点变为C(fx，y)，再做傅立叶逆变换得 到c(x，y)，可得到相位分布
(10)其中，Re和Im表示取复数的实部和虚部。由式(10)得到的是主值在[_ n，Ji ] 内的变化的包络位相，需要解包络运算才能将其连续化。三维载频调制的电子散斑干涉系统如图2所示，包括三个激光器、三个扩束镜、一个大错位方棱镜、和摄像头(包含透镜)，大错位方棱镜采用中国专利文献CN201364392公 开的《一种实现电子散斑干涉的大错位方棱镜》。激光光源为He-Ne激光器，光源波长为 0.6328 μ m。参考物面临近放置在被测物体旁边。被测物体为有机玻璃制成的简支梁，其长 为150. Omm,高19. 5mm,厚18. 5mm。加载的跨距为70. 0mm。在简支梁表面涂以水性涂料以 增强其反射率。选取被测物体的中心轴线(表面法线)为ζ轴，建立三维坐标系xyz。参考 物面由步进电机驱动，可在x-z方向、y_z方向做微小偏转。选择三个功率、光强近似相等 的激光器1、激光器2和激光器3。将激光器1前面的扩束镜1和激光器2前面的扩束镜2 布置于χ轴上，且分布于ζ轴两侧位置；激光器3前面的扩束镜3则布置于y轴正半轴上， 使得分别位于三个激光器前方的扩束镜近似共面于xoy面。同时，激光器1、激光器2和激 光器3发出的激光束与ζ轴(被测物体表面法线)分别成θ ” θ 2和θ 3。在被测物体正前 方的ζ轴上，放置有大错位方棱镜，用于接收物光和参考光。大错位方棱镜前放置摄像机。 物光和参考光经过大错位方棱镜在CXD靶面叠加产生散斑干涉，干涉散斑图像经CXD接入 计算机，通过数字图像处理系统进行数据处理。为了更具一般性，三个激光器距xyz坐标系 原点0的距离是任意的，即三个激光器的位置具有随意性。各个激光器光束的入射角度由 各个激光器前方各个扩束镜相对于被测物体的坐标数值确定。首先，激光器1、激光器2和激光器3分别从水平和竖直三个不同的方向照明被测 物和参考物，三个激光器和成像系统分别形成大错位电子散斑干涉系统。分别采集散斑干 涉图像，得到对应激光器1、激光器2和激光器3照明的三幅原始的被测物面的散斑干涉图 像；参考物面偏转后再分别采集三幅散斑干涉图像。对应同一激光器的散斑干涉图像相减， 得到三幅载波条纹图。激光器1照明时的载波条纹图如图3所示，激光器2照明时的载波 条纹图如图4所示，激光器3照明时的载波条纹图如图5所示。被测物变形后，再分别采集三幅散斑干涉图像，该三幅图像与对应同一照明激光 器的原始物面散斑干涉图像相减，得到三幅受调制的载波条纹图。载波条纹受物体变形的 调制而发生弯曲。激光器1照明时的受调制的载波条纹如图6所示，激光器2照明时的受 调制的载波条纹如图7所示，激光器3照明时的受调制的载波条纹如图8所示。对应每一照明激光器，有二幅条纹图物体变形前的载波条纹图和物体变形后的 受调制的载波条纹图。利用傅里叶变换法解调，得到该激光器照明的包含离面位移和面内 位移分量信息的一幅包络相位图。三个激光器照明，共得到三幅包络相位图。激光器1照 明时的物体变形包络相位图如图9所示，激光器2照明时的物体变形包络相位图如图10所 示，激光器3照明时的物体变形包络相位图如图11所示。图9、图10、图11为物体混合变 形场，经相位解包络并运用式(2)、式(3)和式(4)计算，可分离得到χ、y、ζ三个坐标轴方 向上的变形分量的相位分布，即位移分量u、v、w的相位场。为了方便对照，根据分离出的相 位场重建成条纹图的形式，面内位移u场的条纹图如图12所示，面内位移ν场的条纹图如 图13所示，离面位移w场条纹图如图14所示。本发明利用三光束激光照明的电子散斑系统，采用大错位方棱镜使被测物体和参 考物面近距离叠加成像，通过偏转参考物面引入载波条纹，对三个激光照明干涉场一次性 进行调制；利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面和面内位移信息的三幅位相图；进 行位相运算分离位移场的三个分量。特点是对物体变形的三个散斑干涉条纹场的载频调制 是一次性的；变形场的三个位移分量是从混合位移场计算得到，不是分别测量得到。
权利要求
三维变形场同时载频调制的电子散斑检测方法，其特征是在被测物一侧固定放置一与其平行但不接触的参考物，被测物中心和大错位方棱镜中心的连线与参考物中心和大错位方棱镜中心的连线形成的夹角与大错位方棱镜的分束角度相等；被测物的前方放置一个大错位方棱镜，被测物面和参考物面通过大错位方棱镜叠加成像，大错位方棱镜前面放置一个摄像头，用三个激光器从不同的方向分别同时照明被测物面和参考物面，三个激光器的前面均设有一个扩束镜；在被测物变形前，用三个激光器分别同时照明被测物面和参考物面，分别采集散斑干涉图像，得到三幅原始的被测物面散斑干涉图像，将参考物面偏转，再分别采集三幅被测物面散斑干涉图像，将对应同一激光器的、参考物面偏转前后得到的被测物面散斑干涉图像相减，得到三幅被测物面载波条纹图；保持参考物面偏转状态不变，被测物加载变形后，再用三个激光器分别同时照明被测物面和参考物面，分别采集被测物变形后的三幅被测物面散斑干涉图像，将被测物变形后的三幅被测物面散斑干涉图像与三幅原始的被测物面散斑干涉图像相减，得到三幅被测物面受调制载波条纹图；三幅被测物面受调制载波条纹图与三幅被测物面载波条纹图结合，利用傅里叶变换法分别解调，得到对应三个激光器照明的包含离面位移和面内位移分量信息的三幅相位图；对三幅相位图进行相位运算得到三维位移场分量。
全文摘要
本发明提供了一种三维变形场同时载频调制的电子散斑检测方法，该方法是采用大错位方棱镜实现三个激光器近距离照明和使被测物面和参考物面近距离叠加成像；通过偏转参考物面引入载波条纹，对三个激光照明的散斑干涉条纹场一次性进行调制；物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形，三个激光器各自独立地对变形物体进行测量，采集物体变形前后的载波条纹和受调制的载波条纹，利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面和面内位移信息的三幅位相图；进行位相运算分离位移场的三个分量。本发明通过对参考物面的偏转同时实现了三个散斑干涉条纹场的调制，得到了高质量的调制条纹。具有光路简单，操作相对简单，测量精度高的优点。
文档编号G01B11/02GK101871769SQ201010189020
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者刘娟, 孙平, 王兴海, 王锐, 范香菊, 高秀梅 申请人:山东师范大学