專(zhuān)利名稱(chēng)：對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法，屬于采用電子散斑干涉測(cè)量物體變形二維分量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)可以精確測(cè)量物體的變形場(chǎng)，具有精度高、非接觸、對(duì)隔震要求低等優(yōu)點(diǎn)，在物體的靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。但目前典型的電子散斑干涉技術(shù)只能測(cè)量物體的一維變形。由于物體的變形是三維的，常常需要測(cè)量物體的二維或三維變形分量。但在已有的研究成果中，單光束照明的電子散斑干涉只能獲得離面位移場(chǎng)或者混合場(chǎng)，不能測(cè)量物體的二維或三維變形分量。物體的二維位移分量的測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，通常采用對(duì)稱(chēng)光束照明或者多光束照明的方式。復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)增加了測(cè)量的不確定度，不利于實(shí)現(xiàn)物體位移場(chǎng)的快速、穩(wěn)定的測(cè)量，從而限制了該技術(shù)在工業(yè)等領(lǐng)域的某些應(yīng)用。事實(shí)上很多物體的變形場(chǎng)是具有對(duì)稱(chēng)性的，可以根據(jù)變形場(chǎng)對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，通過(guò)圖像處理的辦法，由單光束照明測(cè)量得到的相位場(chǎng)中分離獲得二維的變形分量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有電子散斑干涉技術(shù)存在只能測(cè)量物體的一維變形的問(wèn)題，提供一種能夠快速、穩(wěn)定地測(cè)量對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)物體變形二維分量的對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法。
本發(fā)明對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法的步驟為(1)通過(guò)單光束照明的電子散斑干涉系統(tǒng)對(duì)具有對(duì)稱(chēng)變形的物體進(jìn)行測(cè)量，采用相移技術(shù)或者載波調(diào)制和傅里葉方法得到物體變形的相位場(chǎng)；(2)對(duì)變形相位圖進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)、反相運(yùn)算后得到第二幅相位圖，對(duì)兩幅相位圖進(jìn)行解包絡(luò)、圖像復(fù)位、疊加以及代數(shù)運(yùn)算后分離出面內(nèi)位移場(chǎng)和離面位移場(chǎng)，獲得物體的二維變形場(chǎng)的分量值。
本發(fā)明采用相移或者載波調(diào)制和傅里葉解調(diào)的方法得到變形的相位場(chǎng)。根據(jù)變形場(chǎng)對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，僅對(duì)一個(gè)位移方程進(jìn)行變化就可實(shí)現(xiàn)相位場(chǎng)的分離運(yùn)算，也就是僅通過(guò)對(duì)這一幅相位圖進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算就可實(shí)現(xiàn)二維位移場(chǎng)分離，從而得到物體的二維位移場(chǎng)的分量值。該方法為近似計(jì)算方法，但是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，也減少了測(cè)量時(shí)間，為二維測(cè)量提供了一種快速、穩(wěn)定的檢測(cè)方法。該方法適用對(duì)稱(chēng)變形的情況，可使物體對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的二維檢測(cè)變地更簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。


圖1為典型的電子散斑干涉系統(tǒng)光路示意圖。
圖2為周邊固定、中心加載的鋁制圓盤(pán)的對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)特征示意圖。
圖3為大剪切電子散斑干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為物體變形前載波條紋圖像。
圖5為物體加載變形后，載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲后的載波條紋圖。
圖6為通過(guò)傅立葉變換法得到的變形場(chǎng)的包絡(luò)相位圖。
圖7為將相位圖水平鏡像旋轉(zhuǎn)180度并將其反相后的包絡(luò)相位圖。
圖8為分離出的面內(nèi)位移場(chǎng)的條紋圖。
圖9為分離出的離面位移場(chǎng)的條紋圖。
圖10為離面位移場(chǎng)等位移線圖。
圖11為面內(nèi)位移場(chǎng)等位移線圖。
圖中1、激光器，2、半透半反鏡，3、反射鏡，4、反射鏡，5、反射鏡，6、擴(kuò)束鏡，7、擴(kuò)束鏡，8、攝像頭，9、半透半反鏡，10、透鏡，11、圓盤(pán)，12、激光器，13、擴(kuò)束鏡，14、大剪切棱鏡，15、透鏡，16、攝像頭，17、偏振片，18、參考物。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例要獲得位移場(chǎng)的分量值，一般采用對(duì)稱(chēng)照明的方法。即改變下式(1)中入射角度的符號(hào)，并實(shí)現(xiàn)二幅相位場(chǎng)的測(cè)量，通過(guò)相位分離計(jì)算得到位移場(chǎng)的分量值。若測(cè)量的對(duì)象是對(duì)稱(chēng)變形，則可以通過(guò)將相位圖翻轉(zhuǎn)、求反相獲得第二幅相位圖，二幅相位代數(shù)計(jì)算即可分離位移場(chǎng)分量。對(duì)稱(chēng)變形的物體例子在工程測(cè)量中常常遇見(jiàn)，本實(shí)施例以周邊固定、中心加載的圓盤(pán)為物體例說(shuō)明本發(fā)明的位移場(chǎng)分量分離。
典型的單光束照明電子散斑干涉系統(tǒng)如圖1所示，包括激光器1、反射鏡3、4和5、擴(kuò)束鏡6和7、透鏡10、半透半反鏡2和9以及攝像頭8。它測(cè)量的是物體變形的混合場(chǎng)。當(dāng)入射到待測(cè)物體表面的照明光束的入射角是θ很小或者垂直時(shí)，測(cè)量得到的是離面位移分量。物體表面變形引起的相位變化可由位移分量和入射角θ表示Δφ=2πλ[w(1+cosθ)+usinθ]---(1)]]>式(1)中，w表示物體的離面位移，u代表物體的面內(nèi)位移水平分量。
當(dāng)物面饒y軸翻轉(zhuǎn)后，式(1)中的三個(gè)變量變化。物面翻轉(zhuǎn)后，表面的法線方向沿z軸的反方向，則有θ變化為-θ，w變化為-w，u不變化。
將變化后的變量代入式(1)，則物面翻轉(zhuǎn)后的相位為Δφinv=2πλ{(-w)[1+cos(-θ)]+usin(-θ)}]]>=-2πλ[w(1+cosθ)+usinθ]---(2)]]>式(2)說(shuō)明，當(dāng)物面翻轉(zhuǎn)后，變形相位與原相位反相。
圖2所示的是周邊固定、中心加載的鋁制圓盤(pán)11的對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)特征示意圖，P(x，y)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位變化如式(1)所示。將圓盤(pán)11翻轉(zhuǎn)后，P(x，y)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到了y軸的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′(-x，y)點(diǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)前的相位圖與旋轉(zhuǎn)后的相位圖復(fù)位疊加運(yùn)算時(shí)，原相位圖的P(x，y)點(diǎn)相位與旋轉(zhuǎn)后相位圖上的P′(-x，y)點(diǎn)相位疊加。由于變形具有對(duì)稱(chēng)性，假定P(x，y)點(diǎn)與其對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′(-x，y)的位移大小近似相同，則在旋轉(zhuǎn)前的同一張相位圖上，P′(-x，y)點(diǎn)的離面位移w大小方向均保持不變，與P(x，y)點(diǎn)相同；而其面內(nèi)位移分量u的大小不變但方向不同，與P(x，y)點(diǎn)面內(nèi)位移u的方向相反。因此，考慮形變的影響后，由式(2)可得旋轉(zhuǎn)后的相位圖上的P′(-x，y)點(diǎn)相位為Δφinv′=-2πλ[w(1+cosθ)-usinθ]---(3)]]>將式(1)和式(3)相加，可得到面內(nèi)位移分量Δφ+Δφinv′=4πλusinθ---(4)]]>將式(1)和式(3)相減，可得到物體變形的離面位移Δφ-Δφinv′=4πλw(1+cosθ)---(5)]]>可見(jiàn)，在變形對(duì)稱(chēng)的情況下，只要一幅由相移方法或者載頻調(diào)制法得到的變形相位圖，就可以求解w場(chǎng)和u場(chǎng)的信息。
用如圖3所示的大剪切電子散斑干涉系統(tǒng)對(duì)圓盤(pán)11進(jìn)行測(cè)量，大剪切電子散斑干涉系統(tǒng)包括激光器12、擴(kuò)束鏡13、大剪切棱鏡14、透鏡15、攝像頭16、偏振片17和參考物18。激光器12的激光光源為He-Na，光源波長(zhǎng)為0.6328μm。圓盤(pán)11厚2mm，直徑為60mm，中心用千分尺加載。參考物18為漫散射物面，可在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下作微小偏轉(zhuǎn)。被測(cè)物和參考物由入射角度θ為47°的擴(kuò)束光照明，物面和參考面產(chǎn)生的散斑場(chǎng)經(jīng)大剪切棱鏡14和偏振片17在攝像頭16的靶面上干涉疊加。
首先，旋轉(zhuǎn)參考物18，引入載波條紋，如圖4所示。然后物體加載，載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲，如圖5所示。通過(guò)傅立葉變換法得到變形場(chǎng)的相位圖，如圖6所示。根據(jù)變形場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性，將相位圖水平鏡像旋轉(zhuǎn)180度并將其反相，如圖7所示。經(jīng)相位解包絡(luò)計(jì)算得二幅解包絡(luò)相位圖，二幅解包絡(luò)相位圖疊加并圖像復(fù)位，運(yùn)用式(4)和式(5)，可分離出面內(nèi)位移相位場(chǎng)和離面位移相位場(chǎng)。為了方便對(duì)照，根據(jù)分離出的相位場(chǎng)重建成條紋圖的形式，圖8為面內(nèi)位移場(chǎng)的條紋圖，圖9為離面位移場(chǎng)條紋圖。圖10和圖11分別為離面位移場(chǎng)等位移線圖和面內(nèi)位移場(chǎng)等位移線圖。其中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的范圍為50mm，位移單位為微米。
本發(fā)明利用典型的單光束照明電子散斑系統(tǒng)，采用相移或者載波調(diào)制和傅里葉解調(diào)的方法得到變形的相位場(chǎng)。根據(jù)變形場(chǎng)對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，僅通過(guò)對(duì)這一幅相位圖進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算就可實(shí)現(xiàn)二維位移場(chǎng)分離，從而得到物體的二維位移場(chǎng)的分量值。
該方法適用對(duì)稱(chēng)變形的情況，可使物體對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的二維檢測(cè)變得更簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。為電子散斑干涉技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)提供了一種新的途徑。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法，其特征是該方法的步驟為(1)通過(guò)單光束照明的電子散斑干涉系統(tǒng)對(duì)具有對(duì)稱(chēng)變形的物體進(jìn)行測(cè)量，采用相移技術(shù)或者載波調(diào)制和傅里葉方法得到物體變形的相位場(chǎng)；(2)對(duì)變形相位圖進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)、反相運(yùn)算后得到第二幅相位圖，對(duì)兩幅相位圖進(jìn)行解包絡(luò)、圖像復(fù)位、疊加以及代數(shù)運(yùn)算后分離出面內(nèi)位移場(chǎng)和離面位移場(chǎng)，獲得物體的二維變形場(chǎng)的分量值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對(duì)稱(chēng)變形場(chǎng)的單光束電子散斑干涉二維檢測(cè)方法。該方法的步驟為(1)通過(guò)單光束照明的電子散斑干涉系統(tǒng)對(duì)具有對(duì)稱(chēng)變形的物體進(jìn)行測(cè)量，采用相移技術(shù)或者載波調(diào)制和傅里葉方法得到物體變形的相位場(chǎng)；(2)對(duì)變形相位圖進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)、反相運(yùn)算后得到第二幅相位圖，對(duì)兩幅相位圖進(jìn)行解包絡(luò)、圖像復(fù)位、疊加以及代數(shù)運(yùn)算后分離出面內(nèi)位移場(chǎng)和離面位移場(chǎng)，獲得物體的二維變形場(chǎng)的分量值。本發(fā)明僅對(duì)一幅相位圖進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算就可實(shí)現(xiàn)二維位移場(chǎng)分離，從而得到物體的二維位移場(chǎng)的分量值。該方法為近似計(jì)算方法，但是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，為二維測(cè)量提供了一種快速、穩(wěn)定的檢測(cè)方法。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1932438SQ200610068978
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者孫平 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)