本發(fā)明提出了一種高精度大量程實時單點離面位移測量方法，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(以下簡稱“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)用場景，例如離面位移檢測、液體折射率場檢測等，也可以適用于一些對測量實時性有較高要求的應(yīng)用場景，如監(jiān)控晶體生長、材料線膨脹系數(shù)測量等，是綜合光測力學(xué)、圖像處理和自動控制等多門復(fù)合學(xué)科知識所提出的一套光學(xué)測量方法。
背景技術(shù)：
：近年來，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量受到越來越多的重視。通常情況下，人們將高精度位移測量技術(shù)分為兩類。一類是接觸式測量，這包括電測法、機械測量法等，但這類方法需要使用導(dǎo)桿或者探針接觸在被測物體表面，這會不同程度的對被測物的狀態(tài)產(chǎn)生影響，進而引入額外噪聲。另一類是非接觸式的測量方法，例如光學(xué)成像法、激光干涉法等，這類方法通常具有非接觸和測量范圍較大的特點。但是光學(xué)成像法的測量分辨率是微米量級，不能夠適應(yīng)超高精度要求的位移測量中；雖然基于激光干涉的測量法精度高，能達到1/100波長到1/1000波長的分辨率，但其測量量程成為該方法的一大弊端。同時，在全場位移測量方法中，常使用條紋細分技術(shù)來提高測量精度，但這些技術(shù)操作會給測量方法帶來較大的時間開銷，使其不能適用于對測量時間要求較高的工作環(huán)境。因此，如何提出一個既具有高精度、非接觸式測量特點，又能較好克服在激光干涉測量領(lǐng)域里的高測量分辨率與大量程矛盾，且具有良好時間響應(yīng)的測量方法，還面臨著諸多技術(shù)難題，目前在國際上尚未見到相關(guān)測量方法的報道。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：為滿足上述測量背景，結(jié)合到本發(fā)明所提出的測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量系統(tǒng)。其具有非接觸式、高精度、實時性、可實現(xiàn)較大測量量程的特點。該系統(tǒng)是一套光學(xué)測量系統(tǒng)，測量光路是基于邁氏光路干涉原理，通過參考端對發(fā)生在物端位移的實時追蹤來達到測量的目的。其實施過程需要解決的問題包括：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)搭建促動器伺服系統(tǒng)，包括對促動器的控制和促動器自身位移與電壓關(guān)系的標定；4)編寫整套測量系統(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時單點離面位移的測量方法，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)圖像反饋信號對位移進行跟蹤補償；所述圖像處理方式是指常用數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括灰度等級分析、灰度重心法、直方圖對比和/或匹配法；所述硬件設(shè)備是指各類高精度位移促動裝置，包括壓電式、電容式、電感式、步進電機式或人工螺旋式精密設(shè)備。更進一步的，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算初始狀態(tài)的圖像，獲得對應(yīng)的特征值；之后將該圖像算法實時計算最新的干涉圖像，并獲得各自對應(yīng)的特征值；通過特征值的對比判斷出干涉條紋的移動方向，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算初始狀態(tài)的圖像，獲得對應(yīng)的特征值；之后將該算法實時計算最新的干涉圖像，并獲得各自對應(yīng)的特征值；通過特征值的對比預(yù)估出干涉條紋的移動量，進而對硬件設(shè)備反饋跟蹤信號；步驟(4)、硬件設(shè)備根據(jù)反饋信號做出相應(yīng)的跟蹤響應(yīng)，直到預(yù)估位移大小的圖像算法檢測到最新的干涉圖像與初始狀態(tài)相同或者非常接近，此時硬件設(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實時離面位移測量系統(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)；所述促動器跟蹤系統(tǒng)是指在參考端負責(zé)跟蹤位移的裝置；所述控制軟件系統(tǒng)是指測量系統(tǒng)的操控軟件，具體包括對CCD相機的控制、圖像處理算法的實現(xiàn)、PZT器件的控制和跟蹤策略的實現(xiàn)。更進一步的，為了實現(xiàn)系統(tǒng)快速實時的特性，所述控制軟件系統(tǒng)的軟件功能均是按照windows消息響應(yīng)機制實現(xiàn)。更進一步的，使用的促動器跟蹤系統(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，通過電壓驅(qū)動控制該壓電陶瓷器件自由伸縮，從而推動反射鏡沿著參考端光軸自由移動。本發(fā)明的原理在于：基于本發(fā)明所提出的測量方法，搭建了一套邁氏光學(xué)測量系統(tǒng)，具體包括四部分：光源及測量光路、圖像系統(tǒng)、促動器跟蹤系統(tǒng)、測量系統(tǒng)軟件。第一部分：光源及測量光路光源及測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，負責(zé)提供穩(wěn)定的點光源，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106。偏振片是用來避免激光過高的功率導(dǎo)致對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Basler公司的CCD相機，型號為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：促動器跟蹤系統(tǒng)促動器跟蹤系統(tǒng)主要包括促動跟蹤模塊和精密位移加載模塊。促動跟蹤模塊是指參考端對物端位移進行跟蹤的硬件裝置。在本發(fā)明中所使用促動器裝置110由實驗室自制，具體包括壓電陶瓷器件(以下簡稱“PZT”)和電壓驅(qū)動器109；在測量系統(tǒng)中，將PZT緊密粘貼在反射鏡上(模型圖如圖2(a))，通過增減電壓使其能夠自由伸縮，從而達到位移追蹤的目的。精密位移加載模塊是由納米平動裝置107和相應(yīng)的數(shù)字控制器108組成，納米平動裝置(模型圖如圖2(b))位移精度為1nm，調(diào)節(jié)范圍在300μm；在實際測量中，該裝置既可作為被測物的放置平臺，也可以在PZT標定時提供等間距的移動量。第四部分：測量系統(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++實現(xiàn)，在VS2010環(huán)境里編寫，相機控制程序運行在Balser公司的Pylon4.0版本下，PZT控制程序是基于RS232的串口通信，跟蹤過程均以windows消息事件的方式進行觸發(fā)?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明理論測量分辨率可達0.148nm，單次步長響應(yīng)時間約0.3s，測量范圍約0.6μm。本發(fā)明的特點是，構(gòu)建了一套新型的光學(xué)測量系統(tǒng)，綜合了激光干涉、圖像處理和自動控制等多個學(xué)科知識，能實現(xiàn)單方向上納米級精度的實時測量，可以解決在高精度測量領(lǐng)域中測量分辨率與測量范圍的矛盾問題，并保證良好的系統(tǒng)響應(yīng)時間，在高精密機械、航空航天等領(lǐng)域中能得到較好的應(yīng)用，對于發(fā)展極端條件下的材料無損檢測技術(shù)也具有積極的推動作用。附圖說明圖1是本發(fā)明光學(xué)測量系統(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；107為納米平動臺；108為納米平動臺控制器；109為電壓控制器；110為促動器裝置；111為測量系統(tǒng)軟件平臺。圖2本發(fā)明中納米平動裝置以及促動器裝置模型圖，其中，圖2(a)是本發(fā)明中納米平動裝置模型圖，圖2(b)是本發(fā)明中促動器裝置模型圖，其中，201為反射鏡；202為反射鏡架；203為架桿；204為納米平動臺；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為準備跟蹤按鈕；303為開始跟蹤模式按鈕；304為跟蹤電壓量的實時顯示窗。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電壓與位移的標定結(jié)果。圖6是軟件實現(xiàn)流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明一種高精度大量程實時單點離面位移的測量方法，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)圖像反饋信號對位移進行跟蹤補償；所述圖像處理方式是指常用數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括灰度等級分析、灰度重心法、直方圖對比和/或匹配法；所述硬件設(shè)備是指各類高精度位移促動裝置，包括壓電式、電容式、電感式、步進電機式或人工螺旋式精密設(shè)備。如圖1所示，本發(fā)明具體實施時包含以下部分：調(diào)節(jié)光路、搭建圖像系統(tǒng)、標定和控制PZT、啟動系統(tǒng)控制軟件。各部分具體實施過程和實施例如下：一、調(diào)節(jié)光路由He-Ne激光器發(fā)出穩(wěn)定的點光源，經(jīng)過空間濾波器102和凸透鏡103后點光源被擴束成為一組均勻的平行光，該平行光經(jīng)過分光鏡104被分束為兩個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，當(dāng)物端的位移發(fā)生后，干涉圖樣中的條紋發(fā)生移動，如果參考端的促動器快速移動相等的距離，干涉圖樣中的條紋即回到初始位置，整個過程可以用以下關(guān)系是描述：φ(p,t)=kp1-kp2=2πλ(p1-p2)---(1)]]>其中，λ是激光波長，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距離。而在實際測量過程中，人工調(diào)節(jié)的光路無法滿足參考端和物端的兩光路絕對垂直，且也無法保證位移方向或者促動器追蹤方向嚴格沿著光軸方向移動，因此添加了一個系統(tǒng)常數(shù)項K，其滿足關(guān)系：dOBJ＝K·dREF(2)其中，dOBJ和dREF分別是物端和參考端的實際移動距離，K是系統(tǒng)搭建完畢后需要標定的系統(tǒng)常數(shù)。最后，由于測量原理是基于干涉條紋的位置作為判據(jù)，因此過于密集的條紋不易于跟蹤算法的識別，建議在干涉圖樣里存在10級以內(nèi)的條紋數(shù)。二、搭建圖像系統(tǒng)為了避免激光過高的功率導(dǎo)致對CCD感光器件的損壞，在CCD前放置一個方向可調(diào)的偏振片105。然后使用Basler公司的提供的程序開發(fā)庫Pylon4.0，將相機控制打開并工作在連續(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)生會使得在干涉圖中的條紋向左或者向右移動，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，即通過位移前后圖像的重心移動方向來判定位移的方向，其計算方法為bcx=1M·NΣiMΣjNxi·I(i,j)bcy=1M·NΣiMΣjNyi·I(i,j)---(3)]]>其中，M和N分別是圖像的長度和寬度，I是圖像的灰度。但在實際操作中，由于干涉圖樣里會經(jīng)常存在有多級周期性條紋的情況，這會導(dǎo)致使用全場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個小窗口實際測量圖)，用以確保位移方向判斷的準確性。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際位移的方向，因此在實際系統(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)算法來預(yù)估位移大小，即通過位移前后圖像的直方圖相似度來判斷位移大小。首先分別獲取位移前后干涉圖樣的灰度直方圖，然后計算直方圖的相似度，其計算公式為：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，計算過程為N是圖像灰度的種類數(shù)。當(dāng)d(H1,H2)的實時計算值等于或者近似為1時，就認為兩端移動距離相等，跟蹤過程結(jié)束。類似地，“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，同時也減小了計算量。三、標定和控制PZT在本發(fā)明中，使用的跟蹤器件是PZT，其運動的線性度是保證測量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此在系統(tǒng)運行前需要標定該PZT電壓與位移的關(guān)系，使得在系統(tǒng)運行的時候，即可通過電壓的變化量直接換算得到位移大小。在標定中，使用的方法是等步長相移法，即通過每個位置狀態(tài)之間的位相差來判定PZT的線性度，相等步長的間距由納米平動臺提供，最終PZT的電壓與位移的標定結(jié)果由圖5給出。在位移跟蹤時，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由大步到小步自動快速移動，直至移動距離與位移大小相等，表1是設(shè)定的直方圖相關(guān)結(jié)果與跟蹤電壓步長的關(guān)系表。最后，將PZT的驅(qū)動器與計算機相連，通過串口通信方式實現(xiàn)對PZT驅(qū)動器的控制，同時設(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)定電壓步長的關(guān)系表四、啟動系統(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++實現(xiàn)，在VS2010環(huán)境里編寫，平臺框架基于MFC搭建，相機控制程序運行在Balser公司的開發(fā)庫Pylon4.0，PZT控制程序是基于RS232的串口通信協(xié)議，跟蹤過程均以windows消息事件進行觸發(fā)。圖6是軟件系統(tǒng)流程圖，其工作過程為：在相機工作在連續(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，之后對各小窗口區(qū)域的數(shù)據(jù)做圖像分析；首先通過圖像灰度重心算法計算各窗口區(qū)域的灰度重心，將各個計算結(jié)果與初始狀態(tài)下的重心位置對比并統(tǒng)計移動方向數(shù)，即Cleft和Cright，如果其值的大小達到了預(yù)設(shè)的閾值T1，即判定位移方向；然后利用灰度直方圖對比算法遍歷各小窗口，將各個窗口內(nèi)的灰度直方圖與初始狀態(tài)的對應(yīng)區(qū)域做相關(guān)對比，并將各小窗口計算結(jié)果的平均值作為最終計算結(jié)果，此時如果計算結(jié)果達到了閾值T2，即開始跟蹤，同時相機保持連續(xù)采圖模式。如圖3所示，操作過程為先打開CCD相機，然后點擊“連續(xù)采圖”按鈕301讓相機工作在連續(xù)采圖模式；再點擊“準備跟蹤”按鈕302使得圖像算法運行在各個小窗口區(qū)域內(nèi)；當(dāng)干涉圖像穩(wěn)定后，點擊“開始跟蹤”按鈕303，此時的狀態(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)會自動促使PZT進行快速跟蹤，窗口304中會實時顯示跟蹤電壓量。根據(jù)跟蹤電壓量可以換算出位移大小，然后再乘以標定系數(shù)K就可以得到真實位移值。當(dāng)前第1頁1 2 3