本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字散斑干涉測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字散斑干涉技術(shù)和剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)是兩種基于激光散斑干涉技術(shù)的全場(chǎng)、非接觸、高精度、高靈敏度的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。前者廣泛應(yīng)用于物體表面的變形測(cè)量、振動(dòng)分析、形貌測(cè)試和缺陷檢測(cè)等，而后者可直接測(cè)量物體變形的斜率，主要應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。整合數(shù)字散斑干涉技術(shù)和剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)開(kāi)展物體變形及其斜率信息的同步測(cè)量研究，對(duì)于解決具有相對(duì)較大變形和相對(duì)較小斜率物體的內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題顯得較為方便，這也為實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)中不同類型缺陷的無(wú)損檢測(cè)提供了多種選擇。

目前基于數(shù)字散斑干涉技術(shù)的物體變形及其斜率同時(shí)測(cè)量方法主要分成三類：第一類是多孔徑剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)，該技術(shù)需針對(duì)不同測(cè)試對(duì)象制作專門(mén)的多孔徑模板，光路系統(tǒng)較為復(fù)雜，且獲得的變形及其斜率信息相互耦合，并不獨(dú)立；第二類是邁克爾遜式剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)，該技術(shù)獲得的載頻變形信息和斜率信息相互耦合，不獨(dú)立，需在頻域中設(shè)置適合的頻率窗口將其進(jìn)行后期分離。這種技術(shù)雖適合變形及其斜率信息的動(dòng)態(tài)測(cè)量，但測(cè)量精度不高；第三類是數(shù)字散斑干涉技術(shù)與剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)的組合，該技術(shù)雖能獨(dú)立獲得變形及其斜率信息，但不能實(shí)現(xiàn)變形及其斜率信息的同步測(cè)量。

綜上所述，已有技術(shù)均不能實(shí)現(xiàn)變形及其斜率信息的同步、獨(dú)立和高精度測(cè)量，因而嚴(yán)重阻礙了數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置及測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)物體離面變形及其斜率信息的同步、獨(dú)立和高精度測(cè)量，使測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量方法便捷。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，包括激光發(fā)射器、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、單色CCD相機(jī)、平面鏡、側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡、壓電陶瓷相移器和計(jì)算機(jī)；

所述激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)第一分光棱鏡分成反射光及透射光，分別對(duì)應(yīng)參考光路和物光路，其中，透射光經(jīng)平面鏡反射到被測(cè)物體表面，沿光軸對(duì)稱布置有兩面平面鏡，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)有側(cè)面全反直角三棱鏡，其中一面平面鏡的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器且其中一面平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡之間設(shè)有光學(xué)開(kāi)關(guān)，被測(cè)物體表面散射的物光被兩面平面鏡反射依次通過(guò)沿光軸方向上布置的側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡及第二分光棱鏡進(jìn)入到單色CCD相機(jī)成像靶面；此外，激光經(jīng)第一分光棱鏡分成的反射光經(jīng)光學(xué)開(kāi)關(guān)及第二分光棱鏡也投射到單色CCD相機(jī)成像靶面上；

所述單色CCD相機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步，沿光軸對(duì)稱布置的兩面平面鏡之間的距離可調(diào)，通過(guò)改變物光接收的角度，從而調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度。

進(jìn)一步，所述計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷相移器驅(qū)動(dòng)平面鏡平移微小距離產(chǎn)生相移，光程差的改變導(dǎo)致相位的變化，可提高物體表面變形及其斜率的測(cè)量精度。

一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)被測(cè)物體加載變形前，打開(kāi)兩個(gè)光學(xué)開(kāi)關(guān)，單色CCD相機(jī)采集數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；

(2)被測(cè)物體加載變形后，單色CCD相機(jī)采集變形后數(shù)字散斑干涉圖像，并與參考圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)相減，得到實(shí)時(shí)的耦合數(shù)字散斑干涉條紋圖；

(3)打開(kāi)參考光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，并關(guān)閉一支物光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，使得整個(gè)系統(tǒng)成為數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面離面變形的全場(chǎng)測(cè)量；打開(kāi)一支物光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，并關(guān)閉參考光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，使得整個(gè)系統(tǒng)成為剪切數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面離面變形斜率的全場(chǎng)測(cè)量；

(4)通過(guò)光學(xué)開(kāi)關(guān)在數(shù)字散斑干涉光路和剪切數(shù)字散斑干涉光路之間切換，并利用計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷相移器同步采集多幅具有等相移量的數(shù)字散斑干涉條紋圖和剪切數(shù)字散斑干涉條紋圖；

(5)利用相移技術(shù)解調(diào)被測(cè)物體的變形和斜率信息包裹相位圖，并對(duì)其進(jìn)行相位解包裹處理，得到兩幅連續(xù)分布的相位圖；

(6)利用兩幅連續(xù)分布的相位圖分別計(jì)算出被測(cè)物體的變形和斜率信息。

進(jìn)一步，被測(cè)物體表面變形及其斜率分別表示為：

式中，λ為所用激光的波長(zhǎng)，θ為接收物光與光軸的夾角，Δ_x為被測(cè)物體沿x方向的物面剪切量，δ_w對(duì)應(yīng)被測(cè)物體表面離面變形的相位分布，δ_x對(duì)應(yīng)被測(cè)物體表面離面變形斜率的相位分布。

有益效果：本發(fā)明散斑干涉光路的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了數(shù)字散斑干涉光路和剪切數(shù)字散斑干涉光路的物光共用，降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜程度；可以實(shí)現(xiàn)物體變形及其斜率信息的同步一次性測(cè)量，無(wú)需重復(fù)加載，也可實(shí)現(xiàn)物體變形及其斜率信息的獨(dú)立測(cè)量，不需要后期分離處理；采用相移技術(shù)，提高物體變形及其斜率信息的測(cè)量精度；采用雙方向觀察，實(shí)現(xiàn)測(cè)量靈敏度可調(diào)，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)離面變形的散斑干涉條紋圖；

圖2b為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)斜率的剪切散斑干涉條紋圖；

圖2c為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)離面變形的連續(xù)相位分布圖；

圖2d為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)斜率的連續(xù)相位分布圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，如圖1所示，包括激光發(fā)射器1、第一分光棱鏡2、第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3、單色CCD相機(jī)4、第二分光棱鏡5、成像透鏡6、側(cè)面全反直角棱鏡7、第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8、第一平面鏡9、第二平面鏡10、第三平面鏡11、第四平面鏡12和被測(cè)物體13。

激光發(fā)射器1沿水平方向發(fā)出激光，經(jīng)過(guò)位于激光發(fā)射器1左邊的第一分光棱鏡2后分成反射光和透射光，因此形成參考光路和物光路。

物光路為分出的透射光經(jīng)過(guò)第三平面鏡11和第四平面鏡12的反射到被測(cè)物體13表面，其中，第三平面鏡11設(shè)置在分光棱鏡左側(cè)，而第四平面鏡12位于第三平面鏡11的上方，兩面平面鏡相互平行。透射光經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡2沿平行光軸方向射出，與兩面平面鏡的入射角皆呈45°，使得經(jīng)過(guò)反射的透射光能夠沿著光軸方向垂直照射在被測(cè)物體13表面。第一平面鏡9和第二平面鏡10沿光軸對(duì)稱布置，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)置側(cè)面全反直角三棱鏡7，被測(cè)物體13、側(cè)面全反直角三棱鏡7、成像透鏡6、第二分光棱鏡5與單色CCD相機(jī)4沿光軸方向依次放置。在透射光照射被測(cè)物體13后，被測(cè)物體13表面散射的物光經(jīng)過(guò)第一平面鏡9和第二平面鏡10的反射，通過(guò)側(cè)面全反直角三棱鏡7接收后經(jīng)成像透鏡6成像在單色CCD相機(jī)4成像靶面上。第一平面鏡9和第二平面鏡10中的其中一個(gè)背面設(shè)有壓電陶瓷相移器，同時(shí)，其中一個(gè)平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡7之間設(shè)有第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8。

參考光路為第一分光棱鏡2分出的反射光，沿垂直光軸方向射出，通過(guò)第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，正好經(jīng)過(guò)設(shè)置在成像透鏡6和單色CCD相機(jī)4之間的第二分光棱鏡5，投射到單色CCD相機(jī)4成像靶面上作為參考光。

傾斜第一平面鏡9和第二平面鏡10中的任意一面，使得從兩個(gè)對(duì)稱方向觀察的兩束物光在單色CCD相機(jī)4成像靶面上形成兩個(gè)錯(cuò)位的圖像；單色CCD相機(jī)4通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接；打開(kāi)參考光路中的第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，并關(guān)閉一支物光路中的第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8，使得整個(gè)系統(tǒng)成為數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體13表面離面變形的全場(chǎng)測(cè)量；打開(kāi)一支物光路中的第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8，并關(guān)閉參考光路中的第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，使得整個(gè)系統(tǒng)成為剪切數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體13表面變形斜率的全場(chǎng)測(cè)量。

采用上述測(cè)量裝置的測(cè)量方法具體操作如下：

步驟一：被測(cè)物體13加載變形之前，微調(diào)第一平面鏡9和第二平面鏡10，調(diào)節(jié)單色CCD相機(jī)4，打開(kāi)所有的光學(xué)開(kāi)關(guān)，使得被測(cè)物體13在單色CCD相機(jī)4中成像清晰重疊，大小適中，占滿采集窗口；

步驟二：傾斜第一平面鏡9和第二平面鏡10中的一面，使得被測(cè)物體13的兩個(gè)清晰成像發(fā)生錯(cuò)位，此時(shí)打開(kāi)激光發(fā)射器1，并將光束照射在被測(cè)物體13上，光軸與第一平面鏡9和第二平面鏡10對(duì)稱雙觀察方向的夾角記為θ，單色CCD相機(jī)4采集變形前的數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；

步驟三：對(duì)被測(cè)物體13進(jìn)行加載，使其發(fā)生離面變形，采集變形后數(shù)字散斑干涉圖像并與步驟二中參考圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)相減，得到變形及其斜率耦合的數(shù)字散斑干涉條紋圖像；打開(kāi)參考光路第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，關(guān)閉物光光路第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8，獲得對(duì)應(yīng)離面變形的數(shù)字散斑干涉條紋圖，反之，獲得對(duì)應(yīng)斜率的剪切數(shù)字散斑干涉條紋圖；

步驟四：通過(guò)壓電陶瓷相移器驅(qū)動(dòng)第一平面鏡9或第二平面鏡10產(chǎn)生微小平移，實(shí)現(xiàn)時(shí)間相移，配合參考光路與物光光路的光學(xué)開(kāi)關(guān)切換操作，分別依次記錄多幅具有等相移量的數(shù)字散斑干涉條紋圖和剪切數(shù)字散斑干涉條紋圖；

步驟五：選擇合適的相移算法精確提取對(duì)應(yīng)被測(cè)物體13變形及其斜率信息的兩幅相位圖，并將其進(jìn)行相位解包裹處理，進(jìn)一步得到兩幅連續(xù)分布相位圖；

步驟六：按照?qǐng)D1中所示x、y、z方向，被測(cè)物體13表面變形及變形斜率引起的相位變化可表示為：

式中，w表示被測(cè)物體13表面的離面變形，λ是所用激光的波長(zhǎng)，θ表示接收物光與被測(cè)物體13表面法線的夾角，Δ_x表示被測(cè)物體13沿x方向物面剪切量。

根據(jù)式(1)、(2)，被測(cè)物體13表面變形及其斜率可最終表示為：

根據(jù)式(3)、(4)，結(jié)合兩幅連續(xù)分布相位圖，即可獲得被測(cè)物體13離面變形及其斜率分量，w和

同理，若將兩個(gè)物光路繞著光軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°，即第一平面鏡9、第二平面鏡10和側(cè)面全反直角棱鏡7沿光軸旋轉(zhuǎn)90°，按照上述步驟即可獲得被測(cè)物體13離面變形及其另一斜率分量，即w和

本實(shí)施例以四周固支、中心受集中荷載物體表面為被測(cè)面，按本發(fā)明方法，使用波長(zhǎng)為632.8nm的激光，物光接收角為10°，物面剪切量為6mm，測(cè)量被測(cè)物體13加載后的變形及其斜率信息w和測(cè)量結(jié)果如圖2a～2d所示，表明本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體13的離面變形及其斜率信息的同步測(cè)量。