专利名称：基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种离面位移测量技术，具体来说，涉及基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置及测量方法。
背景技术：
一直以来，工业领域中的离面位移测量很大一部分采用的是以位移计为代表的传统的接触式测量技术。然而这些测量技术大多是单点式检测，难以得到全场的变形分布，即使采用快速扫描的方法也要面临逐点测量使得检测时间相对较长，很难做到多个检测点状态同步的问题。另外，接触式测量在一定程度上阻碍了样品表面的变形，且易对样品表面造成损伤，使传统的接触式测量技术在越来越多的新材料检测领域不能被接受。结构光投影等非接触式三角测量技术以其相对复杂的标定和有限的精度而受限于高精度测量，普通的激光电子散斑干涉离面位移测量技术则因为较高的隔振与环境要求而难以应用于工业领 域中的检测。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置及测量方法，使用该测量装置进行光学离面位移场测量时，可以使得被测样品表面无损、全场测量、分辨率高、测量结果稳定、且便于现场测量。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，该测量装置包括设有镜头、光圈调节装置和聚焦调节装置的摄像机、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、压电陶瓷器、电压控制器和计算机；其中，第一半透半反镜的第一侧面与摄像机的镜头相对；第一半透半反镜的第二侧面与第二半透半反镜的第四侧面相对，第一半透半反镜的第三侧面与第三半透半反镜的第一侧面相对，第一半透半反镜的第一侧面和第一半透半反镜的第三侧面为第一半透半反镜相对的两个侧面，第一半透半反镜的反射面的一个端部位于第一半透半反镜的第三侧面和第一半透半反镜的第二侧面连接处，第一半透半反镜的反射面的另一个端部位于第一半透半反镜的第一侧面和第一半透半反镜的第四侧面连接处；第二半透半反镜的第二侧面与第二反射镜相对，第二反射镜与第二半透半反镜之间设有第二开关，第二半透半反镜的第一侧面与第一反射镜相对，第一反射镜与第二半透半反镜之间设有第一开关；第二半透半反镜的第四侧面和第二半透半反镜的第二侧面为第二半透半反镜相对的两个侧面；第二半透半反镜的反射面的一个端部位于第二半透半反镜的第三侧面和第二半透半反镜的第四侧面连接处，第二半透半反镜的反射面的另一个端部位于第二半透半反镜的第一侧面和第二半透半反镜的第二侧面连接处；第三半透半反镜的第三侧面与第三反射镜相对，第三半透半反镜的第一侧面和第三半透半反镜的第三侧面为第三半透半反镜相对的两个侧面，第三反射镜背离第三半透半反镜的一面设有压电陶瓷器，压电陶瓷器与电压控制器通过导线连接，电压控制器与计算机连接，摄像机与计算机连接。一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤步骤I.调试测试装置放置被测样品，使被测样品与第一半透半反镜的第四侧面对准，然后用激光照明被测样品表面，分别切换到图像的X方向和y方向两个剪切方向，并标定χ方向和I方向两个剪切方向的剪切量，其中，χ方向为水平方向，y方向为竖直方向；步骤2.在被测样品发生变形前，采集相移图在被测样品发生变形前，分别切换到X方向和I方向两个剪切方向，利用电压控制器产生相移，并采集相移图；步骤3.在被测样品发生变形后，采集相移图对被测样品加载，使被测样品产生离面位移，然后分别切换到X方向和I方向两个剪切方向，利用电压控制器产生相移，并采 集相移图；步骤4.测量离面位移梯度场根据步骤2和步骤3采集到的相移图，利用相移算法测算出沿χ方向和 方向的离面位移梯度场；步骤5.测量出离面位移场在沿X方向的剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿X方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿y方向进行积分，进而测量出离面位移场；或者在沿y剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿y方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿χ方向进行积分，进而测量出离面位移场。有益效果与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(I)被测样品表面无损。与工业领域中以位移计为代表的传统的接触式测量技术相比，本发明采用是光学测量技术，不需要与被测样品表面接触，因而对被测样品的表面没有损伤，也不会阻止其变形。(2)全场测量。传统方法是采用单点式测量，难以得到全场的变形分布。而本发明在测量的过程中，是对被测样品表面整体成像。因而本发明具有了全场测量的优点。(3)分辨率高、精度高。激光干涉测量技术本身具有很高的精度，能达到波长量级的灵敏度，本发明也很好地继承了这一特性，具有非常高的分辨率和精度。(4)测量结果稳定。同样属于激光干涉测量方法的电子散斑干涉测量离面位移的技术因为对于隔振和环境的高要求而被通常局限在实验室内，无法应用于工业现场进行原位测量。本发明采用了不需要参考光的剪切散斑干涉技术，对于隔振的要求大大降低，测量结果比电子散斑干涉等激光干涉测量技术更加稳定。(5)便于现场测量。本发明的测量方法对测量环境要求不高，适合于现场测量，从而在未来的工业检测领域具有广阔的应用空间。
图I是本发明的测量装置结构示意图。图2是本发明的三个半透半反镜的位置示意图。图中有摄像机I、第一半透半反镜2、第一半透半反镜的第一侧面201、第一半透半反镜的第二侧面202、第一半透半反镜的第三侧面203、第一半透半反镜的第四侧面204、第二半透半反镜3、第二半透半反镜的第一侧面301、第二半透半反镜的第二侧面302、第二半透半反镜的第三侧面303、第二半透半反镜的第四侧面304、第三半透半反镜4、第三半透半反镜的第一侧面401、第三半透半反镜的第二侧面402、第三半透半反镜的第三侧面403、第三半透半反镜的第四侧面404、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、压电陶瓷器8、电压控制器9、计算机10、第一开关11、第二开关12、被测样品13。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的阐述。如图I和图2所示，本发明的一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，包括设有镜头、光圈调节装置和聚焦调节装置的摄像机I、第一半透半反镜2、第二半透半反镜3、第三半透半反镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、压电陶瓷器8、电压控制器9和计算机10。第一半透半反镜的第一侧面201与摄像机I的镜头相对。第一半透半反镜的第二侧面202与第二半透半反镜的第四侧面304相对。第一半透半反镜的第三侧面203与第三半透半反镜的第一侧面401相对。第一半透半反镜的第一侧面201和第一半 透半反镜的第三侧面203为第一半透半反镜2相对的两个侧面。第一半透半反镜的第二侧面202和第一半透半反镜的第四侧面204为第一半透半反镜2相对的两个侧面。第一半透半反镜2的反射面的一个端部位于第一半透半反镜的第三侧面203和第一半透半反镜的第二侧面202连接处，第一半透半反镜2的反射面的另一个端部位于第一半透半反镜的第一侧面201和第一半透半反镜的第四侧面204连接处。第二半透半反镜的第二侧面302与第二反射镜6相对。第二反射镜6与第二半透半反镜3之间设有第二开关12。若第二开关12处于打开状态，射向第二反射镜6的光线和经过第二反射镜6反射出的光线将不受影响。若第二开关12处于关闭状态，射向第二反射镜6的光线将被第二开关12完全吸收，那么也就不会有从第二反射镜6反射出的光线了。第二半透半反镜的第一侧面301与第一反射镜5相对。第一反射镜5与第二半透半反镜3之间设有第一开关11。若第一开关11处于打开状态，射向第一反射镜5的光线和经过第一反射镜5反射出的光线将不受影响。若第一开关11处于关闭状态，射向第一反射镜5的光线将被第一开关11完全吸收，那么也就不会有从第一反射镜5反射出的光线了。第二半透半反镜的第一侧面301和第二半透半反镜的第三侧面303为第二半透半反镜3相对的两个侧面，第二半透半反镜的第四侧面304和第二半透半反镜的第二侧面302为第二半透半反镜3相对的两个侧面。第二半透半反镜3的反射面的一个端部位于第二半透半反镜的第三侧面303和第二半透半反镜的第四侧面304连接处，第二半透半反镜3的反射面的另一个端部位于第二半透半反镜的第一侧面301和第二半透半反镜的第二侧面302连接处。第三半透半反镜的第三侧面403与第三反射镜7相对。第三半透半反镜的第一侧面401和第三半透半反镜的第三侧面403为第三半透半反镜4相对的两个侧面。第三半透半反镜的第二侧面402和第三半透半反镜的第四侧面404为第三半透半反镜4相对的两个侧面。第三反射镜7背离第三半透半反镜4的一面设有压电陶瓷器8。压电陶瓷器8与电压控制器9通过导线连接，电压控制器9与计算机10连接。通过计算机10中安装的软件来控制电压控制器9的输出电压，使压电陶瓷器8的厚度发生改变，使第三反射镜7发生离面位移，进而经过第三反射镜7反射的光的光程发生改变，从而实现相移。摄像机I与计算机10连接。通过计算机10中安装的软件控制摄像机1，使摄像机I能够采集图像并将图像储存在计算机10中。进一步，第三半透半反镜4的反射面的一个端部位于第三半透半反镜的第一侧面401和第三半透半反镜的第二侧面402连接处；第三半透半反镜4的反射面的另一个端部位于第三半透半反镜的第三侧面403和第三半透半反镜的第四侧面404连接处。当然，作为另一种方案，第三半透半反镜4的反射面的一个端部位于第三半透半反镜的第三侧面403和第三半透半反镜的第二侧面402连接处；第三半透半反镜4的反射面的另一个端部位于第三半透半反镜的第一侧面401和第三半透半反镜的第四侧面404连接处。进一步，所述的第一半透半反镜2、第二半透半反镜3、第三半透半反镜4均为立方体，且长度相等，高度相等，宽度相等。也就是说，第一半透半反镜2、第二半透半反镜3、第三半透半反镜4的产品规格相同，有利于测量的进行。上述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，包括以下步骤
步骤I.调试测试装置放置被测样品13，使被测样品13与第一半透半反镜的第四侧面204对准，然后用激光照明被测样品13表面，分别切换到图像的χ方向和y方向两个剪切方向，并标定χ方向和y方向两个剪切方向的剪切量，其中，χ方向为水平方向，y方向为竖直方向。步骤2.在被测样品13发生变形前，采集相移图在被测样品13发生变形前，分别切换到X方向和y方向两个剪切方向，利用电压控制器9产生相移，并采集相移图。步骤3.在被测样品13发生变形后，采集相移图对被测样品13加载，使被测样品13产生离面位移，然后分别切换到χ方向和y方向两个剪切方向，利用电压控制器9产生相移，并采集相移图。在步骤I、步骤2或步骤3中，分别切换到χ方向和y方向两个剪切方向，可以采用两种方法。第一种方法是打开第一开关11，关闭第二开关12，旋转第一反射镜5，使摄像机I采集到的图像中，图像的剪切方向沿χ方向，然后关闭第一开关11，打开第二开关12，旋转第二反射镜6，使摄像机I采集到的图像中，图像的剪切方向沿y方向。第二种方法是打开第一开关11，关闭第二开关12，然后旋转第一反射镜5，使摄像机I采集到的图像中，图像的剪切方向沿y方向；关闭第一开关U，打开第二开关12，然后旋转第二反射镜6，使摄像机I采集到的图像中，图像的剪切方向沿χ方向。在步骤2和步骤3中，利用电压控制器9产生相移，并采集相移图的方法是在计算机10安装并运行电压控制程序，利用电压控制程序改变电压控制器9的输出电压，从而改变压电陶瓷器8的厚度，使第三反射镜7发生离面位移，经过第三反射镜7反射的光的光程发生改变，从而实现相移，并利用摄像机I采集相移图，将相移图储存在与摄像机I相连的计算机10中。在购买电压控制器9时，商户会配套提供给用户电压控制程序光盘。步骤4.测量离面位移梯度场根据步骤2和步骤3采集到的相移图，利用相移算法测算出沿χ方向和 方向的离面位移梯度场。在步骤4中，相移算法为现有技术。例如，期刊名称为《实验力学》，2001年03期，公开了名称为《光学干涉计量中的位相测量方法》的文章中公开了相移算法。步骤5.测量出离面位移场在沿X方向的剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿X方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿y方向进行积分，进而测量出离面位移场；或者在沿y剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿y方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿χ方向进行积分，进而测量出离面位移场。本发明采用了两个步骤来进行离面位移场的测量。其中，第一步，使用剪切散斑干涉技术实现离面位移梯度场的测量；第二步，对第一步所得到的离面位移梯度场进行积分，测算出离面位移场。本发明两个步骤测量离面位移场中的第一步使用了剪切散斑干涉技术，天然具有光学测量方法的无损、非接触、全场测量、测量速度快的优点。激光干涉测量技术本身具有很高的精度，能达到波长量级的灵敏度，本发明也很好地继承了这一特性，具有非常高的灵敏度。电子散斑干涉测量离面位移的技术因为对于隔振和环境的高要求而被通常局限在实验室内，无法应用于工业现场进行原位测量。本发明采用了不需要参考光的剪切散斑干涉技术，对于隔振和环境的要求大大降低，从而在未来的工业检测领域具有广阔的应用空间。常规的剪切散斑干涉技术可以对样品表面离面位移沿某一方向的梯度场进行测量，然而要通过单一的位移梯度场计算位移场往往会遇到积分初始值无法确定的问题。为 了克服这一不足，本发明在经典迈克耳逊干涉光路的基础上进行改进，采用了第一半透半反镜2、第二半透半反镜3和第三半透半反镜4三个半透半反镜，以及第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7三个反射镜来代替经典迈克尔逊干涉光路中的一个半透半反镜和两个反射镜。经被测样品13表面反射的光被第一半透半反镜2进行分光，其中一路反射光照射到第三半透半反镜4，经过第三半透半反镜4透射到第三反射镜7，经第三反射镜7又反射到第三半透半反镜4，透射过第三半透半反镜4和第一半透半反镜2进入摄像机镜头。当第一开关11打开，第二开关12关闭时,经被测样品13表面反射的光被第一半透半反镜2进行分光，其中另外一路透射光照射到第二半透半反镜3，经第二半透半反镜3反射到第一反射镜5，经第一反射镜5反射到第二半透半反镜3，又经第二半透半反镜3反射到第一半透半反镜2，并由第一半透半反镜2反射进入摄像机I的镜头中。当第一开关11关闭，第二开关12打开时，经被测样品13表面反射的光被第一半透半反镜2进行分光，其中另外一路透射光照射到第二半透半反镜3，经第二半透半反镜3透射到第二反射镜6，经第二反射镜6又反射到第二半透半反镜3，透射过第二半透半反镜3到达第一半透半反镜2，经第一半透半反镜2反射进入摄像机I的镜头中。无论打开第一开关11并关闭第二开关12，还是关闭第一开关11并打开第二开关12，该光路都可以看作一个经典的迈克耳逊剪切光路，可以用来测量被测样品13的离面位移梯度场。调节第一反射镜5和第二反射镜6的偏转方向使得两个剪切像的剪切方向互相垂直并分别沿图像坐标的χ方向和y方向。最后按照本发明中测量方法的第五步，任意选取一个种子点，结合χ方向和y方向两个方向的离面位移梯度场进行积分来得到样品的离面位移场。
权利要求
1.一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，其特征在于，该测量装置包括设有镜头、光圈调节装置和聚焦调节装置的摄像机(I)、第一半透半反镜(2)、第二半透半反镜(3)、第三半透半反镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)、第三反射镜(7)、压电陶瓷器(8)、电压控制器(9)和计算机(10);其中， 第一半透半反镜的第一侧面(201)与摄像机(I)的镜头相对；第一半透半反镜的第二侧面(202)与第二半透半反镜的第四侧面(304)相对，第一半透半反镜的第三侧面(203)与第三半透半反镜的第一侧面(401)相对，第一半透半反镜的第一侧面(201)和第一半透半反镜的第三侧面(203)为第一半透半反镜(2)相对的两个侧面，第一半透半反镜(2)的反射面的一个端部位于第一半透半反镜的第三侧面(203)和第一半透半反镜的第二侧面(202)连接处，第一半透半反镜(2)的反射面的另一个端部位于第一半透半反镜的第一侧面(201)和第一半透半反镜的第四侧面(204)连接处； 第二半透半反镜的第二侧面(302)与第二反射镜(6)相对，第二反射镜(6)与第二半透半反镜(3)之间设有第二开关(12)，第二半透半反镜的第一侧面(301)与第一反射镜(5)相对，第一反射镜(5)与第二半透半反镜(3)之间设有第一开关(11);第二半透半反镜的第四侧面(304)和第二半透半反镜的第二侧面(302)为第二半透半反镜(3)相对的两个侧面；第二半透半反镜(3)的反射面的一个端部位于第二半透半反镜的第三侧面(303)和第二半透半反镜的第四侧面(304)连接处，第二半透半反镜(3)的反射面的另一个端部位于第二半透半反镜的第一侧面(301)和第二半透半反镜的第二侧面(302)连接处； 第三半透半反镜的第三侧面(403)与第三反射镜(7)相对，第三半透半反镜的第一侧面(401)和第三半透半反镜的第三侧面(403)为第三半透半反镜(4)相对的两个侧面，第三反射镜(7)背离第三半透半反镜(4)的一面设有压电陶瓷器(8)，压电陶瓷器(8)与电压控制器(9)通过导线连接，电压控制器(9)与计算机(10)连接，摄像机(I)与计算机(10)连接。
2.按照权利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，其特征在于，所述的第三半透半反镜(4)的反射面的一个端部位于第三半透半反镜的第一侧面(401)和第三半透半反镜的第二侧面(402)连接处；第三半透半反镜(4)的反射面的另一个端部位于第三半透半反镜的第三侧面(403)和第三半透半反镜的第四侧面(404)连接处。
3.按照权利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，其特征在于，所述的第三半透半反镜(4)的反射面的一个端部位于第三半透半反镜的第三侧面(403)和第三半透半反镜的第二侧面(402)连接处；第三半透半反镜(4)的反射面的另一个端部位于第三半透半反镜的第一侧面(401)和第三半透半反镜的第四侧面(404)连接处。
4.按照权利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，其特征在于，所述的第一半透半反镜(2)、第二半透半反镜(3)、第三半透半反镜(4)均为立方体，且长度相等，高度相等，宽度相等。
5.一种权利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤 步骤I.调试测试装置放置被测样品(13)，使被测样品(13)与第一半透半反镜的第四侧面(204)对准，然后用激光照明被测样品(13)表面，分别切换到图像的X方向和y方向两个剪切方向，并标定X方向和y方向两个剪切方向的剪切量，其中，X方向为水平方向，y方向为竖直方向； 步骤2.在被测样品(13)发生变形前，采集相移图在被测样品(13)发生变形前，分别切换到X方向和I方向两个剪切方向，利用电压控制器(9)产生相移，并采集相移图；步骤3.在被测样品(13)发生变形后，采集相移图对被测样品(13)加载，使被测样品(13)产生离面位移，然后分别切换到X方向和y方向两个剪切方向，利用电压控制器(9)产生相移，并采集相移图； 步骤4.测量离面位移梯度场根据步骤2和步骤3采集到的相移图，利用相移算法测算出沿X方向和I方向的离面位移梯度场； 步骤5.测量出离面位移场在沿X方向的剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿X方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿y方向进行积分，进而测量出离面位移场；或者在沿y剪切方向的离面位移梯度场中选取积分初始点，沿y方向积分出一条离面位移曲线，然后以此曲线上的每一点为积分初值点沿X方向进行积分，进而测量出离面位移场。
6.按照权利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤I、步骤2或步骤3中，分别切换到X方向和y方向两个剪切方向的方法是打开第一开关(11)，关闭第二开关(12)，然后旋转第一反射镜(5)，使摄像机(I)采集到的图像中，图像的剪切方向沿X方向；关闭第一开关(11)，打开第二开关(12)，然后旋转第二反射镜(6)，使摄像机(I)采集到的图像中，图像的剪切方向沿y方向。
7.按照权利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤I、步骤2或步骤3中，分别切换到X方向和y方向两个剪切方向的方法是打开第一开关(11)，关闭第二开关(12)，然后旋转第一反射镜(5)，使摄像机(I)采集到的图像中，图像的剪切方向沿y方向；关闭第一开关(11)，打开第二开关(12)，然后旋转第二反射镜(6)，使摄像机(I)采集到的图像中，图像的剪切方向沿X方向。
8.按照权利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤2和步骤3中，利用电压控制器(9)产生相移，并采集相移图的方法是在计算机(10)安装并运行电压控制程序，利用电压控制程序改变电压控制器(9)的输出电压，从而改变压电陶瓷器(8)的厚度，使第三反射镜(7)发生离面位移，经过第三反射镜(7)反射的光的光程发生改变，从而实现相移，并利用摄像机(I)采集相移图，将相移图储存在与摄像机(I)相连的计算机(10)中。
全文摘要
本发明公开了一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置，包括设有镜头、光圈调节装置和聚焦调节装置的摄像机、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、压电陶瓷器、电压控制器和计算机。同时，本发明还公开了一种基于剪切散斑干涉的光学离面位移场测量装置的测量方法，包括以下步骤步骤1.调试测试装置；步骤2.在被测样品发生变形前，采集相移图；步骤3.在被测样品发生变形后，采集相移图；步骤4.测量离面位移梯度场；步骤5.测量出离面位移场。使用该测量装置进行光学离面位移场测量，可以使被测样品表面无损、全场测量、分辨率高、测量结果稳定，且便于现场测量。
文档编号G01B11/02GK102878935SQ201210360788
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者何小元, 白鹏翔 申请人:东南大学