基于偏转角度的单幅图像快速相移系统及相位检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于偏转角度的单幅图像快速相移系统及方法，其特征是由激光器出射的物光照射到被测物面形成激光散斑干涉，被测物表面的回程物光投照在CCD摄像机的靶面阵列上；激光器出射的参考光经由准直组件和反射镜，以角度α照射在CCD摄像机的靶面阵列上，并与回程物光在CCD摄像机的靶面阵列上的形成激光干涉现象，调整角度α的大小，使相邻的两个像素点上参考光存在120°的光程差，根据CCD摄像机记录的信息中的三个相邻相素点的数值计算获得激光干涉现象的相位值。本发明在散斑干涉中只使用单幅图像实现快速相位检测，无需使用时间相移方法所需的PZT位移微动系统。
【专利说明】基于偏转角度的单幅图像快速相移系统及相位检测方法
【技术领域】[0001]本发明涉及一种散斑干涉测量系统及相位检测方法，特别是光学快速相移方法，可广泛应用于机械制造、航航空天、材料和生物等各方面的应变与变形测量，可以实现快速位移场、变形场、振动场的检测，以及材料、框架以及构件的无损非接触测量。
【背景技术】
[0002]数字散斑干涉测量技术(DigitalSpeckle Pattern Interferometry, DSPI)是一项综合了激光、电子及图像处理等技术的光测方法，具有高精度、非接触及全场测量等优点。因此被广泛应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的测量。
[0003]图4为已有的基于时间相移的散斑干涉测量系统，激光器101发出激光被分光棱镜102分为两束光，第一束光经第一反射镜103和第一扩束镜104照射到被测物108的表面后，被CCD摄像机110采集，经图像处理卡107将数据传输到计算机中；第二束光作为参考光束直接经第二反射镜105和第二扩束镜106照射到CCD摄像机的靶面阵列，与第一束光产生散斑干涉，通过干涉条纹的相位测量可以得到被测物的变形量。其中布置在第二反射镜105后面的压电驱动器PZT通过PZT驱动电路109调整第二反射镜105使每幅图像具有恒定的相移，通过相位计算可以获得干涉条纹的相位。
[0004]在散斑干涉测量中，CXD摄像机获得的只是光强信息，光强信息Il(x，y)可表示为:
[0005]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](6)
[0006]式(6)中:a(x，y)、b (x，y)和小(x, y)分别表示背景信息、调制振幅和相位信息，相位信息0(x，y)中就包含被测物场的变化信息。在测量系统中无法直接获得相位信息，只能得到与相位有关的光强信号。式(6)中有三个未知量3(^7)，13 0^7)和Cj5 (x，y)，要计算出0(x，y)，就需要至少三个方程。为了获取其中的相位信息，相移技术被发展起来。
[0007]相移技术(Phase-Shifting)是干涉条纹相位检测技术的主要手段。目前大多采用时间相移方法来实现相位检测，其原理是通过记录三幅图像来获得三个方程，采用压电驱动器PZT驱动反射镜使每幅强度图像中的参考光都具有恒定的相移，例如:通过PZT的微动是反射镜每次移动1/6个激光光波的波长，这样在三次移动之后，经过反射镜的反射，激光干涉的参考光的相位就产生了 0°、120°和240°的相位偏移。时间相移方法在测量过程需要采集多幅图像和用PZT实现多次相移，来进行相位计算的，通常测量过程需要一定的时间。提取三幅图像中同一点的光强数据，其原理如图5所示，由此得到式(7.1)、式(7.2)和式(7.3):
[0008]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](7.1)
[0009]I2 (x, y)=a(x, y)+b(x, y)cos[4) (x, y)+120° ](7.2)
[0010]I3 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) +240 ° ](7.3)
[0011]通过联立方程组，解方程可得激光干涉的相位分布0 (x，y)如下:
【权利要求】
1.一种基于偏转角度的单幅图像快速相移系统，其特征是:系统构成包括激光器(I)、可变nd滤光片(2)、扩束镜(3)、准直组件(4)、孔径光阑(5)、成像透镜(6)、反射镜(8)、分光棱镜(10)和CCD摄像机(9)； 所述激光器(I)的出射光被可变nd滤光片(2)分为物光和参考光，所述物光经扩束镜(3)扩束之后照射到被测物(7)的表面形成激光散斑干涉，被测物表面的回程物光依次经孔径光阑(5)和成像透镜(6)投照在CCD摄像机(9)的靶面阵列上；所述参考光经由准直组件(4)准直为参考准直激光，所述参考准直激光经反射镜(8)和分光棱镜(10)照射在CCD摄像机(9)的靶面阵列上，并与所述回程物光在CCD摄像机(9)的靶面阵列上形成激光干涉现象，由所述CCD摄像机(9)记录所述激光干涉现象的光场强度信息； 通过设置在反射镜(8)下的角度微调机构，调整参考准直激光的照射角度，以使参考准直激光的照射方向与CCD摄像机(9)靶面阵列的法线形成角度a时，在相邻的两个像素点上存在120°的光程差，根据所述CCD摄像机(9)记录的光场强度信息中的三个相邻相素点的数值计算获得所述激光干涉现象的相位值。
2.一种利用权利要求1所述的基于偏转角度的单幅图像快速相移系统的相位检测方法，其特征是按照如下步骤进行: 步骤一、调整孔径光阑(5)的大小以及成像透镜(6)和CCD摄像机(9)的空间位置关系，实现对由CCD摄像机(9)采集获得的激光散斑干涉的散斑大小的控制，确保每个散斑至少覆盖所述CCD摄像机(9)靶面阵列的三个相邻像素点； 步骤二、调整参考准直激光的照射方向，确保参考准直激光的照射方向与所述CCD摄像机(9)靶面阵列的法线成角度a时，在所述CCD摄像机(9)靶面阵列的相邻两个像素点上存在120°的光程差； 步骤三、在任意时刻，使用CXD摄像机(9)记录当前时刻的光场强度信息，以IntI(?,N)和I_，N)分别表示三个连续像素点的光场强度信息，(M，N)表示像素点在所述CCD摄像机(9)靶面阵列的坐标，则有:
【文档编号】G01J9/02GK103712569SQ201310754588
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王永红, 孙建飞, 杨连祥 申请人:合肥工业大学