单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法，其特征是：激光器出射的激光经过扩束镜之后以扩散光的形式照射被测物，被测物的表面漫反射光依次经过成像镜头、狭缝光阑、4f系统以及迈克尔逊型装置投射在CCD相机的靶面上。本发明可以对被测物表面的缺陷和应力形变进行无损、全场、快速、动态测量，且便于现场测量。
【专利说明】单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法，用于解决工 业上对大面积被测物的变形和缺陷进行无损、快速、动态、在线检测的问题，可广泛地应用 在航空航天、机械制造等领域。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业技术的不断发展，人们对生产设备和产品的检测技术要求也在不断 提高，高精度、非接触、在线检测等已成为工业检测技术的发展趋势。剪切散斑干涉技术是 激光测量的重要分支，除了上述优点外，还具有无损、全场检测、抗震能力强、不需要参考光 束的优点。因此剪切散斑干涉技术在工业无损检测领域有着广泛的应用。
[0003] 但是传统剪切散斑干涉技术测量范围小，且多采用时间相移技术，时间相移技术 是指在时间序列上采集图像，在各帧图像之间形成固定的相位差，但这种方法容易受到外 部环境的干扰，如振动，温度波动，或被测物本身的快速运动影响，无法实现动态测量。
【发明内容】
[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种单狭缝空间载波剪切 散斑干涉测量系统及测量方法，可以对被测物表面的缺陷和应力形变进行无损、全场、快 速、动态测量，且便于现场测量。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点是：激光器出射的激光经过 扩束镜之后以扩散光的形式照射被测物，所述被测物的表面漫反射光依次经过成像镜头、 狭缝光阑、4f系统以及迈克尔逊型装置投射在CCD相机的靶面上。
[0007] 本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点也在于：所述迈克尔逊型装 置是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱镜第二侧面的第 二平面镜构成，所述分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相邻的两个侧面， 所述第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角Θ，所述第二平面镜与分光棱镜 第二侧面平行；被测物的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光 束和第二光束并分别垂直照射在所述第一平面镜和第二平面镜上，由所述第一平面镜反射 后的第一光束偏转β角度照射到C⑶相机的靶面上，β=2Θ，由所述第二平面镜反射后 的第二光束垂直照射到CCD相机的靶面上，所述第一光束和第二光束在CCD相机的靶面上 的成像形成有错位，以剪切量ΛX表征所述错位量，相互倾斜的第一光束和第二光束产生 载波，载波频率为以所述迈克尔逊型装置作为剪切装置并作为载波装置。
[0008] 本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的特点也在于：所述狭缝光阑位于 成像镜头的焦平面上，以所述狭缝光阑作为空间滤波器，以控制空间频谱的带宽。
[0009] 本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法的特点是：对所述被测 物进行动态变形，由所述CCD相机采集被测物在变形前后的剪切散斑干涉图像，通过计算 获得所述剪切散斑干涉图像的相位信息，将被测物在变形前和变形后的散斑干涉图像的相 位信息进行相减处理，获得表征被测物的离面变形信息的相位差，进而测量出被测物的离 面位移导数场。
[0010] 本发明单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法是按如下步骤进行：
[0011] 步骤1 :由CXD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x，y)
[0012] 被测物（3)的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成 剪切角为β的第一光束和第二光束；第一光束的波前U1(Xj)和第二光束的波前U2 (x，y) 分别由式（1)和式（2)表示：
【权利要求】
1. 一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：激光器（1)出射的激光经 过扩束镜（2)之后以扩散光的形式照射被测物（3)，所述被测物（3)的表面漫反射光依次经 过成像镜头（4)、狭缝光阑（5)、4f系统（6)以及迈克尔逊型装置（7)投射在CCD相机（8) 的靶面上。
2. 根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述迈 克尔逊型装置（7)是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱 镜第二侧面的第二平面镜构成，所述分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相 邻的两个侧面，所述第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角e，所述第二平 面镜与分光棱镜第二侧面平行；被测物（3)的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第 二光束，所述第一光束和第二光束并分别垂直照射在所述第一平面镜和第二平面镜上，由 所述第一平面镜反射后的第一光束偏转0角度照射到C⑶相机（8)的靶面上，0 = 2 0， 由所述第二平面镜反射后的第二光束垂直照射到CCD相机（8)的靶面上，所述第一光束和 第二光束在CCD相机（8)的靶面上的成像形成有错位，以剪切量AX表征所述错位量，相互 倾斜的第一光束和第二光束产生载波，载波频率为f〇,以所述迈克尔逊型装置（7)作为剪切 装置并作为载波装置。
3. 根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述狭 缝光阑（5)位于成像镜头（4)的焦平面上，以所述狭缝光阑（5)作为空间滤波器，以控制空 间频谱的带宽。
4. 一种权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法，其特征 是：对所述被测物（3)进行动态变形，由所述CCD相机（8)采集被测物（3)在变形前后的剪 切散斑干涉图像，通过计算获得所述剪切散斑干涉图像的相位信息，将被测物（3)在变形 前和变形后的散斑干涉图像的相位信息进行相减处理，获得表征被测物（3)的离面变形信 息的相位差，进而测量出被测物（3)的离面位移导数场。
5. 根据权利要求4所述的测量方法，其特征是按如下步骤进行： 步骤1 :由CCD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x，y) 被测物（3)的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成剪切 角为0的第一光束和第二光束；第一光束的波前^匕卩）和第二光束的波前u2(x，y)分别 由式⑴和式⑵表示：
式⑴和式⑵中，|Ul(x+AX，y) |是第一光束的波阵面振幅，|u2(X，y) |为第二光束 的波阵面振幅，识^ + 为第一光束的相位，叫7)为第二光束的相位。其中X，y分别 表示CCD相机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标； 由式（3)计算获得由CCD相机所采集到的剪切散斑干涉图像的强度I(x，y):
【文档编号】G01N21/88GK104482875SQ201410798529
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】王永红, 冯家亚, 王鑫, 刘莹雪, 杨连祥 申请人:合肥工业大学