连续剪切干涉测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光测力学技术领域，特别设及一种连续剪切干设测量方法。
【背景技术】
[0002] 相干梯度敏感干设方法（Coherent Gradient Sensing)简称CGS方法，其将原本 应用于光路中微小相差的检测手段引入力学测量领域，该技术利用了光栅具有的剪切分光 的原理，将试件表面反射或透明试件透射的光经过两个光栅的剪切作用，最终形成干设条 纹。干设条纹代表了面内主应力和梯度（透射情况下）与离面位移梯度（反射情况下）。在 断裂力学和曲率测量中有着重要的应用。然而CGS方法自提出W来，并没有实现条纹场自 动分析的功能，现有的技术采用的方法为将CCD烟large-coupled Device电荷禪合元件） 采集到的条纹图读入计算机，通过数像素格所对应的距离来确定某一点的位置，进而对条 纹进行细化和提取中屯、线的处理，全场线性插值得到某一点的相位值信息。该样的方法无 疑会引入较大误差，首先距离测量存在误差，其次相位值的计算过程会出现大量误差，包括 条纹二值化时阔值的选取，中屯、线提取过程中不可避免的人为因素，线性插值的可靠程度 等。
[0003] 为了解决CGS方法中W上的精度和自动化问题，冯雪等人于2013年提出了一种 多波长剪切干设方法，其原理是在CGS系统中使用不同的光源波长，进而根据CGS的控制 方程，得到不同波长对应的分布位置不同的条纹场，进而增加插值点的个数，实现精度的提 高。然而，实际过程中很难使用超过=种波长的光源，且此方法对实验系统搭建要求较高。 虽然增多了插值点的个数，但相位场计算的精度仍有较大的提升空间。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种连续剪切干设测量方法，该方法能实现条纹自 动处理，并且准确获取相位场。
[0006] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种连续剪切干设测量方法，包括 W下步骤；通过相干梯度敏感干设方法CGS的方法设置光路，其中，所述光路包括第一光 栅、第二光栅、透镜和光屏；在所述第一光栅和第二光栅之间设置旋转台；在所述旋转台之 上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片；根据旋转角与相移量的定量关系确定每次旋 转角度，并根据所述旋转角度控制所述透明介质薄片旋转=次W保证每次相移步进量为 n/2;获取所述透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取所述透明介质薄片每次旋转之 后的第二图像至第四图像；按照四步移相原理式对所述第一图像至第四图像进行灰度运算 W获取包裹相位场；W及进行解包裹W获取形貌、曲率和梯度场。
[0007] 根据本发明实施例提出的连续剪切干设测量方法，通过在旋转台上设置一定厚度 和折射率的透明介质薄片，其次根据旋转角与相移量的定量关系确定每次选择角度，并控 制薄片旋转，从而根据旋转之前与之后的图像按照四步移相原理式获取包裹相位场，并且 进行解包裹，w获取形貌、曲率和梯度场，实现条纹图的自动处理，并且准确获取相位场，提 高测量精确度，更加有利于裂尖应力场或微小曲率的测量，简单便捷。
[000引另外，根据本发明上述实施例的连续剪切干设测量方法还可W具有如下附加的技 术特征：
[0009] 进一步地，在本发明的一个实施例中，红光和绿光的光程差为：
[0010] 5 S (x, y+ e ) - 5 S (x, y) =25 o + 5 S^- 5
[0011] 其中，5S(x，y+〇与5S(x，y)分别为试件表面y方向距离为e的两个点所反 射的光线的光程，2 5 ?表示因试件离面位移所引起的光程差，5 Si与5 S2分别代表两条光 线除却离面位移影响之外的光程；和
[0012]
【主权项】
1. 一种连续剪切干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 通过相干梯度敏感干涉方法CGS的方法设置光路，其中，所述光路包括第一光栅、第二 光栅、透镜和光屏； 在所述第一光栅和第二光栅之间设置旋转台； 在所述旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片； 根据旋转角与相移量的定量关系确定每次旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述透 明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为Ji/2 ; 获取所述透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取所述透明介质薄片每次旋转之后 的第二图像至第四图像； 按照四步移相原理式对所述第一图像至第四图像进行灰度运算以获取包裹相位场；以 及 进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。
2. 如权利要求1所述的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，红光和绿光的光程差为： 8S(x，y+e) - 8S(x，y) = 2 8 ? + 6S1- 8S2， 其中，SS(X，y+e)与SS(x，y)分别为试件表面y方向距离为e的两个点所反射的 光线的光程，2S?表示因试件离面位移所引起的光程差，SS1与SS2分别代表两条光线除 却离面位移影响之外的光程；和
其中，d为平面介质厚度，n为平面介质的折射率的含义如图所示。
3. 根据权利要求2所述的连续剪切干涉测量方法，其特征在于， 平面介质中的光程差为：
平面介质外的光程差为：
其中，Se为一过渡光程差量。
4. 根据权利要求3所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，所述Se根据以下公式 获取，所述公式为： 8e= (d3+d4)-(屯+似=(H「H2) ?tana0 其中，a为平面介质旋转角。
5. 根据权利要求4所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，其中，
H「H2= d ? cos a ? (tan 9 3_tan 9 J〇
6. 根据权利要求1所示的连续剪切干涉测量方法，其特征在于，所述包裹相位场 SJx，y)根据以下公式获取，所述公式为：
其中，IpIi、12和13为所述第一图像至第四图像条纹图的灰度场。
【专利摘要】本发明公开了一种连续剪切干涉测量方法，包括以下步骤：通过CGS的方法设置光路；在第一光栅和第二光栅之间设置旋转台；在旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片；确定每次旋转角度，并控制透明介质薄片旋转三次以保证每次相移步进量为π/2；获取透明介质薄片旋转之前的第一图像，并获取透明介质薄片每次旋转之后的第二图像至第四图像；按照四步移相原理式对图像进行灰度运算以获取包裹相位场；进行解包裹以获取形貌、曲率和梯度场。发明实施例的方法，通过在旋转台上设置一定厚度和折射率的透明介质薄片并控制薄片旋转，从而根据旋转之前与之后的图像按照四步移相原理式获取包裹相位场，并且进行解包裹，实现条纹图的自动处理。
【IPC分类】G01B11-24, G01B11-26
【公开号】CN104567721
【申请号】CN201510035268
【发明人】马康, 谢惠民
【申请人】清华大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月23日