数字剪切散斑干涉的实时测量方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光散斑干涉测量领域，尤其涉及一种数字剪切散斑干涉的实时测量 方法和系统。
【背景技术】
[0002] 当激光照射在具有漫反射性质的物体表面时，从物体表面反射的光在空间相干叠 加，就会在整个空间发生干涉，形成随机分布的亮斑和暗斑，称为激光散斑。20世纪70年代 初，激光散斑干涉测量方法得到了发展，它除了具有全息干涉测量方法的非接触、可以直观 给出全场情况等一系列优点外，还具有光路简单，对试件表面要求不高，对实验条件要求较 低，计算方便等特点。
[0003] 电子散斑干涉（ESPI)是在本世纪初就已经被广泛应用于漫射体表面位移或变形 监测。它具有精度高、全场，非接触等优点。ESPI技术自问世以来就得到广泛的应用.它的 应用领域有位移和变形测量，应变分析，动态测试，无损探伤等。可以应用于检测工程机械 领域的各种变形、振动、冲击、表面粗糙度、刚度和硬度等特性；检测复合材料、集成电路、压 力容器和焊接物体的表面或内部缺陷，并且还可以用于土木结构和水利设施的变形测量。 总之，ESPI在机械、土木、水利、电器、航空航天、兵器工业以及生物医学领域具有非常重要 的地位和广阔的前景。
[0004]ESPI的局限性在于：由于参考光的引入，使得物光与参考光的光程差较大，因此 对光源的相干长度要求较高；在实际应用中，往往需要得到物体的应变和挠度等物理量，而 ESPI只能测量物体位移，需要对实验数据进行进一步处理，这对精度有一定的影响；在若 干应用中，对测量系统的抗震性能要求较高，而ESPI对于噪声信号敏感性较高。针对ESPI 存在的问题，出现了剪切散斑干涉术。
[0005] 剪切散斑干涉术最初由Hung和Leendertz提出，他们分别对基于渥拉斯顿棱镜和 迈克尔逊干涉仪的剪切散斑干涉系统进行了研究。研究中，他们得到了剪切散斑干涉图，并 阐述了相关原理和关键问题。此后，这一技术被引入工程领域，并被命名为剪切散斑干涉术 (Shearography)〇
[0006] 剪切散斑干涉术可以对位移的一阶微分（应变）进行直接测量，省略了测量位移 后的微分计算，简化了数据处理过程，对提高测量精度有很大帮助。它的实现形式有很多， 基于渥拉斯顿棱镜的测量系统中，视场角相对更大，无需引入参考光，而且抗干扰能力较 强，无需特殊隔震，并可在不避光环境下进行测试，有较强的实用价值。
[0007] 但是，现有技术中，并不能对物体进行实时测量。
【发明内容】
[0008] 本发明的实施例提供了一种数字剪切散斑干涉的实时测量方法和系统，能够对测 量物体进行实时测量。
[0009]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0010] -方面，提供一种数字剪切散斑干涉的实时测量方法，包括：
[0011] 使用激光器作为光源，将所述光源输出的偏振光经过空间滤波器和扩束器进行滤 波和扩束后，照射在测量目标的表面；
[0012] 所述测量目标表面的反射光经过第一偏振片，形成线偏振光；
[0013] 所述线偏振光经过沃拉斯顿棱镜剪切装置，所述沃拉斯顿棱镜剪切装置使得每束 所述线偏振光被剪切成偏振方向互相垂直的寻常光0光和非常光e光；
[0014] 所述寻常光〇光和所述非常光e光经过第二偏振片，所述第二偏振片使得所述寻 常光0光和所述非常光e光的偏振方向一致；
[0015] 所述寻常光〇光和所述非常光e光经过相互干涉形成散斑干涉图，所述散斑干涉 图经过成像镜头成像于电荷耦合元件CCD上；
[0016] 所述电荷耦合元件CCD采集成像的所述散斑干涉图，得到时间序列上的至少两幅 采集后的散斑干涉图；
[0017] 对所述至少两幅采集后的散斑干涉图进行图像相减，生成至少一个相减后的散斑 干涉图；
[0018] 显示所述至少一个相减后的散斑干涉图。
[0019] 所述对所述至少两幅采集后的散斑干涉图进行图像相减，生成至少一个相减后的 散斑干涉图的步骤包括：
[0020] 将第2幅到第N幅采集后的散斑干涉图分别减去第一幅采集后的散斑干涉图，得 到至少一个相减后的散斑干涉图，N为采集后的散斑干涉图的总数量，N为大于1的自然数。
[0021] 所述方法还包括：
[0022] 对所述至少一个相减后的散斑干涉图的每一点的光强进行傅立叶变换，获得频谱 图；
[0023] 根据所述频谱图，获得所述测量目标的在平行于所述光源方向上的基于时间的相 位变化量；
[0024] 根据所述测量目标的基于时间的相位变化量，计算得到所述测量目标在平行于所 述光源方向上的随着时间的位移变化量；
[0025] 根据所述测量目标在平行于所述光源方向上的随着时间的位移变化量，计算生成 所述测量目标在平行于所述光源方向上的应变。
[0026] 所述根据所述测量目标在平行于所述光源方向上的随着时间的位移变化量，计算 生成所述测量目标在平行于所述光源方向上的应变的步骤根据以下公式计算：
[0027]
[0028] 其中，g(X,y,t)为测量目标在平行于所述光源方向上的应变，ΔX表示X方向的 剪切量；λ表示光源的波长；△ (X，y，t)为测量目标在平行于所述光源方向上的随着时间 的位移变化量。
[0029] 另一方面，提供一种数字剪切散斑干涉的实时测量系统，包括：
[0030] 激光器、空间滤波器和扩束器、第一偏振片、沃拉斯顿棱镜剪切装置、第二偏振片、 成像镜头和电荷親合元件CCD、计算机；
[0031] 所述激光器用于，作为光源，输出线偏振光；
[0032] 所述空间滤波器和扩束器用于，将所述光源输出的偏振光进行滤波和扩束后，照 射在测量目标的表面；
[0033] 所述第一偏振片用于，使得所述测量目标表面的反射光经过所述第一偏振片后， 形成线偏振光；
[0034] 所述沃拉斯顿棱镜剪切装置用于，对所述线偏振光进行沃拉斯顿棱镜剪切，使得 每束所述线偏振光被剪切成偏振方向互相垂直的寻常光〇光和非常光e光；
[0035] 所述第二偏振片用于，使所述寻常光〇光和所述非常光e光经过所述第二偏振片 后，偏振方向一致；
[0036] 所述电荷耦合元件CCD和成像镜头用于，将所述寻常光〇光和所述非常光e光经 过相互干涉形成的散斑干涉图，由成像镜头成像于电荷耦合器件CCD上；
[0037] 所述计算机用于，控制所述电荷耦合元件CCD采集成像的所述散斑干涉图，得到 时间序列上的至少两幅采集后的散斑干涉图，对所述至少两幅采集后的散斑干涉图进行图 像相减，生成至少一个相减后的散斑干涉图；显示所述相减后的至少一个散斑干涉图。
[0038] 所述计算机对所述至少两幅采集后的散斑干涉图进行图像相减，生成至少一个相 减后的散斑干涉图具体为：
[0039] 将第2幅到第N幅采集后的散斑干涉图分别减去第一幅采集后的散斑干涉图，得 到至少一个相减后的散斑干涉图，N为采集后的散斑干涉图的总数量，N为大于1的自然数。
[0040] 所述计算机还用于；
[0041] 对所述至少一个相减后的散斑干涉图的每一点的光强进行傅立叶变换，获得频谱 图；
[0042] 根据所述频谱图，获得所述测量目标的在平行于所述光源方向上的基于时间的相 位变化量；
[0043] 根据所述测量目标的基于时间的相位变化量，计算得到所述测量目标在平行于所 述光源方向上的随着时间的位移变化量；
[0044] 根据所述测量目标在平行于所述光源方向上的随着时间的位移变化量，计算生成 所述测量目标在平行于所述光源方向上的应变。
[0045] 所述根据所述相位变化量，计算生成所述测量目标在平行于所述光源方向上的应 变具体根据以下公式：
[0046]
[0047] 其中，^(X,y,t)为测量目标在平行于所述光源方向上的的应变，△X表示X方向 OX 的剪切量；λ表示光源的波长；△ (X，y，t)为测量目标在平行于所述光源方向上的随着时 间的位移变化量。
[0048]由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，能够对测量 物体进行实时测量。
[0049] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0050] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0051]图1为本发明所述的数字剪切散斑干涉的实时测量方法的流程图。
[0052]图2为本发明所述的数字剪切散斑干涉的实时测量系统的连接图。
[0053]图3为本发明应用场景中基于沃拉斯顿棱镜的外差剪切散斑干涉测量系统的光 路图。
[0054] 图4为本发明应用场景中渥拉斯顿棱镜原理图。
【具