实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及光测力学技术领域，特别涉及一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉 方法。
【背景技术】
[0002] 相干梯度敏感干涉方法(Coherent Gradient Sensing)简称CGS方法，是将准直激 光束通过透明试件或经由反射表面反射，透过两片荣格光栅形成的干涉条纹场。其中，在透 射式的方法中，干涉条纹即面内主应力和梯度的等值线;而在反射式的方法中，干涉条纹即 离面位移梯度的等值线。此方法广泛应用在断裂力学和曲率测量中，尤其是在动态断裂力 学中，有着极其广泛的应用。此方法的控制方程中含有透光介质的面内主应力和项，与断裂 力学平面问题中的K因子表达恰好一致，故而成为了透明材料K因子求解的重要手段。然而， CGS方法自从提出以来，并没有解决条纹场自动处理的问题，尤其是动态问题中的条纹自动 处理。动态问题要求实时记录条纹场的变化情况，并通过每一帧条纹图获取当时的材料应 力、变形信息，是非常困难的。
[0003] 相关技术中，为了解决CGS方法中以上的精度和自动化问题，常见的方法是在原有 CGS系统中进行相移，然而CGS方法的原理决定了其相移的难度，其干涉条纹并非两束相互 独立的激光干涉而来的，而是试件表面距离非常近(亚毫米量级）的两个点出射或反射的光 线彼此干涉而得到的，且试件的尺寸远大于这个距离，两束光无法有效分离，进而对其中一 束引入相位差。即CGS方法区别于其他传统干涉方法之处决定了其不允许用传统相移的原 理进行相移。此外，对于动态问题来说，条纹灰度场是时间的函数，无法通过与静态问题相 同的方法来实现四步相移。
[0004] 因此，如何在空间上进行相移，如何实现动态问题中的实时测量并获取精确的全 场相位信息，就是传统CGS方法所面临的重大挑战，也是CGS方法在动态断裂问题中应用的 一大瓶颈。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的目的在于提出一种实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，该方 法可以提高求解精度与效率，简单便捷。
[0007] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种实时空间相移的相干梯度敏感 干涉方法，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;在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜;在 所述第一光栅和第二光栅之间设置第一至第四旋转台；在每个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片透明介质薄片的相对旋 转角度；固定任意一片透明介质薄片，并根据所述相对旋转角度控制剩余透明介质薄片旋 转以保证每次相移步进量分别为Ji/2,31,331/2;放置试件以获取第一至第四条纹图；根据灰 度系数分割所述第一至第四条纹图；按照四步相移原理式对分割后的所述第一至第四的条 纹图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。
[0008] 根据本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法，在原有相干梯度敏 感干涉光路的试件后方，放置一套组合棱镜，将一束平行激光分为相位差不变的四束平行 激光阵列，分别通过两块光栅之间的相差系统，通过四个独立的可旋转的平面透明介质，弓丨 入光程差的逐级改变，最终同时获取四个不同相位差值的条纹图，进而可以实现动态问题 的实时观测与相位场精确求解，提高了其求解精度与效率，实现了精确与自动化的动态问 题条纹图的处理与计算，对于非静态裂尖应力场或微小曲率动态测量有着较大的帮助。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法还可以具 有以下附加的技术特征：
[0010] 进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述设置试件之前，还包括:获取不放置 所述试件时且调整零场之后的第一至第四零场图，并且分割计算每个区域的平均灰度值， 以得到所述灰度系数。
[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述包裹相位场SQ(X，y)根据以下公式获 取，所述公式为：
[0012] ^o(^y) = arctani^A,
[0013]其中，ItKhA和13分别为第一至第四条纹图的灰度场。
[0014] 可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一至第四旋转台的精确度为0.01且旋 转轴平行于栅线方向。
[0015] 可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一至第四条纹图的序列为2X2序列。
【附图说明】
[0016] 图1为根据本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法的流程图；
[0017] 图2为传统CGS方法的原理示意图；
[0018]图3为根据本发明一个实施例的分光原理示意图；
[0019] 图4(a)至图4(b)分别为根据本发明一个实施例的相差系统的结构示意图和组合 滑轨与光栅后系统的结构示意图；
[0020] 图5为根据本发明一个具体实施实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法 的原理不意图；
[0021] 图6(a)至图6(b)分别为根据本发明一个实施例的直接获取的2X2条纹阵列示意 图和灰度标定处理后的条纹阵列示意图；以及
[0022] 图7(a)至图7(c)分别为根据本发明一个实施例的包裹相位示意图、解包裹相位示 意图与形貌示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的实时空间相移的相干梯度敏感干涉 方法。
[0025] 图1是本发明实施例的实时空间相移的相干梯度敏感干涉方法的流程图。
[0026] 如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
[0027]在步骤S101中，通过相干梯度敏感干涉方法CGS的方法设置光路，其中，光路包括 第一光栅、第二光栅、透镜和光屏。即言，首先按传统CGS方法要求搭好光路，调好零场。 [0028]图2为传统CGS方法的原理示意图。
[0029] 如图2所示，在传统的CGS方法中，平行光束从试件透射或反射之后，含有了试件内 部的应力与厚度信息，或反射型试件的表面形貌信息，经过第一个光栅Gi之后，平行光束其 被分成〇、± 1级三个光束，可取光束中任意一条分析，三条光线经过第二个光栅G2之后，发 生衍射光束彼此之间的干涉，产生条纹分布。图中红光和绿光表示试件表面出射或反射光 的两条光线，两点相距为ε，绿光在Gi之后的+ 1级衍射光，G2之后的0级衍射光与红光在6丄之 后的〇级衍射光，G2之后的+ 1级衍射光发生干涉。而类似地，从试件表面出射或反射的平行 光束中，任意一条光线与相邻的光线均会产生同样的衍射与干涉效应。而所有平行的光束 对经过空间滤波透镜之后，经过光阑的遮挡，一般可以选取+1级光束干涉对通过，被记录在 光屏上，形成干涉条纹。
[0030] 在步骤S102中，在准直镜后设置半透半反与全反射的组合棱镜。
[0031] 在准直镜后放置一个半透半反与全反射的组合棱镜，以将一束光分解为四束光， 且保持每束光任意两点的光程差未发生改变。即言，组合棱镜的设计思路为分光功能，从而 实现一束平行光分为四束光强比接近1:1:1:1的平行光束，也不会影响原有每束光中所含 的试件内部/表面相位差的信息。
[0032] 图3为根据本发明一个实施例的分光原理示意图
[0033] 进一步地，如图3所示，本发明实施例在上述传统CGS方法的基础上，在试件出射或 反射之后加入一个组合棱镜，其分光原理如图所示，例如共含有三块半透半反镜与三块全 反射镜，其中B、C、D三块为半透半反镜，均消偏振，且组合棱镜入射镜面前(B与A的对应面） 粘有实验波长的1/4波片，旋转至合适角度后可将原有的平行激光束转变为圆偏振光束，避 免之后的组合反射带来过大的光强差。E、F、G三块为全反射镜。
[0034]在步骤S103中，在第一光栅和第二光栅之间设置第一至第四旋转台。
[0035]可选地，在本发明的一个实施例中，在两块光栅之间固定的第一至第四旋转台的 精确度可以为〇.〇1且旋转轴平行于栅线方向。
[0036]在步骤S104中，在每个旋转台之上设置预设厚度和折射率的透明介质薄片。
[0037] 其中，每个旋转台设置完全相同的、已知厚度与折射率的平面介质薄片。四个薄片 性质完全相同，厚度与折射率可以根据实际情况由技术人员进行设置。
[0038] 在步骤S105中，根据旋转角与相移量的定量关系确定每片透明介质薄片的相对旋 转角度。
[0039]在步骤S106中，固定任意一片透明介质薄片，并根据相对旋转角度控制剩余透明 介质薄片旋转以保证每次相移步进量分别为：π/2，π，3π/2。
[0040]也就是说，调整每一片平面介质薄片，固定其中一片，旋转其余三片透明介质不同 角度，以保证其相移步进量分别为^2,31，331/2，进行四步相移的过程。
[0041]在步骤S107中，放置试件以获取第一至第四条纹图。
[0042]在步骤S108中，根据灰度系数分割第一至第四条纹图。
[0043]进一步地，在本发明的一个实施例中，在设置试件之前，还包括:获取不放置试件 时且调整零场之后的第一至第四零场图，并且分割计算每个区域的平均灰度值，以得到灰 度系数。
[0044]其中，不放置试件，调整零场，可以用CCD同时记录四幅零场图，分割计算每个区域 的平均灰度值，以此进行灰度系数标定，即言在零场时记录并分割图像，计算平均灰度，并 由此得到灰度系数。
[0045] 可选地，在本发明的一个实施例中，第一至第四条纹图的序列可以为2X2序列。在 得到灰度系数之后，放置试件进行实验，得到2X2序列的条纹图，分割，按照标定的灰度系 数分割并处理得到四副标准的条纹图。
[0046] 具体而言，由试件