基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统及方法与流程

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统及方法。

背景技术：

剪切散斑干涉技术是一种全场、非接触、高灵敏度的光学测量技术，由于其可直接测量物体形变的导数，消除测量过程中被测物体的刚性位移，具有光路装置简单、抗震性能良好和对测量环境要求较低等优点，广泛应用在工业无损检测领域。

然而剪切散斑干涉技术只对其剪切方向上的形变敏感。由于被测物缺陷的加载形变有可能是多方向的，比如长条形缺陷在垂直于条形方向上具有明显的加载变形，但是在平行于条形方向上加载变形不明显。如果利用传统单方向剪切散斑干涉系统检测缺陷，只能检测在剪切方向上有加载形变的缺陷；如果被测物中的缺陷只产生与剪切方向垂直的加载形变，则无法检测这些缺陷。为了全面检测被测物中多种不同的缺陷，用传统的单方向剪切散斑干涉技术只能多次检测。但多次检测的方式并不能保证被测物的形变量前后的一致，为多种不同缺陷的后续统一量化处理带来困难。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统及方法，能够通过单个相机对被测物进行三方向同步剪切散斑检测。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统，包括：激光器、第一透镜、三组束器组、成像器件；

所述第一透镜设置在所述激光器与被测物之间，所述激光器发出的光束经所述第一透镜照射在被测物上，所述被测物反射光经所述三组束器组后在所述成像器件上成像；

其中，所述三组束器组中每一组束器组包括分束器、合束器、第二透镜及孔径光阑，所述第二透镜及所述孔径光阑设置在所述分束器与所述合束器之间光路上。

一种应用基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统进行成像的方法，所述基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统包括：激光器、第一透镜、三组束器组、成像器件；所述第一透镜设置在所述激光器与被测物之间，所述激光器发出的光束经所述第一透镜照射在被测物上，所述被测物反射光经所述三组束器组后在所述成像器件上成像；其中，所述三组束器组中每一组束器组包括分束器、合束器、第二透镜及孔径光阑，所述第二透镜及所述孔径光阑设置在所述分束器与所述合束器之间光路上；

所述方法包括：旋转调节所述三组束器组中的每一组的所述分束器和/或所述合束器，使得所述每一组束器组的成像随旋转调节而平移，以调节所述三组束器组形成的三个像之间的剪切方向和剪切量；

调节所述每一组束器组中的所述孔径光阑的相互位置，以调节相互的空间载波大小。

本发明实施例提供的基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统及方法，将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉，从而通过单个相机对被测物进行三方向同步剪切散斑检测。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例示出的基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统的示意图。

图2为本发明实施例示出的孔径光阑的位置示意图。

图3为本发明实施例示出的傅立叶变换后频谱的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

现有技术需要用到两个不同波长的激光器，增加了成本和光路调试复杂度，空间载波大小与剪切量无法独立调节，通常为了实现频谱分离，空间载波需要较大，会导致剪切量也较大，影响测量精度。本发明实施例使用单个相机，只需要在变形前后各采集一幅图像，即可计算出三个不同剪切方向的相位图。并且剪切量和剪切方向分别独立可调。本发明实施例将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉。通过调节每一束光路中的分束器或合束器，调节三个像之间的剪切方向；通过调节每一束光路中的孔径光阑的位置，调节相互的空间载波大小。在干涉图中，将三个光束相互剪切干涉的频谱提取出来，从而得到三个方向的剪切散斑干涉相位图。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统，包括：激光器11、第一透镜12、三组束器组13、成像器件14(例如ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合器件)靶面，cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体))；所述第一透镜12设置在所述激光器11与被测物15之间，所述激光器11发出的光束经所述第一透镜12照射在被测物15上，所述被测物反射光经所述三组束器组后在所述成像器件上成像；其中，所述三组束器组中每一组束器组13包括分束器131、合束器132、第二透镜133及孔径光阑134，所述第二透镜及所述孔径光阑设置在所述分束131器与所述合束器132之间光路上。

其中，所述三组束器组中每组束器组13中的分束器131及合束器132均可以调节。根据不同的应用场景，可以调节任意一个分束器131、任意一个合束器132，或者也可以一起调节多个分束器131及合束器132。

本发明实施例的基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统，将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉，从而通过单个相机对被测物进行三方向同步剪切散斑检测。

在一个实施例中，所述每一组束器组13中的所述分束器131及所述合束器132可旋转调节，使得所述每一组束器组13的成像随旋转调节而平移，以调节所述三组束器组13形成的三个像之间的剪切方向和剪切量。

在一个实施例中，所述每一组束器组13中的所述孔径光阑134可调节，使得经过所述三组束器组13反射成的虚像在所述成像器件13上，以调节相互的空间载波大小。

本发明实施例将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉。通过调节每一束光路中的分束器或合束器，调节三个像之间的剪切方向；通过调节每一束光路中的孔径光阑的位置，调节相互的空间载波大小，在干涉图中将三个光束相互剪切干涉的频谱提取出来，即可得到三个方向的剪切散斑干涉相位图。

在一个实施例中，激光扩束后照射到被测物上，从被测物反射的光经过三分束器131分成3个光路，3个光路经过各自光路上的透镜133和孔径光阑134后成像，经过各自的合束器132后的三个光路均成像在成像器件14上。通过调节3个分束器131，3个合束器132的旋转，可以使得3个光路中三个像有任意的平移，所述三组束器组13形成的三个像的平移量分别为(δxj,δyj)，j＝1,2,3；

三个孔径光阑134的尺寸和相对位置都是可调的，三个孔径光阑134分别经过各自的合束器132反射成的虚像，在一个平面上。如图2所示，所述三组束器组中三个的孔径光阑134的位置分别为(ξ1,η1),(ξ2,η2),(ξ3,η3)；

所述被测物15成像的光波为u(x,y)exp[iφ(x,y)]，则所述三组束器组13形成的三个光束的像表示为：

其中，j＝1,2,3，λ是激光波长，d是孔径光阑到ccd的距离。

在一个实施例中，根据干涉理论，所述成像器件14上的光强为：

对所述成像器件14采集的光强图像做傅里叶变换如下：

傅立叶变换后频谱的示意图如图3所示，其中ft()表示傅里叶变换，uj＝ft[uj]；j＝1,2,3，表示卷积；参数包含背景信息，其位于频谱的中心；参数和包含第一定向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和参数和包含第二方向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和参数和包含第三方向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和

在一个实施例中，通过选择做傅里叶逆变换，可以得到同样可以得到和相位项可以由以下关系计算：

其中，im和re分别表示复数的虚部部分和实部部分，ψ1,2＝φ(x+δx1,y+δy1)-φ(x+δx2,y+δy2)、ψ2,3＝φ(x+δx2,y+δy2)-φ(x+δx3,y+δy3)、ψ3,1＝φ(x+δx3,y+δy3)-φ(x+δx1,y+δy1)是三个横向剪切光束之间的相位差，剪切方向和剪切量如下：

其中norm()表示向量的模值；

变形后，记录第二幅图像，通过减去变形前后的相位分布来评价与变形对应的相位图，假定照明方向与成像方向平行，则由以下方程可以计算由于变形引起的光学相位差；

其中w是平面外位移，通过判断相位图分布中的异常可以检测出所述被测物的缺陷。

本发明实施例将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉。通过调节每一束光路中的分束器或合束器，调节三个像之间的剪切方向和剪切量；通过调节每一束光路中的孔径光阑的位置，调节相互的空间载波大小。在干涉图中，将三个光束相互剪切干涉的频谱提取出来，从而得到三个方向的剪切散斑干涉相位图。

本发明实施例提供一种应用上述基于空间载波的三方向剪切散斑干涉系统进行成像的方法，所述方法包括：旋转调节所述三组束器组中的每一组的所述分束器131和/或所述合束器132，使得所述每一组束器组13的成像随旋转调节而平移，以调节所述三组束器组13形成的三个像之间的剪切方向和剪切量；

调节所述每一组束器组中的所述孔径光阑134的相互位置，以调节相互的空间载波大小。

其中，所述三组束器组中每组束器组13中的分束器131及合束器132均可以调节。根据不同的应用场景，可以调节任意一个分束器131、任意一个合束器132，或者也可以一起调节多个分束器131及合束器132。

在一个实施例中，激光扩束后照射到被测物15上，从被测物反射的光，经过分束器131分成3个光路，然后经过各自光路上的透镜133和孔径光阑134后成像，经过各自的合束器134三个光路均成像在ccd上。通过调节三个分束器131和三个合束器134的旋转，可以使得三组束器形成的三个像有任意的平移，所述三组束器组形成的三个像的平移量分别为(δxj,δyj)，j＝1,2,3；

三个孔径光阑134的尺寸和相对位置都可调，三个孔径光阑134分别经过各自的合束器134反射成的虚像，在一个平面上，如图2所示，所述三组束器组中三个的孔径光阑的位置分别为(ξ1,η1),(ξ2,η2),(ξ3,η3)；

所述被测物15成像的光波为u(x,y)exp[iφ(x,y)]，则所述三组束器组13形成的三个光束的像表示为：

其中，j＝1,2,3，λ是激光波长，d是孔径光阑到所述成像器件的距离。

在一个实施例中，所述成像器件14上的光强为：

对所述成像器件14采集的光强图像做傅里叶变换如下：

傅立叶变换后频谱的示意图如图3所示，其中ft()表示傅里叶变换，uj＝ft[uj]；j＝1,2,3，表示卷积；参数包含背景信息，其位于频谱的中心；参数和包含第一方向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和参数和包含第二方向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和参数和包含第三方向剪切的剪切图信息，其中心分别位于和

在一个实施例中，通过选择做傅里叶逆变换，可以得到同样可以得到和相位项可以由以下关系计算：

其中im和re分别表示复数的虚部部分和实部部分，ψ1,2＝φ(x+δx1,y+δy1)-φ(x+δx2,y+δy2)、ψ2,3＝φ(x+δx2,y+δy2)-φ(x+δx3,y+δy3)、ψ3,1＝φ(x+δx3,y+δy3)-φ(x+δx1,y+δy1)是三个横向剪切光束之间的相位差，剪切方向和剪切量如下：

其中norm()表示向量的模值；

变形后，记录第二幅图像，通过减去变形前后的相位分布来评价与变形对应的相位图，如照明方向与成像方向平行，则由以下方程可以计算由于变形引起的光学相位差；

其中w是平面外位移，通过判断相位图分布中的异常可以检测出所述被测物的缺陷。

本发明实施例将被测物分成三束光路成像到像面上，并且相互干渉。通过调节每一束光路中的分束器或合束器，调节三个像之间的剪切方向；通过调节每一束光路中的孔径光阑的位置，调节相互的空间载波大小。在干涉图中，将三个光束相互剪切干涉的频谱提取出来，从而得到三个方向的剪切散斑干涉相位图。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。