基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法与流程

本发明涉及光学测试技术领域，具体涉及一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法。

背景技术：

数字散斑干涉和数字剪切成像都是一种实时、全场、非接触的光学测量方法，近年来在汽车和航空航天行业的复合材料无损检测方面被广泛应用并发挥着积极的作用。其中散斑干涉系统仅可测量变形信息，而数字剪切成像系统则测量变形的一阶导数，即应变信息。在实际应用中，不论是变形信息还是应变信息，都是用于缺陷检测和评估的关键参数。

通常，变形和应变可以相互转换。变形通过推导计算可以得到应变分量，而应变也可以通过数值积分来获得变形。然而，单纯数值上的计算通常较为复杂，且容易累积误差，得不到理想的结果。因此，开发同时测量变形及应变的共用测量系统以应对实际应用的需求就显得尤为重要。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法，能够实现对被测物的变形和应变的同步动态检测，测量系统结构简单，测量方法便捷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一方面，一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统，所述测量系统包括：

激光器；

分束镜，所述激光器发射的激光经所述分束镜分为透射光和反射光；

所述透射光经扩束镜扩束后照射至被测物形成漫反射光；所述反射光依次经光纤和分光棱镜后作为参考光进入光路；

所述漫反射光依次经光阑、成像透镜、分光棱镜和迈克尔逊剪切装置后，获得具有剪切量的两束物光；

所述光纤引入的参考光经迈克尔逊剪切装置后，获得具有剪切量的两束参考光；

所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光在ccd相机的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

优选的，所述系统还包括4f系统前置透镜和4f系统后置透镜；

所述漫反射光依次经光阑、成像透镜、分光棱镜、4f系统前置透镜和迈克尔逊剪切装置后，获得具有剪切量的两束物光；

所述光纤引入的参考光经4f系统前置透镜和迈克尔逊剪切装置后，获得具有一定剪切量的两束参考光；

所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光共同经4f系统后置透镜，并在ccd相机的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

优选的，所述迈克尔逊剪切装置包括反射镜和分光棱镜。

优选的，所述激光器为具有不同波长的三个激光光源；所述分束镜和扩束镜为三个对应于不同的激光光源；所述光纤为三个对应于不同的分束镜；所述分光棱镜为三个对应于不同的光纤；所述ccd相机为彩色相机。

另一方面，一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量方法，按如下步骤进行：

步骤1：采集所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光在ccd相机的靶面上干涉形成的散斑干涉图的强度i；

步骤2：对所述散斑干涉图像的强度i进行傅里叶变换得到散斑干涉图像的空间频谱ft(i)；

步骤3：设置滤波窗口提取含有相位信息的频谱部分，对提取的频谱区域进行傅里叶逆变换，可获得散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布；

步骤4：分别计算被测物体变形前后散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差，获得被测物体变形和应变信息。

优选的，所述散斑干涉图像的强度i可表示为：

其中，*表示共轭运算。u1、u2为具有剪切量的两束参考光；u3、u4为具有剪切量的两束物光。

优选的，所述散斑干涉图像的空间频谱ft(i)可表示为：

其中，表示卷积运算；

其中项代表背景光信息，其中心位于坐标原点；

项和包含剪切散斑干涉的信息，其中心分别位于(f1,0)和(-f1,0)；

项和由参考光经迈克尔逊剪切装置后产生，其中心位于(f1,0)和(-f1,0)；

项和包含数字散斑干涉的信息，其中心分别位于(f1+fx-f0x,fy-f0y)和(-f1-fx+f0x,-fy+f0y)；

项和为两组数字散斑干涉区域的叠加，无法用于解算，其中心分别位于(fx-f0x,fy-f0y)和(f0x-fx,-fy+f0y)；

项和包含数字散斑干涉的信息，其中心分别位于(-f1+fx-f0x,fy-f0y)和(f1-fx+f0x,-fy+f0y)。

优选的，所述f0x、f0y、f1可表示为：

其中，θ0x和θ0y分别表示参考光与ccd靶面法线之间夹角在x和y方向上的分量，θ为迈克尔逊剪切剪切装置的剪切角，λ为激光器波长。

优选的，所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布可表示为：

其中，im和re分别表示复数的虚部和实部。

优选的，所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差可表示为：

其中，为被测物变形后的相位信息；

以所述相位差和分别表征被测物的变形和应变信息，作为检测结果。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明嵌入了4f系统，提高了单次测量的面积，可提高测量效率。同时采用了迈克尔逊干涉系统作为剪切装置，使系统紧凑、简单、易调节。为实现对被测物变形和应变的同步动态检测，本发明采用空间载波技术，实现了频谱复用，可从单幅散斑图获取散斑干涉和剪切干涉的相位信息。

另外，彩色相机可同时测量被测物x、y、z三个方向上的量，使发明更符合实际应用的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一组激光器的光路示意图；

图2为本发明实施例三组激光器的光路示意图；

图3为本发明实施例一组激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例空间频谱的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法，能够实现对被测物的变形和应变的同步动态检测，测量系统结构简单，测量方法便捷。

为了更好的理解技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对技术方案进行详细的说明。

第一方面，本发明实施例提供一种基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统，如图1～3所示，所述测量系统用于检测被测物4，所属测量系统包括激光器1，分束镜2，扩束镜3，光阑5，成像透镜6，光纤7，分光棱镜8，4f系统前置透镜9，迈克尔逊剪切装置11，4f系统后置透镜10，ccd相机12。

具体实施过程中，激光器1可以作为照明光源；所述激光器1出射的激光经分束镜2后分为透射光和反射光；具体的该激光器1可以采用氦氖激光器，需要说明的是，可以是其他激光器；

所述透射光经扩束镜3扩束后作为照明光照射被测物4的表面，所述反射光依次经光纤7和分光棱镜8后作为参考光进入光路；其中透射光经扩束镜扩散后照射被测物表面，为携带被测物的信息的物光，另一束反射光为不携带被测物信息的参考光；

所述漫反射光依次经光阑5、成像透镜6、分光棱镜8、和迈克尔逊剪切装置11后，获得具有剪切量的两束物光；

所述光纤7引入的参考光进入迈克尔逊剪切装置11后，获得具有剪切量的两束参考光；

所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光共同在ccd相机12的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

一实施例中，如图1～3所示，所述系统还包括4f系统前置透镜9和4f系统后置透镜10；

所述漫反射光依次经光阑5、成像透镜6、分光棱镜8、4f系统前置透镜9和迈克尔逊剪切装置11后，获得具有剪切量的两束物光；

所述光纤7引入的参考光经4f系统前置透镜9和迈克尔逊剪切装置11后，获得具有一定剪切量的两束参考光；

所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光共同经4f系统后置透镜10，并在ccd相机12的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

上述实施例中前置透镜9与后置透镜10构成4f系统，具体的，假设前置透镜9与后置透镜10的焦距均为f，则成像透镜6到前置透镜9的距离为f+成像透镜6的焦距f’，前置透镜9到反射镜m2的距离为f，后置透镜10到反射镜m1的距离为f，后置透镜10到ccd靶面的距离为f。其中前置透镜9与后置透镜10之间的光路为平行光路，提高了单次测量的面积，使系统测量效率提高。

一实施例中，所述迈克尔逊剪切装置包括反射镜和分光棱镜。如图1～3所示，具体的，m1和m2为反射镜，所述分光棱镜的反射率：透射率为50:50。

一实施例中，所述激光器1为三个激光器，如图2所示，具体的，当该激光器为三个时，其相对应的需要三个分束镜2、三个扩束镜3、三个光纤7以及三个分光棱镜8，ccd相机为彩色相机。

一实施例中，三个所述激光器1分别发射出不同波长的激光，光路为三维光路，可实现对被测物x、y、z三个方向上变形和应变的同步测量，使系统更符合实际应用的需求。

上述实施例中光阑5和光纤7可调节空间载波频率，即控制ccd靶面上的散斑尺寸和傅里叶域中的频谱尺寸。

上述实施例中通过光纤从迈克尔逊剪切装置前引入参考光，经迈克尔逊剪切装置后获得具有一定剪切量的两束参考光，并与两束物光在ccd靶面上两两干涉。则在傅里叶域中有16个项，对应于频谱中11个光谱。其中四项可提取散斑干涉的相位图，两项可提取剪切测量的相位图。

第二方面，本发明实施例还提供一种实现被测物变形和应变同步测量的方法，具体按如下步骤进行：

步骤1：采集所述具有剪切量的两束物光和具有剪切量的两束参考光共同在ccd相机12的靶面上干涉形成的散斑干涉图的强度i；

步骤2：对所述散斑干涉图像的强度i进行傅里叶变换得到散斑干涉图像的空间频谱ft(i)；

步骤3：设置滤波窗口提取含有相位信息的频谱部分，对提取的频谱区域进行傅里叶逆变换，可获得散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布；

步骤4：分别计算被测物体变形前后散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差，获得被测物体变形和应变信息。

上述实施例中所述散斑干涉图像的强度i可表示为：

式(1)中，*表示共轭运算。u1、u2为具有剪切量的两束参考光；u3、u4为具有剪切量的两束物光。

上述实施例中所述散斑干涉图像的空间频谱ft(i)可表示为：

式(2)中，表示卷积运算。

如图4所示，频谱中11个光谱分别对应于傅里叶域中的16个项。

区域a对应项代表背景光信息，其中心位于坐标原点；

区域b和b’分别对应项和包含剪切散斑干涉的信息，其中心分别位于(f1,0)和(-f1,0)；

区域c和c’分别对应项和由参考光经迈克尔逊剪切装置后产生，其中心位于(f1,0)和(-f1,0)；

区域d和d’分别对应项和包含数字散斑干涉的信息，其中心分别位于(f1+fx-f0x,fy-f0y)和(-f1-fx+f0x,-fy+f0y)；

区域e和e’分别对应项和为两组数字散斑干涉区域的叠加，无法用于解算，其中心分别位于(fx-f0x,fy-f0y)和(f0x-fx,-fy+f0y)；

区域f和f’分别对应项和包含数字散斑干涉的信息，其中心分别位于(-f1+fx-f0x,fy-f0y)和(f1-fx+f0x,-fy+f0y)。

上述实施例中所述f0x、f0y、f1可表示为：

式(3)中，θ0x和θ0y分别表示参考光与ccd靶面法线之间夹角在x和y方向上的分量，θ为迈克尔逊剪切剪切装置的剪切角，λ为激光器波长。

上述实施例中所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位分布可表示为：

式(3)中，im和re分别表示复数的虚部和实部。

上述实施例中所述散斑干涉和剪切散斑干涉的相位差可表示为：

式(4)中，为被测物变形后的相位信息。

以所述相位差和分别表征被测物的变形和应变信息，作为检测结果。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明嵌入了4f系统，提高了单次测量的面积，可提高测量效率。

同时采用了迈克尔逊干涉系统作为剪切装置，使系统紧凑、简单、易调节。为实现对被测物变形和应变的同步动态检测，本发明采用空间载波技术，实现了频谱复用，可从单幅散斑图获取散斑干涉和剪切干涉的相位信息。另外，彩色相机可同时测量被测物x、y、z三个方向上的量，使发明更符合实际应用的需求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。