一种物体三维折射率分布图的构建方法与系统

本发明属于光学测量，具体涉及一种物体三维折射率分布图的构建方法与系统。

背景技术：

1、随着人们对物质表面形态检测和内部物理量测量的深入研究，无损检测、非接触测量等检测手段受到了广泛的关注，从而促进了各类检测系统的诞生。在各类系统中，对以光学为基础的测量技术的研究一直具有独特的意义，尤其是在精密测量领域，光学测量技术以超高分辨率的优势扮演着重要的角色。无论是以光谱学为基础的测量技术，还是以光相干层析为基础的测量技术，它们都是研究物体内部结构信息的有效手段，成为了国际无损检测领域的研究热点。其中光谱学检测技术依托于光谱分析来实现，主要用于环境检测、物质微结构检测等领域。而光相干层析测量技术依托于光干涉仪来实现，通过干涉条纹变化反映光程差的变化，进而揭示物体内部物理量的微弱变化。

2、围绕光干涉仪结构的设计大致可以分为共光路干涉仪和非共光路干涉仪两类。如马赫-曾德尔干涉仪就是非共光路干涉仪，参考光波和样品光波通过不同路径传播。由于两束光波不共光路，测量时，周围环境的变化(如振动、位移等)在参考光路和样品光路引起扰动，从而使得光束的光程差、偏振态发生变化，造成干涉条纹不稳定。而共光路干涉仪的参考光路与样品光路共路，从而使参考光与样品光受到相同的干扰，避免了外界干扰对成像效果造成影响。而光波剪切干涉仪就属于共光路干涉仪中的一种，因而具有其相应的检测优点。

3、为避免非共光路干涉仪的缺点，可以利用共光路激光剪切干涉仪结构，根据所产生的干涉条纹，运用投影算法建立关于折射率的超平面方程，利用代数重建算法求解方程组，得到一系列对应平面上的折射率分布，然后依据光学相干层析技术将这些平面按次序堆叠起来，就可以重构待测物体的三维折射率分布。进一步，根据待测物理量和折射率之间的定量关系，利用共光路激光剪切干涉构建系统可实现三维待测物理量场的重建、非接触式稳定的检测以及结果的实时显示。

4、现有技术中，在运用投影算法计算折射率时，需要获取光线的投影值，在获取光线的投影值时，是将干涉图像的每一条纹单独编号得到数值矩阵，并将数值矩阵的值作为投影值。

5、然而，由于干涉图像本身有一定的宽度且干涉图像条纹的像素之间并不是突变的，因此这种方式获得的数值矩阵的数值不能很好的作为反应折射率的投影值。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种物体三维折射率分布图的构建方法与系统。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种物体三维折射率分布图的构建方法与系统，包括：

4、在干涉仪中不放置待测物体，获取光线的原始干涉图像；

5、在干涉仪中放置待测物体，利用光线从多个角度穿过待测物体，获取光线从多个角度穿过待测物体形成的多个角度的干涉图像，所述干涉图像携带着待测物体的折射率信息；

6、将干涉图像中从下往上的第m个条纹的条纹级数标记为m-1；对于第m个条纹，获取条纹中具有相同像素大小的像素的数量x，将第m个条纹转化为条纹数值矩阵其中共有x个m-1；干涉图像中所有的条纹数值矩阵共同组成初始数值矩阵；

7、从干涉图像中每一列的第一个像素开始，寻找条纹级数相差为1的两个像素a和b，计算这两个像素之间间隔的像素数n，将添加到初始数值矩阵中a和b之间的对应位置，得到数值矩阵；

8、将待测物体划分为多个截面，将每个截面划分为多个网格；计算光线在每一个网格中的传播距离；

9、将原始干涉图像转化为原始数值矩阵；将数值矩阵的数值减去原始数值矩阵对应数值的差值作为光线经过截面的投影值；

10、利用光线在每一个网格中传播距离、光线经过截面的投影值，计算每一个截面上每一个网格的折射率，并得到每一个截面的折射率分布图，将多个折射率分布图堆叠组合形成三维的待测物体折射率分布图。

11、进一步，所述投影算法为：

12、

13、其中，δki表示第i条光线的投影值，λ表示光线的波长，sij表示第i条光线在第j个网格的传播距离，nj表示第j个网格的折射率，n0表示空气的折射率，m是光线的数量，mi表示第i条光线经过的网格数量。

14、进一步，所述计算光线在每一个网格中的传播距离；包括：

15、利用光线与网格的交点坐标之差计算光线在每一个网格中的传播距离。

16、进一步，所述利用光线从多个角度穿过待测物体，角度分别为0°、10°、-10°、80°、90°、100°。

17、进一步，利用迭代法求解投影算法。

18、进一步，还包括：

19、使用matlab软件将干涉图像的像素值矩阵转化为灰度矩阵，对二维灰度矩阵实施二值化；利用imresize函数调节图像大小；

20、利用高斯加权均值滤波对干涉图像进行降噪处理。

21、进一步，还包括：利用折射率和温度之间的定量关系将三维折射率分布图转化为三维温度分布图；

22、折射率和温度之间的定量关系为：

23、

24、其中，n25是待测点在25℃下的折射率，nt是待测点在温度为t时对应的折射率，α为介质的温度系数。

25、一种物体三维折射率分布图的构建系统，其特征在于，包括：

26、干涉图像获取模块，用于在干涉仪中不放置待测物体，获取光线的原始干涉图像；还用于在干涉仪中放置待测物体，利用光线从多个角度穿过待测物体，获取光线从多个角度穿过待测物体形成的多个角度的干涉图像，所述干涉图像携带着待测物体的折射率信息；

27、数值矩阵构建模块，用于将干涉图像中从下往上的第m个条纹的条纹级数标记为m-1；对于第m个条纹，获取条纹中具有相同像素大小的像素的数量x，将第m个条纹转化为条纹数值矩阵其中共有x个m-1；干涉图像中所有的条纹数值矩阵共同组成初始数值矩阵；从干涉图像中每一列的第一个像素开始，寻找条纹级数相差为1的两个像素a和b，计算这两个像素之间间隔的像素数n，将添加到初始数值矩阵中a和b之间的对应位置，得到数值矩阵；

28、计算模块，用于将待测物体划分为多个截面，将每个截面划分为多个网格；计算光线在每一个网格中的传播距离；将原始干涉图像转化为原始数值矩阵；将数值矩阵的数值减去原始数值矩阵对应数值的差值作为光线经过截面的投影值；

29、图像构建模块，用于利用光线在每一个网格中传播距离、光线经过截面的投影值，计算每一个截面上每一个网格的折射率，并得到每一个截面的折射率分布图，将多个折射率分布图堆叠组合形成三维的待测物体折射率分布图。

30、进一步，所述干涉图像获取模块包括：

31、依次连接的激光发射器、扩束镜、第一偏振片，四分之一波片、第一凸透镜、待测物体、第二凸透镜、沃拉斯顿棱镜、第二偏振片、ccd相机。

32、本发明提供的一种物体三维折射率分布图的构建方法与系统具有以下有益效果：

33、运用光学相干层析成像技术重建待测物体的折射率的三维分布图像，其中，在获取投影值时，考虑到条纹宽度的问题，将干涉图像中从下往上的第m个条纹的条纹级数标记为m-1；对于第m个条纹，获取条纹中具有相同像素大小的像素的数量x，将第m个条纹转化为条纹数值矩阵其中共有x个m-1；由此构造出能够表现条纹宽度的初始数值矩阵，记为(...0，1,1,1,2,2,2,2,3...)；

34、与此同时，考虑到条纹并不是突变的，而是缓变的，因此对初始数值矩阵进行插值，从每一列的第一个像素开始，寻找级数相差为1的两个像素a和b，计算这两个像素之间间隔的像素数n，将添加到初始数值矩阵中a和b之间的对应位置，得到数值矩阵；即如果两个像素1和2之间间隔的像素数为3，则数值矩阵为(...0，1,4/3,5/3,2,2,2,2,3...)。

35、由此构建的数值矩阵，将条纹的宽度作为其条纹数值矩阵中的参数个数，将条纹与条纹之间的变化作为条纹数值矩阵中的插值数值，能够从像素层面充分体现条纹的宽度和细微的像素变化特性，因此通过该数值矩阵能够获取更精准的投影值。