基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統及相位檢測方法
2023-08-04 09:03:16 2
基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統及相位檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統及方法，其特徵是由雷射器出射的物光照射到被測物面形成雷射散斑幹涉，被測物表面的回程物光投照在CCD攝像機的靶面陣列上；雷射器出射的參考光經由準直組件和反射鏡，以角度α照射在CCD攝像機的靶面陣列上，並與回程物光在CCD攝像機的靶面陣列上的形成雷射幹涉現象，調整角度α的大小，使相鄰的兩個像素點上參考光存在120°的光程差，根據CCD攝像機記錄的信息中的三個相鄰相素點的數值計算獲得雷射幹涉現象的相位值。本發明在散斑幹涉中只使用單幅圖像實現快速相位檢測，無需使用時間相移方法所需的PZT位移微動系統。
【專利說明】基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統及相位檢測方法
【技術領域】[0001]本發明涉及一種散斑幹涉測量系統及相位檢測方法，特別是光學快速相移方法，可廣泛應用於機械製造、航航空天、材料和生物等各方面的應變與變形測量，可以實現快速位移場、變形場、振動場的檢測，以及材料、框架以及構件的無損非接觸測量。
【背景技術】
[0002]數字散斑幹涉測量技術(DigitalSpeckle Pattern Interferometry, DSPI)是一項綜合了雷射、電子及圖像處理等技術的光測方法，具有高精度、非接觸及全場測量等優點。因此被廣泛應用於機械製造、航空航天、材料和生物等各方面的測量。
[0003]圖4為已有的基於時間相移的散斑幹涉測量系統，雷射器101發出雷射被分光稜鏡102分為兩束光，第一束光經第一反射鏡103和第一擴束鏡104照射到被測物108的表面後，被CCD攝像機110採集，經圖像處理卡107將數據傳輸到計算機中；第二束光作為參考光束直接經第二反射鏡105和第二擴束鏡106照射到CCD攝像機的靶面陣列，與第一束光產生散斑幹涉，通過幹涉條紋的相位測量可以得到被測物的變形量。其中布置在第二反射鏡105後面的壓電驅動器PZT通過PZT驅動電路109調整第二反射鏡105使每幅圖像具有恆定的相移，通過相位計算可以獲得幹涉條紋的相位。
[0004]在散斑幹涉測量中，CXD攝像機獲得的只是光強信息，光強信息Il(x，y)可表示為:
[0005]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](6)
[0006]式(6)中:a(x，y)、b (x，y)和小(x, y)分別表示背景信息、調製振幅和相位信息，相位信息0(x，y)中就包含被測物場的變化信息。在測量系統中無法直接獲得相位信息，只能得到與相位有關的光強信號。式(6)中有三個未知量3(^7)，13 0^7)和Cj5 (x，y)，要計算出0(x，y)，就需要至少三個方程。為了獲取其中的相位信息，相移技術被發展起來。
[0007]相移技術(Phase-Shifting)是幹涉條紋相位檢測技術的主要手段。目前大多採用時間相移方法來實現相位檢測，其原理是通過記錄三幅圖像來獲得三個方程，採用壓電驅動器PZT驅動反射鏡使每幅強度圖像中的參考光都具有恆定的相移，例如:通過PZT的微動是反射鏡每次移動1/6個雷射光波的波長，這樣在三次移動之後，經過反射鏡的反射，雷射幹涉的參考光的相位就產生了 0°、120°和240°的相位偏移。時間相移方法在測量過程需要採集多幅圖像和用PZT實現多次相移，來進行相位計算的，通常測量過程需要一定的時間。提取三幅圖像中同一點的光強數據，其原理如圖5所示，由此得到式(7.1)、式(7.2)和式(7.3):
[0008]I1 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) ](7.1)
[0009]I2 (x, y)=a(x, y)+b(x, y)cos[4) (x, y)+120° ](7.2)
[0010]I3 (x, y) =a (x, y) +b (x, y) cos [ (x, y) +240 ° ](7.3)
[0011]通過聯立方程組，解方程可得雷射幹涉的相位分布0 (x，y)如下:
【權利要求】
1.一種基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統，其特徵是:系統構成包括雷射器(I)、可變nd濾光片(2)、擴束鏡(3)、準直組件(4)、孔徑光闌(5)、成像透鏡(6)、反射鏡(8)、分光稜鏡(10)和CCD攝像機(9)； 所述雷射器(I)的出射光被可變nd濾光片(2)分為物光和參考光，所述物光經擴束鏡(3)擴束之後照射到被測物(7)的表面形成雷射散斑幹涉，被測物表面的回程物光依次經孔徑光闌(5)和成像透鏡(6)投照在CCD攝像機(9)的靶面陣列上；所述參考光經由準直組件(4)準直為參考準直雷射，所述參考準直雷射經反射鏡(8)和分光稜鏡(10)照射在CCD攝像機(9)的靶面陣列上，並與所述回程物光在CCD攝像機(9)的靶面陣列上形成雷射幹涉現象，由所述CCD攝像機(9)記錄所述雷射幹涉現象的光場強度信息； 通過設置在反射鏡(8)下的角度微調機構，調整參考準直雷射的照射角度，以使參考準直雷射的照射方向與CCD攝像機(9)靶面陣列的法線形成角度a時，在相鄰的兩個像素點上存在120°的光程差，根據所述CCD攝像機(9)記錄的光場強度信息中的三個相鄰相素點的數值計算獲得所述雷射幹涉現象的相位值。
2.一種利用權利要求1所述的基於偏轉角度的單幅圖像快速相移系統的相位檢測方法，其特徵是按照如下步驟進行: 步驟一、調整孔徑光闌(5)的大小以及成像透鏡(6)和CCD攝像機(9)的空間位置關係，實現對由CCD攝像機(9)採集獲得的雷射散斑幹涉的散斑大小的控制，確保每個散斑至少覆蓋所述CCD攝像機(9)靶面陣列的三個相鄰像素點； 步驟二、調整參考準直雷射的照射方向，確保參考準直雷射的照射方向與所述CCD攝像機(9)靶面陣列的法線成角度a時，在所述CCD攝像機(9)靶面陣列的相鄰兩個像素點上存在120°的光程差； 步驟三、在任意時刻，使用CXD攝像機(9)記錄當前時刻的光場強度信息，以IntI(?,N)和I_，N)分別表示三個連續像素點的光場強度信息，(M，N)表示像素點在所述CCD攝像機(9)靶面陣列的坐標，則有:
【文檔編號】G01J9/02GK103712569SQ201310754588
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】王永紅, 孫建飛, 楊連祥 申請人:合肥工業大學