[发明专利]数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法，其特征是：低相干激光器的出射光经分光片后分为透射光和反射光，透射光经扩束后照射被测物面，反射光经平面镜和扩束镜后照射被测物面；测量面漫反射的光经分光棱镜后分为两束光；两束光分别经平面镜、光阑、成像透镜和分光棱镜后同时成像到CCD相机上。本发明可对被测物的微小面内变形进行动态测量，是一种全场、高精度、易操作的测量系统。

技术领域

本发明涉及一种基于数字散斑干涉技术的面内微小动态形变测量系统及测量方法，可以从两幅相邻的散斑图中提取由面内形变，适用于复杂环境下的面内形变精密测量。

背景技术

数字散斑干涉技术是一种全场、非接触、高精度、高灵敏度的光学测量技术，广泛应用于无损检测、力学参数测量、振动测量以及生物医学检测等领域。

在散斑干涉中，物体形变引起散斑相位的变化，因此从散斑干涉图中提取相位是获得测量结果的关键。为了精确获取干涉相位，引入了相移方法。这种方法的主要思想是在干涉系统中通过人为地引入已知或未知但确定的相位值，来获取需要测量的相位信息。时间相移技术虽然可以得到较高的测量精度，但要求被测物在相移期间保持静止状态，这就使得该种方法不适合应用于动态测量。为使散斑干涉技术适用于分析动态形变，引入了空间载波技术。

空间载波技术是在物光和参考光之间引入恒定角度，实现线性载波调制，从而实现从单幅散斑图中提取干涉相位信息。利用空间载波技术可以很容易提取离面形变量。为了能够利用空间载波方法得到面内动态形变量，已有的方法是：首先提取两个具有不同敏感矢量的离面形变，再通过对两个离面形变进行数学计算，从而提取面内形变。这种方法需要两个激光光源，测量系统复杂，并且后续数据处理过程繁琐，易引入较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统及测量方法，以期实现对被测物的面内形变动态测量，使测量系统结构简单、测量方法便捷。

本发明的为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点是：以低相干激光器为激光光源，所述低相干激光器出射的激光经分光片分束为透射光和反射光；所述透射光经第一扩束镜扩束后作为第一照明光照射被测面，所述反射光依次经第一平面镜和第二扩束镜后作为第二照明光照射被测面；所述被测面表面的漫反射光在第一分光棱镜中按5:5分束，形成光轴互成90度的第一光束和第二光束；所述第一光束依次经第二平面镜、第一光阑、第一成像透镜和第二分光棱镜形成第一出射光束成像在CCD相机的靶面上；所述第二光束依次经第三平面镜、第四平面镜、第五平面镜、第二光阑、第二成像透镜和第二分光棱镜形成第二出射光束成像在CCD相机的靶面上；使所述第一出射光束和第二出射光束在CCD相机的靶面上干涉，形成散斑干涉图。

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点也在于：设置激光光源的相干长度小于激光在分光片与第一平面镜之间的光程L1，以避免第一照明光和第二照明光在被测面处干涉；设置第一出射光束和第二出射光束的光程差等于L1，使所述第一出射光和第二出射光在CCD相机的靶面上干涉。

本发明数字散斑干涉面内微小动态形变测量系统的结构特点也在于：为实现空间载波，设置第二光阑的中心点与第二成像透镜的主光轴的垂直距离为d，第一光阑的中心点与第一成像透镜的主光轴重合，载波频率f为：λ为激光波长，l′为第二成像透镜的像距。

利用本发明系统实现数字散斑干涉面内微小动态形变测量的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：对形变前后的两幅散斑干涉图进行傅里叶变换得到散斑干涉图的频谱；

形变前散斑干涉图I₁(x,y)和形变后散斑干涉图I₂(x,y)分别由式(2a)和式(2b)表示：