[发明专利]基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置

说明书

一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置，其特征是通过对曲面物体进行40～50度入射照明并采集光束偏转前、后以及相移前后的散斑图获取曲面的三维形貌，根据三维形貌计算得到曲面上任意点的法线矢量，然后通过对待测曲面进行加载，进一步得到待测曲面变形前后的不同散斑图，结合形貌测量获得曲面物体表面任意一点的法线矢量，测得沿法线方向的离面形变。本发明能够对三维形貌和离面形变实现综合测量，是一种无损，全场，高效的数字散斑干涉测量方法。

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量领域的技术，具体是一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置。

背景技术

数字散斑干涉方法测量形变或位移具有全场、非接触的特点。数字散斑干涉形变测量技术在构件强度、刚度检测；材料、构件的应力、应变、变形测量中有重要应用。表面粗糙物体被激光照射后出射的散射波与参考波干涉形成散斑图，CCD记录变形前后的数字散斑图，对散斑图进行相关处理、和解相位运算，就能够求得物体的离面位移。

山东师范大学孙平教授团队利用数字散斑干涉和数字图像相关的方法测量物体的三维形变。其中对离面变形的测量，使用的数字散斑干涉的方法。但是该方法只能测量平面物体离面变形，并且需要多个CCD相机。在测量曲面物体的三维形貌时，合肥工业大学王永红团队使用两个照明光源对物体进行照明，通过物体的偏转，获得三维形貌。这种方法虽然能够获得三维形貌，但是在装置中使用了两个照明光源，测量装置复杂。

在曲面物体的离面白晓宁的测量方法中，由德国明斯特大学Markus Dekiff等人利用双目视觉的方法来获得曲面物体的表面形貌，然后利用数字散斑干涉的方式获得曲面物体的离面变形，并且该方法成功测量了下颌骨模型的三维形貌和离面变形。但是该方法是对两种光学测量技术应用在同一个物体上的测量，在实际操作中非常复杂。

发明内容

本发明针对现有测量曲面物体的形变过程较为复杂的问题，提出一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法及装置，入射光以40～50度入射角照明被测物体，并在光路中增加调节镜，通过控制调节镜的偏转，改变入射光的角度；同时通过引入相位差，以物体表面的高度和相位差的关系，实现对物体形貌的测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于数字散斑干涉的曲面物体离面形变测量方法，通过对曲面以40～50度入射角进行照明并采集光束偏转前、后以及相移前后的散斑图获取曲面的三维形貌，根据三维形貌计算得到曲面上任意点的法线矢量，然后通过对待测曲面进行加载，进一步得到待测曲面变形前后的不同散斑图测得沿法线方向的离面形变。

所述的散斑图，通过激光光源发出的激光依次经过滤光片、半波片和扩束透镜组扩束后经过调节镜反射照射待测曲面，经待测曲面的散射光经过透镜成像，与经过同样激光光源和扩束透镜组发出的参考光干涉后通过成像机构采集得到。

所述的散斑图包括：光束偏转前相移前变形前待测曲面的干涉图、光束偏转后相移前变形前待测曲面的干涉图、光束偏转前相移后变形前待测曲面的干涉图、光束偏转后相移后变形前待测曲面的干涉图、光束偏转前相移前变形后待测曲面的干涉图、光束偏转后相移前变形后待测曲面的干涉图、光束偏转前相移后变形后待测曲面的干涉图、光束偏转后相移后变形后待测曲面的干涉图。

所述的光束偏转是指：以入射角θ为基础，偏转Δα，使入射光的入射角度产生Δα的变化。

所述的三维形貌，通过以下方式得到：当入射光偏转Δα角，对应光程差为ΔL＝(z_S-z)sinβΔα+(x_S-x)cosβΔα，其中：β为入射角，Δα为入射光偏转角度，通过对散斑图进行运算获得在x方向载波条纹产生的相位大小以及散斑图的相位其中：x和z为物体表面任意点的坐标，x_S和z_S为光源的坐标位置；通过计算,获得与物体高度相关的相位根据得到物体高度z，从而获得被测物体的三维形貌信息。