CN113946115A - 散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质，属于光学精密测量技术领域。本发明装置主要由激光器、扩束准直单元、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、平面镜和相机组成，通过结合散射光场的全息测量和数字图像相关等技术，实现高散射物体三维矢量位移的高速同步测量。本发明融合了数字图像相关技术和散射光场的全息测量技术，具有非接触性、测量精度高、测量速度快、三维矢量位移同步测量、装置紧凑等优点，在航空航天、微型医疗机器人等高精密测量的场合具有广泛的应用前景。

Description

散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质

技术领域

本发明涉及光学测量的技术领域，具体地，涉及散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质。

背景技术

随着机械制造、半导体工业等行业精密加工技术的迅猛发展，相应的对于各类超精密器件或光学元件的工艺要求日益增加。对于许多要求各部件精准配合的场合，如航空航天、微型医疗机器人等，如何获得精密元件的位移或形变是一个非常关键的问题。

在现有的测量方法中，传统的接触式位移测量方法测量速度慢，而且会引入人为的受力干扰，也可能会因接触力而对物体表面造成磨损，因此不太适合精密元件的测量。在非接触测量方法中，数字全息技术具有无接触式测量、全场测量纳米级的高精度等优点，是一种十分理想的高精度位移检测手段。但是数字全息技术一般用于镜面表面物体的测量，对于散射表面的物体失效。同时，单一的数字全息装置并不适用于三维矢量位移的测量。若想实现同步三维矢量位移同步测量，往往需要三套数字全息装置，每一套负责一个维度形变的测量。然而，三套数字全息装置的安装较为复杂。同时信息的利用效率不高，只利用了相位图，而三个装置的强度图被全部丢弃。

此外，在现有光学测量方法中，数字图像相关方法因具有安装简单、测量指标和信息量丰富、可测材料类型众多、适合各个尺度和多种条件下的测量、精度高等综合优势而被广泛研究与应用。在实验力学领域，二维数字图像相关是一种广泛使用的方法，用于定量测量平面物体面内x与y方向的位移。它通过分析变形前后被测物表面的数字图像获得物体感兴趣区域的图像平面内位移和应变信息，并达到亚像素精度。但是，二维数字图像相关仅限于面内x与y方向位移的测量，无法获得光轴z方向的位移。

在公开号为CN109974591A的专利文献中公开了一种颗粒微小位移测量装置及测量细微颗粒产生位移的方法，激光器发射出的激光通过中间有小孔的第一反射镜，再透过斜槽表面聚焦在颗粒物质上，被激光束照射的样品颗粒产生的散射光入射分束器后，一分为二产生两束激光，一束光被光学分束器反射后入射到上方的第二反射镜后反射回分束器，之后透射过分束器由透镜聚焦被CCD相机接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的第三反射镜，之后反射回分束器后再次被反射，经过透镜聚焦到CCD相机上。CCD相机通过图像卡记录产生的激光散斑图，并传送到计算机进行相关数值计算处理。

全息方法可以获得物体表面的复波前信息，但是使用全息装置最大的问题就在于只能获取物体一个维度的位移量。对于物体三维位移的变化，那么就必须使用3套全息装置。

因此，如何通过一个简单的装置快速简便的获得物体的三维矢量位移是一个亟待解决的问题。需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质。

根据本发明提供的一种散射光场全息三维位移测量装置，包括激光器、扩束准直单元、第一分光镜、平面镜、第二分光镜、第三分光镜和相机；

扩束准直单元正对激光器的出射口，第一分光镜正对扩束准直单元的激光输出，平面镜位于第一分光镜的反射光路上，第二分光镜位于第一分光镜的透射光路上，第三分光镜位于第二分光镜的反射光路与平面镜的反射光路的交叉位置处，待测物***于第二分光镜的透射光路上，待测物体将照射在其表面的光反射后由第二分光镜反射，相机位于第三分光镜的合束光路上。

优选地，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

优选地，所述第二分光镜和第三分光镜之间设置有第一成像透镜，在平面镜和第三分光镜之间设置有第二成像透镜。

优选地，所述平面镜和第三分光镜之间设置有相移装置。

优选地，所述第一分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜之间。

本发明还提供一种散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，所述方法应用上述中的散射光场全息三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：激光器发出的光经扩束单元扩束后由第一分光镜分成两路：经第一分光镜透射的光束透过第二分光镜后照射到待测物体表面，由待测物体表面反射的光经第二分光镜反射形成测量光束；经第一分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光；测量光束和参考光由第三分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；

步骤S2：由相机分别记录待测物***移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物***移前后其表面反射光场的强度图和相位图；

步骤S3：将待测物***移前后其表面反射光场的相位图相减得到相位差，进而计算出待测物体沿光轴方向z向的位移；对待测物***移前后其表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体在垂直光轴方向x向和y向的位移；

步骤S4：结合待测物体的沿光轴方向z向的位移与垂直光轴方向x向和y向的位移，得到待测物体的三维矢量位移。

优选地，所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S3.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；

步骤S3.2：以选取的待测坐标点P1为中心，划定一个尺寸为(2M+1)×(2M+1)像素大小的区域R1，其中M为正整数，由感兴趣的子区域的大小决定；

步骤S3.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点Pi为中心的尺寸为(2M+1)×(2M+1)的区域R2；

步骤S3.4：计算区域R1和R2的相似度；

步骤S3.5：变化步骤S3.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S3.3～S3.4，直到i遍历位移后强度图中的所有像素，找出与区域R1相似度最高的区域R2；

步骤S3.6：计算区域R2的中心坐标P2；

步骤S3.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂直光轴方向x向与y方向的位移；

步骤S3.8：重复执行步骤S3.1～步骤S3.7，直到遍历整个位移前的强度图中的所有像素点，即获得所有像素点对应的垂直光轴方向x向和y向的位移。

优选地，调整平面镜的倾斜角度，反射的参考光与测量光之间形成夹角，通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。

优选地，在光束由第一分光镜反射并入射到第三分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光进行移相，通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致***光路结构复杂、成本高的问题，提出仅采用一路测量光束的测量方法，将其与二维数字图像相关技术相结合，高效地利用一套测量***的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量***和操作过程的复杂度；

2、本发明测量方法具有全场、非接触测量的特点，能够实现对待测件的无损检测；

3、本发明测量方法将纳米级高精度散射光场测量技术和亚像素级高精度数字图像相关技术相结合，具有高效、快速、测量精度高、动态测量的优点；首先，本发明将两个独立技术融合于一个硬件***上，之前两个技术分别具有自己的硬件***，包括各自独立的相机与光成像***等。本发明只基于一套全息硬件***，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件***，而是利用数字图像相关技术处理之前数字全息没有利用的散斑强度图像，因此将两个独立技术有机融合于一个硬件***上。其次，数字图像相关技术在本发明里处理的是激光散斑图像。而之前的数字图像相关技术处理的是自然光下的或者白光下的强度图像，处理的关键内容是强度图像中物体的纹理或者人为喷涂的散斑。激光散斑与以上这些数字图像相关技术之前处理的特征存在差异。

4、本发明测量方法可以实现对散射表面物体的三维矢量位移进行同步测量，解决了传统光学测量方法只能对镜面表面物体进行测量的局限性。曲面物体的三维位移测量需要物体的三维形貌信息。但是散射表面物体的三维形貌测量比镜面物体要难。这主要由于散射表面物体的颗粒高度变化已经超过激光波长，难以通过简单的数字全息***测量，往往需要额外的三维形貌测量***，不但造成测量方案的复杂，多套***的数据融合导致困难与方案的进一步复杂。但是，微米以及微米以下高度的镜面物体的三维形貌可以利用一个激光器的全息***进行测量。因此导致散射表面物体的三维矢量位移的测量困难。本发明通过复用同一套光路，用两个激光器的全息***解决了这个问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明散射光场全息三维位移测量装置示意图；

图2为本发明实施例1中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图；

图3为本发明实施例1中空间光滤波模块的示意图；

图4为本发明实施例1中扩束准直模块的示意图；

图5为本发明实施例1中CCD采集的物体形变前的干涉图；

图6为本发明实施例1中CCD采集的物体形变后的干涉图；

图7为本发明实施例1中经过形变前后两幅干涉图经过傅里叶变换的频谱结果图；

图8A为本发明实施例1中CCD采集的物体形变前的相位图；

图8B为本发明实施例1中CCD采集的物体形变后的相位图；

图9为本发明实施例1中沿着光轴方向位移测量结果图；

图10A为本发明实施例1中CCD采集的物体形变前的强度图；

图10B为本发明实施例1中CCD采集的物体形变后的强度图；

图11为本发明实施例1中垂直光轴的x方向位移的测量结果图；

图12为本发明实施例1中垂直光轴的y方向位移的测量结果图；

图13为本发明实施例2中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图；

图14为本发明实施例2中偏振分光单元的内部结构图；

图15为本发明实施例3中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图。

其中：

激光器1 相机8

扩束准直单元2 第一成像透镜9

空间光滤波模块201 第二成像透镜10

扩束准直模块202 偏振分光单元11

第一分光镜3 第一半波片111

平面镜4 偏振分光镜112

第二分光镜5 第二半波片113

待测物体6 相移装置12

第三分光镜7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质。本发明是基于散射光场测量技术，并结合二维数字图像相关技术，动态同步地测量物体的三维矢量位移。本发明可应用到镜面或者粗糙表面物体的位移测量中，实现物体三维矢量位移或形变的同步测量。

实施例1

如图2所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、第一分光镜3、平面镜4、第二分光镜5、被测物体6、第三分光镜7、相机8、第一成像透镜9和第二成像透镜10。

激光器1产生激光1a，激光1a输入至空间光滤波模块201。

激光器1采用的是相干光源，在本发明具体设计中，激光器1提供中心波长在532nm的空间光。

第一分光镜3、第二分光镜5和第三分光镜7是一种光学装置，能把光束一分为二，实现50％透射和50％反射。第一分光镜3，第二分光镜5和第三分光镜7的结构和作用相同，这里以第一分光镜3为例进行说明。第一分光镜3用于接收扩束准直模块202出射的准直平行光3a，将其分为平行光4a和4b输出。其中透射光4a进入测量光路，反射光4b进入参考光路。

空间光滤波模块201由空间滤波器和平凸透镜构成，内部结构如图3所示；其中空间滤波器由显微物镜MO和针孔PH组成。在空间光滤波单元2中，显微物镜将激光器1发射的空间光1a会聚于一点，在该会聚点设置针孔PH消除杂散光使该点更接近理想的点光源，平凸镜L1的前焦点与该点重合，使出射光2a为平行光。

扩束准直模块202用于扩束并产生光强均匀的平行光。如图3所示，扩束准直模块202由2个平凸透镜组成，使出射光3a为光斑直径放大后的平行光。本发明中平凸透镜的焦距选择根据光斑放大需求确定。

平面镜4用于反射光束，使光传播方向发生偏转。平面镜4用来将第一分光镜3出来的参考光4b在空间上偏转约90°，使其经过平面镜4后再反射。采用离轴数字全息结构，平面镜4用于调整参考光和测量光束的夹角。

第一成像透镜9的作用是成像。携带目标信息的入射平行光5b经过第一成像透镜9后在其后方成像，被相机8记录。在本发明中，第一成像透镜9与第二成像透镜10为相同参数透镜并且二者到相机的距离相同，用于补偿参考光路的光程，使干涉图中的干涉条纹清晰可见。

第二成像透镜10的作用是保证参考光波前与测量光波前的曲率一致。

相机8用于记录全息图。该相机8包括但不限定于CCD或CMOS等。

本发明中，由第一分光镜3发出的平行光4a经第二分光单元5、被测物体6再反射后经过第二分光单元5、第一成像透镜9和第三分光单元7。这部分可以称为测量光路。

本发明中，由第一分光镜3发出的平行光4b经平面镜4、第二成像透镜10和第三分光单元7，这部分可以称为参考光路。

参考光与测量光发生干涉，形成的全息图由相机8的感光面记录下来得到数字全息图。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波模块201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过第一分光镜3后变成两束光：其中一束经过第二分光镜5后照射被测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜5再反射成5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光9a经过第三分光镜7，最终垂直照射数字相机的感光面8，被相机记录。另一束光经过平面镜4反射后再通过第二成像透镜10后到达第三分光镜7，参考光8a经过第三分光镜7反射后到达相机感光面，与测量光进行干涉，被相机8记录。

相机8分别记录待测物体6位移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物体6位移前后待测物体6表面反射光场的强度图和相位图；将位移前后待测物体6表面反射光场的相位图相减得到相位差，进而计算出待测物体6沿光轴方向z向的位移；对位移前后待测物体6表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体6在垂直光轴方向x向和y向的位移；结合x，y，z三个方向的位移便可得到待测物体的三维矢量位移。

本实施例提供的散射光场全息三维位移测量装置，能够动态地测量物体的同步三维形变或位移，其具体测量方法的步骤如下：

步骤1：将待测样品放置在测量光路中。

步骤2：用CCD记录此时的干涉图如图5所示。

步骤3：向物体施加形变，本实施例中采用PZT对物体沿着光轴方向施加5微米的加载。

步骤4：用CCD记录变形后的干涉图如图6所示。

步骤5：计算被测物形变前后的散射光场：对形变前后的干涉图作傅里叶变换得到频谱结果如图7所示，通过空间滤波方法截取一级频谱，将其移频至中心，乘以对应波长和重建距离决定的传递函数并进行逆傅里叶变换，得到形变前后被测物散射光场对应的复振幅。

步骤6：从复振幅中提取位移前后被测物的散射光场的相位分布

和

如图8所示。

步骤7：通过相减操作得到相位差

步骤8：利用关系表达式：

由相位差

计算出沿着光轴z方向的位移，如图9所示。

步骤9：从复振幅中提取位移前后被测物的散射光场的强度分布I1和I2，如图10所示。

步骤10：使用数字图像相关技术对I1和I2进行处理，得到整个图像区域的垂直光轴的x与y方向的位移，结果如图11和12所示。

步骤11：结合沿着光轴z方向的位移和垂直光轴的x与y方向的位移，即可得到待测物体6的三维矢量位移同步测量结果。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中采用偏振分光单元11来替换实施例1中的第一分光镜3。

如图13所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、偏振分光单元11、第二分光镜5、待测物体6、平面镜4、第一成像透镜9、第二成像透镜10、第三分光镜7和相机8。

偏振分光单元11的内部结构如图14所示，包括第一半波片111，偏振分光镜112和第二半波片113。

偏振分光单元11用于接收从扩束准直模块202出射的平行光3a，将其分为平行光4a和4b输出，并负责调节两路光的光强比，一般为1:5到5:1。

扩束准直单元202出射光3a入射到偏振分光单元11后被分为偏振方向正交的两束光：反射光4b和透射光4a；其中反射光4b经过第二半波片113后成为4b进入参考光路，透射光4a进入测量光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元11中的第一半波片111可以改变空间光4a和4b之间的光强比，一般为1:5-5:1，进而执行调整测量光和参考光的光强比的功能，获得高质量的全息图。通过旋转第二半波片113，使测量光4a和参考光4b的偏振方向一致，目的是使得二者能够进行干涉。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波单元201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过偏振分光单元11后变成两束光：其中一束透射过第二分光镜5后照射待测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜5再反射成为5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光9a透射过第三分光镜7，最终垂直照射相机8的感光面，被相机记录。另一束光经过平面镜4反射后再通过第二成像透镜10后到达第三分光镜7，参考光8a被第三分光镜7反射后到达相机感光面与测量光进行干涉形成全息图，被相机8记录。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中在参考光路的平面镜4和第三分光镜7之间加入相移装置12。

如图15所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、第一分光镜3、第二分光镜5、被测物体6、平面镜4、第一成像透镜9、第二成像透镜10、第三分光镜7、相机8和相移装置12。

相移装置12的作用在于对参考光进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波模块201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过第一分光镜3后变成两束光：其中一束经过第二分光镜5后照射被测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜再反射成5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光9a经过第三分光镜7，最终垂直照射相机8的感光面，被相机记录。另一束光经过平面镜4反射后再通过第二成像透镜10后经过相移装置12移相后到达第三分光镜7，参考光8a经过第三分光镜7反射后到达相机感光面，与测量光进行干涉，被相机8记录。

本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。

本发明测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致***光路结构复杂、成本高的问题，提出仅采用一路测量光束的测量方法，将其与二维数字图像相关技术相结合，高效地利用一套测量***的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量***和操作过程的复杂度；本发明测量方法具有全场、非接触测量的特点，能够实现对待测件的无损检测。

本发明测量方法将纳米级高精度散射光场测量技术和亚像素级高精度数字图像相关技术相结合，具有高效、快速、测量精度高、动态测量的优点；首先，本发明将两个独立技术融合于一个硬件***上，之前两个技术分别具有自己的硬件***，包括各自独立的相机与光成像***等。本发明只基于一套全息硬件***，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件***，而是利用数字图像相关技术处理之前数字全息没有利用的散斑强度图像，因此将两个独立技术有机融合于一个硬件***上。其次，数字图像相关技术在本发明里处理的是激光散斑图像。而之前的数字图像相关技术处理的是自然光下的或者白光下的强度图像，处理的关键内容是强度图像中物体的纹理或者人为喷涂的散斑。激光散斑与以上这些数字图像相关技术之前处理的特征存在差异。

本发明测量方法可以实现对散射表面物体的三维矢量位移进行同步测量，解决了传统光学测量方法只能对镜面表面物体进行测量的局限性。曲面物体的三维位移测量需要物体的三维形貌信息。但是散射表面物体的三维形貌测量比镜面物体要难。这主要由于散射表面物体的颗粒高度变化已经超过激光波长，难以通过简单的数字全息***测量，往往需要额外的三维形貌测量***，不但造成测量方案的复杂，多套***的数据融合导致困难与方案的进一步复杂。但是，微米以及微米以下高度的镜面物体的三维形貌可以利用一个激光器的全息***进行测量。因此导致散射表面物体的三维矢量位移的测量困难。本发明通过复用同一套光路，用两个激光器的全息***解决了这个问题。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束准直单元(2)、第一分光镜(3)、平面镜(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)和相机(8)；

扩束准直单元(2)正对激光器的出射口，第一分光镜(3)正对扩束准直单元的激光输出，平面镜(4)位于第一分光镜(3)的反射光路上，第二分光镜(5)位于第一分光镜(3)的透射光路上，第三分光镜(7)位于第二分光镜(5)的反射光路与平面镜(4)的反射光路的交叉位置处，待测物体(6)位于第二分光镜(5)的透射光路上，待测物体(6)将照射在其表面的光反射后由第二分光镜(5)反射，相机(8)位于第三分光镜(7)的合束光路上。

2.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

3.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)和第三分光镜(7)之间设置有第一成像透镜，在平面镜(4)和第三分光镜(7)之间设置有第二成像透镜。

4.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述平面镜(4)和第三分光镜(7)之间设置有相移装置。

5.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述第一分光镜(3)由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元(2)和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜(4)之间。

6.一种散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-5任一项所述的散射光场全息三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：激光器发出的光经扩束单元扩束后由第一分光镜分成两路：经第一分光镜透射的光束透过第二分光镜后照射到待测物体表面，由待测物体表面反射的光经第二分光镜反射形成测量光束；经第一分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光；测量光束和参考光由第三分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；

步骤S2：由相机分别记录待测物***移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物***移前后其表面反射光场的强度图和相位图；

步骤S3：将待测物***移前后其表面反射光场的相位图相减得到相位差，进而计算出待测物体沿光轴方向z向的位移；对待测物***移前后其表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体在垂直光轴方向x向和y向的位移；

步骤S4：结合待测物体的沿光轴方向z向的位移与垂直光轴方向x向和y向的位移，得到待测物体的三维矢量位移。

7.根据权利要求6所述的散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S3.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；

步骤S3.2：以选取的待测坐标点P1为中心，划定一个尺寸为(2M+1)×(2M+1)像素大小的区域R1，其中M为正整数，由感兴趣的子区域的大小决定；

步骤S3.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点Pi为中心的尺寸为(2M+1)×(2M+1)的区域R2；

步骤S3.4：计算区域R1和R2的相似度；

步骤S3.5：变化步骤S3.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S3.3～S3.4，直到i遍历位移后强度图中的所有像素，找出与区域R1相似度最高的区域R2；

步骤S3.6：计算区域R2的中心坐标P2；

步骤S3.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂直光轴方向x向与y方向的位移；

步骤S3.8：重复执行步骤S3.1～步骤S3.7，直到遍历整个位移前的强度图中的所有像素点，即获得所有像素点对应的垂直光轴方向x向和y向的位移。

8.根据权利要求6所述的散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，调整平面镜的倾斜角度，反射的参考光与测量光之间形成夹角，通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。

9.根据权利要求6所述的散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，其特征在于，在光束由第一分光镜反射并入射到第三分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光进行移相，通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至9中任一项所述的方法的步骤。

Images