CN116086338A - 一种数字全息变形检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字全息变形检测方法，属于光电检测技术领域。本发明包括步骤：对不同型号的半导体激光器出射光进行迈克尔逊干涉实验，对相干条纹进行采集；通过计算得到相干长度，选择合适的物平面大小；激光器的出射光通过方形波导腔叠像器形成矩形均匀光场，通过调整CMOS的位置信息，对相同的物平面信息进行采集，得到物平面位移发生前后的不共面的相位信息；对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，进行图像处理提取对应的相位信息，通过CMOS及物平面之间的位置信息构建三维关系，对相位信息进行三维重建处理，得到三维位移分量。本发明在成本低，且无损的基础上，实现了工业精度上的形变检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字全息变形检测方法，属于光电检测技术领域。
背景技术
半导体激光器具有低成本、低功耗、单色性好、体积小、易于调制等优点，被广泛应用于光纤通信、激光加工、医学和军事等领域。但半导体激光器的出射光光束质量差，光束发散角大，相互垂直的两束光的发散角不同，使得光场分布不均匀，无法直接应用于高精度的光学测量。但经过本方法改进可应用于工业测量。
数字全息再现相较于传统全息具有制作成本低，成像速度快，成像效果明显等特点，且应用光学仪器搭建的数字全息光路，灵活性更好，可改变光的波长，物光和参考光间大的光程，或激光器型号改变测量的量程，可协调性更高。
发明内容
本发明提供了一种数字全息变形检测方法，以用于进行位移检测降低成本，本发明利用低成本的半导体激光器及CMOS替代了大功率激光器及CCD，应用CMOS多方位采集，采集不共面的相位信息，通过一系列的图像处理，实现物体表面三维形变量的检测，从而为数字全息工业化奠定基础。
本发明的技术方案是：一种数字全息变形检测方法，对不同型号的半导体激光器出射光进行迈克尔逊干涉实验，对相干条纹进行采集；通过计算得到相干长度，选择合适的物平面大小；激光器的出射光通过方形波导腔叠像器形成矩形均匀光场，通过调整CMOS的位置信息，对相同的物平面信息进行采集，得到物平面位移发生前后的不共面的相位信息；对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，进行图像处理提取对应的相位信息，通过CMOS及物平面之间的位置信息构建三维关系，对相位信息进行三维重建处理，得到三维位移分量。
作为本发明的进一步方案，所述数字全息变形检测方法的具体步骤如下：
Step1、对半导体激光器Laser发出的激光搭建逊干涉光路，应用迈克尔逊干涉光路对半导体激光器的波长及衍射角度进行测量；
首先从半导体激光器Laser中发出的一束激光，被偏振分光棱镜(PBS1)分成两束，其中一束透射分束光经过距离为L1的光程被反射镜(M1)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)反射，照射到光屏(P)上；另一束反射分束光经过距离为L2的光程被反射镜(M2)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)透射，照射到光屏(P)上；
调节反射镜(CL1)和反射镜(CL2)的反射角度，使得两束光在光屏上的成像完全重合，在合束后的光路中加入小孔，只保留完全重合的信息；通过调节两束光的通过的L1和L2光程，对Step2中光屏(P)的相干信息进行分析，通过等倾公式计算出相干长度，选择合适的物平面大小；
Step2、选择好合适的物平面大小后，搭建数字全息干涉光路：搭建测量光路，将光波长λ＝632nm的半导体激光器Laser的出射光用方形波导腔叠腔器进行调节，调整合适的距离，使出射光光场呈矩形均匀光斑；均匀出射光被偏振分光棱镜(PBS2)分成两束；其中，一束分光束作为参考光经反射镜(CL1)反射后，经扩束镜(SF1)扩束和准直透镜(L1)准直后，再由反射镜(CL3)反射射入偏振分光棱镜(PBS3)；另一束分光束则作为探测物光在经扩束镜(SF2)扩束和准直透镜(L2)扩束准直后经反射镜(CL2)反射后，再照射到被测试件(S)表面，经试件表面反射的光射入偏振分光棱镜(PBS3)，经过偏振分光棱镜(PBS3)的两束光拟合后的信息由图像采集***接收；
Step3、对图像采集***采集到的相位全息图进行图像处理，对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，对其进行领域平均处理，消除较小噪声，对提取的物平面信息经过菲涅尔衍射的一次快速傅里叶变换(1-FFT)处理、像面滤波提取完整的物体像，进而通过菲涅尔衍射的傅里叶逆运算，提取变形前后无干扰的物场光，对其进行角谱衍射重建，傅里叶变换滤波降噪，最后基于最小二乘算法进行迭代解包裹，提取对应的相位信息；
Step4、对提取到的相位信息进行三维重建处理；应用物光参考光与物平面反射光的夹角，物平面反射光到图像采集***V1，V2，V3三个方向的夹角及其位置信息，搭建数学关系模型，对采集到的相位信息进行三维方向上的重建，得到相应的x,y,z三方向的位移分量。
作为本发明的进一步方案，所述Step2中的图像采集***包括：
搭建电动位移平台，用于实现CMOS在x,y,z三个方向的精准移动；
利用电动位移平台使CMOS分别在三个不共线但共面的位置(V1，V2，V3)上采集物平面及参考光在分光棱镜(PBS3)处拟合的相位信息。
本发明的有益效果是：
1、本发明应用低成本半导体激光器通过对相干长度的测量及光束整形的改进，实现了对物平面相位信息的采集，通过搭建电动位移平台不仅实现了在微米级三维形变的测量也节约了多方位信息测量的成本；
2、因为采用的是数字全息采集方案，实现了无接触采集，也就是无损采集且得到的信息也更加全面，采集精度也达到了微米级，能够广泛应用于工业领域；
3、应用电动位移平台及半导体激光器可以数据联网，实现远程操控实验仪器。
附图说明
图1为本发明设计的迈克尔逊光路；
图2为本发明的测量光路；
图3为本发明图像采集***原理图；
图4为本发明对图像采集***得到的数据进行处理流程示意图；
图5为本发明实施流程示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1-图5所示，一种数字全息变形检测方法，通过对低成本半导体激光器的光束质量进行改进，利用电动位移平台实现对物平面多方位采集，即采集到物平面位移或变形前后物光和参考光的激光全息图；本发明适用于低成本半导体激光器，其具有水平及垂直方向上发散角不同，分束后的两束出射光源也不同。
本发明对不同型号的半导体激光器出射光进行迈克尔逊干涉实验，对相干条纹进行采集；通过计算得到相干长度，选择合适的物平面大小；激光器的出射光通过方形波导腔叠像器形成矩形均匀光场，通过调整CMOS的位置信息，对相同的物平面信息进行采集，得到物平面位移发生前后的不共面的相位信息；对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，进行图像处理提取对应的相位信息，通过CMOS及物平面之间的位置信息构建三维关系，对相位信息进行三维重建处理，得到三维位移分量。
作为本发明的进一步方案，所述数字全息变形检测方法的具体步骤如下：
Step1、对半导体激光器Laser发出的激光搭建逊干涉光路，应用迈克尔逊干涉光路对半导体激光器的波长及衍射角度进行测量；参照图1中的迈克尔逊干涉实验原理图搭建对半导体激光器的相关参数进行测量，也就是对后续搭建数字全息图像光路相关参数进行制定；
首先从半导体激光器Laser中发出的一束激光，被偏振分光棱镜(PBS1)分成两束，其中一束透射分束光经过距离为L1的光程被反射镜(M1)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)反射，照射到光屏(P)上；另一束反射分束光经过距离为L2的光程被反射镜(M2)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)透射，照射到光屏(P)上；
调节反射镜(CL1)和反射镜(CL2)的反射角度，使得两束光在光屏上的成像完全重合，因为半导体激光器水平和垂直方向上的发散角及出光效果不同造成出射光效果不同，通过在合束后的光路中加入小孔，只保留完全重合的信息；通过调节两束光的通过的L1和L2光程，对Step2中光屏(P)的相干信息进行分析，通过等倾公式计算出相干长度为5cm，，选择物平面为圆形形变标准件；
Step2、选择好合适的物平面大小后，搭建数字全息干涉光路：搭建测量光路，应用电动位移平台对CMOS进行多方位移动，对相应的相位信息进行采集。对得到的相位全息图进行位移前后的相位信息采集，将光波长λ＝632nm的半导体激光器Laser的出射光用方形波导腔叠腔器进行调节，调整合适的距离，使出射光光场呈矩形均匀光斑；均匀出射光被偏振分光棱镜(PBS2)分成两束；其中，一束分光束作为参考光经反射镜(CL1)反射后，经扩束镜(SF1)扩束和准直透镜(L1)准直后，再由反射镜(CL3)反射射入偏振分光棱镜(PBS3)；另一束分光束则作为探测物光在经扩束镜(SF2)扩束和准直透镜(L2)扩束准直后经反射镜(CL2)反射后，再照射到被测试件(S)表面，经试件表面反射的光射入偏振分光棱镜(PBS3)，经过偏振分光棱镜(PBS3)的两束光拟合后的信息由图像采集***接收；
Step3、对图像采集***采集到的相位全息图利用如图4所示的数字图像处理方法进行图像处理，对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，对其进行领域平均处理，对变形前后的图像进行相差相减算法，只保留变形所产生的相位信息，消除无关的环境噪声，对提取的物平面信息经过菲涅尔衍射的一次快速傅里叶变换(1-FFT)处理、像面滤波提取完整的物体像，进而通过菲涅尔衍射的傅里叶逆运算，提取变形前后无干扰的物场光，对其进行角谱衍射重建，傅里叶变换滤波降噪，最后基于最小二乘算法进行迭代解包裹，提取对应的相位信息；
Step4、对提取到的相位信息进行三维重建处理；应用物光参考光与物平面反射光的夹角，物平面反射光到图像采集***V1，V2，V3三个方向的夹角及其位置信息，搭建数学关系模型，对采集到的相位信息进行三维方向上的重建，得到相应的x,y,z三方向的位移分量。
作为本发明的进一步方案，所述Step2中的图像采集***包括：
搭建电动位移平台，用于实现CMOS在x,y,z三个方向的精准移动；
利用电动位移平台使CMOS分别在三个不共线但共面的位置(V1，V2，V3)上采集物平面及参考光在分光棱镜(PBS3)处拟合的相位信息。
本发明使用了低成本半导体对物平面进行照射，应用迈克尔逊干涉实验原理对半导体激光器的相关参数加以利用，应用方形波导腔及扩束镜对水平及垂直方向上发散角和光束质量不同的出射光进行整形，实现了对物平面变形前后全息图的采集，利用电动位移平台实现多方位的图像采集降低了多相机的成本，采集到物平面的多个形变场，并利用数字图像处理的方法，对采集到的图形进行分析。在成本低，且无损的基础上，实现了工业精度上的形变检测。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种数字全息变形检测方法，其特征在于：对不同型号的半导体激光器出射光进行迈克尔逊干涉实验，对相干条纹进行采集；通过计算得到相干长度，选择合适的物平面大小；激光器的出射光通过方形波导腔叠像器形成矩形均匀光场，通过调整CMOS的位置信息，对相同的物平面信息进行采集，得到物平面位移发生前后的不共面的相位信息；对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，进行图像处理提取对应的相位信息，通过CMOS及物平面之间的位置信息构建三维关系，对相位信息进行三维重建处理，得到三维位移分量。
2.根据权利要求1所述的数字全息变形检测方法，其特征在于：所述数字全息变形检测方法的具体步骤如下：
Step1、对半导体激光器Laser发出的激光搭建逊干涉光路，应用迈克尔逊干涉光路对半导体激光器的波长及衍射角度进行测量；
首先从半导体激光器Laser中发出的一束激光，被偏振分光棱镜(PBS1)分成两束，其中一束透射分束光经过距离为L1的光程被反射镜(M1)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)反射，照射到光屏(P)上；另一束反射分束光经过距离为L2的光程被反射镜(M2)反射后，经由偏振分光棱镜(PBS1)透射，照射到光屏(P)上；
调节反射镜(CL1)和反射镜(CL2)的反射角度，使得两束光在光屏上的成像完全重合，在合束后的光路中加入小孔，只保留完全重合的信息；通过调节两束光的通过的L1和L2光程，对Step2中光屏(P)的相干信息进行分析，通过等倾公式计算出相干长度，选择合适的物平面大小；
Step2、选择好合适的物平面大小后，搭建数字全息干涉光路：搭建测量光路，将光波长λ＝632nm的半导体激光器Laser的出射光用方形波导腔叠腔器进行调节，调整合适的距离，使出射光光场呈矩形均匀光斑；均匀出射光被偏振分光棱镜(PBS2)分成两束；其中，一束分光束作为参考光经反射镜(CL1)反射后，经扩束镜(SF1)扩束和准直透镜(L1)准直后，再由反射镜(CL3)反射射入偏振分光棱镜(PBS3)；另一束分光束则作为探测物光在经扩束镜(SF2)扩束和准直透镜(L2)扩束准直后经反射镜(CL2)反射后，再照射到被测试件(S)表面，经试件表面反射的光射入偏振分光棱镜(PBS3)，经过偏振分光棱镜(PBS3)的两束光拟合后的信息由图像采集***接收；
Step3、对图像采集***采集到的相位全息图进行图像处理，对得到物平面位移发生前后物光与参考光叠加的激光全息图，对其进行领域平均处理，消除较小噪声，对提取的物平面信息经过菲涅尔衍射的一次快速傅里叶变换(1-FFT)处理、像面滤波提取完整的物体像，进而通过菲涅尔衍射的傅里叶逆运算，提取变形前后无干扰的物场光，对其进行角谱衍射重建，傅里叶变换滤波降噪，最后基于最小二乘算法进行迭代解包裹，提取对应的相位信息；
Step4、对提取到的相位信息进行三维重建处理；应用物光参考光与物平面反射光的夹角，物平面反射光到图像采集***V1，V2，V3三个方向的夹角及其位置信息，搭建数学关系模型，对采集到的相位信息进行三维方向上的重建，得到相应的x,y,z三方向的位移分量。
3.根据权利要求2所述的数字全息变形检测方法，其特征在于：所述Step2中的图像采集***包括：
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利用电动位移平台使CMOS分别在三个不共线但共面的位置(V1，V2，V3)上采集物平面及参考光在分光棱镜(PBS3)处拟合的相位信息。
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