CN1932433A - 载频电子散斑位移场的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了载频电子散斑位移场的分离方法。该分离方法为：在双光束电子散斑干涉光路中增加参考光路，使这一路参考光为两光束所共用；通过偏转物体引入载波调制条纹，物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形，两束光各自独立地对变形物体进行测量，采集物体变形前后的条纹，利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面位移和面内位移分量信息的二幅相位图；进行相位运算将面内位移场与离面位移场分离。本发明在双光束型电子散斑干涉光路***中增加参考光***，通过对参考物体的偏转实现了条纹调制，得到了高质量的调制条纹，获得高精度的测量结果。该方法为变形场分量的测量提供了一种新的途径。

Description

载频电子散斑位移场的分离方法

技术领域

本发明涉及载频电子散斑位移场的分离方法。

背景技术

在光力学测量中，时间相移和载频调制是两种有效的相位定量测量技术。与相移技术相比，干涉条纹空间调制的方法不需要精密的相移设备，对测量的环境要求低，具有适合动态测量的优点，在实际应用中有重要价值。由于光干涉计量都是基于干涉条纹来进行位移场测量的，干涉条纹的质量对测量结果的影响很大。特别是干涉条纹的空间调制更需要有高对比度条纹，该方法在全息术及云纹干涉中应用较多。干涉条纹空间调制的方法也被引入到电子散斑干涉中，但是散斑条纹的高噪声，限制了该技术的发展。

应用相移电子散斑的方法测量二维位移分量已有报道。应用载频电子散斑的方法测量二维位移分量还未见报道。

发明内容

本发明针对现有电子散斑测量二维位移分量方法的不足，提供一种载频电子散斑位移场的分离方法，可高质量的调制物体的变形场，将物体变形的离面位移分量与面内位移分量分离，获得高精度的测量结果。

本发明载频电子散斑位移场的分离方法为：

在双光束电子散斑干涉光路中增加参考光路，使这一路参考光为两光束所共用；通过偏转物体引入载波调制条纹，物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形，两束光各自独立地对变形物体进行测量，采集物体变形前后的条纹，利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面位移和面内位移分量信息的二幅相位图；进行相位运算将面内位移场与离面位移场分离。

上述方法通过偏转物体引入载波调制条纹，具有条纹对比度高的优点。利用具有相同参考光路的双光束电子散斑干涉技术和载波调制技术，结合傅里叶变换方法，可以通过简单的相位运算将面内位移场与离面位移场分离。

本发明在双光束型电子散斑干涉光路***中增加参考光***，图像采集时采用两光束分别照明被测物，通过对参考物体的偏转实现了条纹调制，得到了高质量的调制条纹，然后利用傅里叶变换方法分别解调求得两光束分别照明时的位相图，经进一步计算从二幅位相图中分离出离面位移场分量与面内位移场分量，获得高精度的测量结果。该方法为变形场分量的测量提供了一种新的途径。

附图说明

图1为具有同一参考光路的双光束电子散斑干涉载频调制光路***图。

图2为图1中光束甲照射物体变形前的载波条纹图。

图3为图1中光束甲照射物体变形后的受调制载波条纹。

图4为图1中光束乙照射物体变形前的载波条纹图。

图5为图1中光束乙照射物体变形后的受调制载波条纹。

图6为由图2和图3解调出的包络位相图(对应光束甲照射物体)。

图7为由图4和图5解调出的包络位相图(对应光束乙照射物体)。

图8为分离出的面内位移分量(u场)的等位移线图。

图9为分离出的离面位移分量(w场)的等位移线图。

图中：1、激光器，2、可变分光镜，3、光束丙，4、反射镜丙，5、反射镜丁，6、扩束镜丙，7、半透半反镜，8、分束镜，9、光束甲，10、光束乙，11、反射镜甲，12、反射镜乙，13、摄像机，14、扩束镜甲，15、扩束镜乙，16、旋转平台，17、透镜。

具体实施方式

实施例

在双光束型电子散斑干涉光路中，增加一参考光路，并使这两束照明光共同使用这一路参考光。这样就形成了具有同一参考光路的双光束电子散斑干涉***。

如图1所示的光路***，激光器1发出的激光束经过可变分光镜分光，光束丙3经反射镜丙4、反射镜丁5和扩束镜丙6后照射到半透半反镜7上，经反射形成参考光路。透射部分经组合的分束镜后分成等强度的光束甲9和光束乙10，分别经反射镜甲11、反射镜乙12反射和扩束镜甲14、扩束镜乙15后照射到被测物上，形成双光束型的电子散斑干涉***。被测物置于由计算机控制的、可精密旋转的平台16上，通过透镜17成像，被测物的散斑图像由摄像机13采集。

两光束的入射角为47°，在防震台上进行测试。被测物为周边固定、中心加载的铝制圆盘。圆盘的厚为2mm，直径为60mm，中心用千分尺加载。圆盘固定在平台16上，表面涂银粉以增强反射率。平台16可在步进电机的驱动下作微小偏转。物体变形前由二光束分别照明，分别采集一幅物体未加载的原始散斑图像存入计算机中。随后，对应二光束分别照明采集物体在其他状态的图像，并每一幅图像与第一幅图像相减，相减后的结果实时地显示在监视器上。期间平台16旋转带动圆盘偏转可引入载波条纹，当物体有变形时，载波条纹受物体的变形的调制而发生弯曲。

干涉条纹场经线性调制后，变成密集的、含有变形信息的载波条纹。受调制的载波条纹可表述为

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[Δφ(x，y)+2πf₀x]       (1)

其中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹幅值，b(x，y)/a(x，y)常称为条纹对比度，Δφ(x，y)为物体变形引起的位相变化，即待求位相，它们都是空间位置的函数。式中f₀是物体偏转引入的沿x轴方向的空间频率。

$f_0=\frac{\mathrm{\Δ\α}(1+\cos \mathrm{\θ})}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，λ是所用激光的波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，Δα为物体转动的微小角度。

由(1)式可知，受调制的干涉条纹的相移量不随时间变化，而是随空间变化。载波条纹在x方向上的光强表达式(1)可表示为

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(j2πf₀x)+c^*(x，y)exp(-j2πf₀x)    (3)

其中，j代表虚部单位，*表示复数的共轭。c(x，y)用复数形式来表示，为

$c(x,y)=\frac{1}{2}b(x,y)\exp \left[\mathrm{j\Δ\φ}(x,y)\right]---\left(4\right)$

在x轴方向对光强I(x，y)进行傅里叶变换可以得到

H(f_x，y)＝A(f_x，y)+C(f_x-f₀，y)+C^*(f_x+f₀，y)                  (5)

其中，A(f_x，y)是由背景光强和低频噪声变换得到的。用适当的滤波器将A(f_x，y)和C^*(f_x+f₀，y)滤掉，得到C(f_x-f₀，y)后将其移到原点变为C(f_x，y)，再做傅立叶逆变换得到c(x，y)，可得到相位分布：

$\mathrm{\Δ\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{Im}\left[c(x,y)\right]}{\mathrm{Re}\left[c(x,y)\right]}---\left(6\right)$

其中，Re和Im表示取复数的实部和虚部。由式(6)得到的是主值在[-π，π]内的变化的包络位相，需要解包络运算才能将其连续化。

当光束A照明物体时，光波相位变化与物体变形关系为

${\mathrm{\Δ\φ}}_A(x,y)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[w(1+\cos \mathrm{\θ})+u\sin \mathrm{\θ}]---\left(7\right)$

其中w是物体变形沿z轴方向上的离面位移，u是物体变形沿x轴方向上的面内位移。可见，测量得到的是混合场。对于光束乙10照明物体时，得到的同样是离面位移场(w场)与面内位移场(u场)的混合场，即

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_B(x,y)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[w(1+\cos \mathrm{\θ})-u\sin \mathrm{\θ}]---\left(8\right)$

将式(7)与式(8)相加和相减，可得离面位移场和面内位移场。

${\mathrm{\Δ\φ}}_A(x,y)+{\mathrm{\Δ\φ}}_B(x,y)=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}w(1+\cos \mathrm{\θ})---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δ\φ}}_A(x,y)-{\mathrm{\Δ\φ}}_B(x,y)=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}u\sin \mathrm{\θ}---\left(10\right)$

由式(9)和式(10)可见，只要分别求出光束甲9和光束乙10照射时物体变形的位相变化，然后对这二幅位相场进行简单的加减运算，就可以将离面位移场与面内位移场分离开来。

加载前后光束甲9照射物体时得到的载波条纹如图2所示，调制载波条纹如图3所示。加载前光束乙10照射物体时得到的载波条纹如图4所示，调制载波条纹如图5所示。分别利用傅里叶变换法解调出物体变形位相Δφ_A和Δφ_B，图6和图7分别为光束甲9和光束乙10照明被测物时解调出的包络位相图。对图6和图7分别进行解包络得到连续的位相图，二连续位相图相加减后可分离出水平位移分量相位图和离面位移相位图。图8为分离出的面内位移分量(u场)的轮廓图，图9为分离出的离面位移分量(w场)的轮廓图。

由结果可见，利用偏转物体的方法引入的载波条纹对比度高，能够有效的调制物体的变形场。结合傅里叶变换方法，该方法能够有效的分离混合场。

Claims (1)

1、一种载频电子散斑位移场的分离方法，其特征是：在双光束电子散斑干涉光路中增加参考光路，使这一路参考光为两光束所共用；通过偏转物体引入载波调制条纹，物体加载后载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形，两束光各自独立地对变形物体进行测量，采集物体变形前后的条纹，利用傅里叶变换法，分别解调得到包含离面位移和面内位移分量信息的二幅相位图；进行相位运算将面内位移场与离面位移场分离。

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