物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统

1.本发明涉及物体双端面离面变形梯度分布测量技术领域，具体涉及一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统。


背景技术：

2.在目前的实际工业应用中，一般是利用一套光学剪切干涉成像系统对一个物体表面进行无损测量，得到该表面的离面变形梯度分布信息和缺陷信息。
3.但使用现有的剪切散斑干涉技术对物体单一表面离面变形梯度分布信息的测量已无法满足工业测量需求，常常需要对被测试件相对两端面的离面变形梯度分布信息进行同步的测量分析，以提高实际工业测量的效率，并降低时间和人力等测试成本。
4.因此，如何实现物体双端面离面变形梯度分布的同步测量是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统，解决了现有的方法无法实现物体双端面离面变形梯度分布同步测量的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
9.一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统，该系统包括：
10.激光生成模块，用于出射两路准直光束，以分别照射被测物体的端面a和端面b；
11.由端面a漫反射的一路光束依次经过第一透镜、第一反射镜、第二透镜后以平行光入射至第一剪切模块后被剪切成光束a和光束a'，再进入第一合束器；
12.由端面b漫反射的另一路光束依次经过第三透镜、第二反射镜、第四透镜后以平行光入射至第二剪切模块后被剪切成光束b和光束b'，再由第三反射镜反射后进入所述第一合束器；
13.载波引入模块，用于引入载波信息；
14.由所述第一合束器出射的四路光束a、a'、b、b'经过第五透镜后成像到ccd相机靶面；
15.计算模块，用于根据ccd相机靶面采集的数据同步提取两端面的变形梯度分布信息。
16.进一步的，所述第一剪切模块包括：第一分束器、第四反射镜、第五反射镜；
17.所述第二剪切模块包括：第二分束器、第六反射镜、第七反射镜；
18.所述载波引入模块包括：设置在第四反射镜前的第一光阑、设置在第五反射镜前的第二光阑、设置在第六反射镜前的第三光阑以及设置在第七反射镜前的第四光阑。
19.进一步的，所述载波引入模块包括：设置在第一透镜的焦平面处第五光阑和设置
在第三透镜的焦平面处第六光阑。
20.进一步的，所述激光生成模块包括两个激光器以及两个分别设置在每个激光器前的扩束镜。
21.进一步的，所述根据ccd相机靶面采集的数据同步提取两端面的变形梯度分布信息，包括：
22.s1、在对被测物体进行加载前，获取ccd相机采集的灰度图像；
23.s2、对灰度图像进行傅里叶变换，得到干涉频谱分布；
24.s3、提取干涉频谱分布中的高频区域，对其做傅里叶逆变换；
25.s4、基于傅里叶逆变换结果计算两端面变形前的干涉相位分布；
26.s5、对被测物体进行加载，再获取灰度图像，并重复一次s2-s4的操作，得到两端面变形后的干涉相位分布；
27.s6、对加载前后物体两端面干涉相位分布作差，得到物体变形所引起的相位变化；
28.s7、根据剪切散斑干涉原理近似计算得到物体双端面变形沿各自剪切方向的一阶导数。
29.进一步的，所述对灰度图像进行傅里叶变换，得到干涉频谱分布，包括：
30.对ccd相机记录的光强分布进行傅里叶变换得到的干涉频谱分布：
[0031][0032]
uj＝ft(uj),j＝1,2,3,4
[0033]
其中，
[0034]
i表示ccd相机记录的光强分布；
[0035]
ft(i)表示对光强分布傅里叶变换；
[0036]
表示卷积；
[0037]
为中心低频项，包含背景信息；
[0038]
和为一组共轭的高频项，包含来自端面a的物光干涉相位信息；
[0039]
和为另一组共轭高频项，包含来自端面b的物光干涉相位信息。
[0040]
u1(x,y)和u2(x,y)分别为端面a漫反射光经第一剪切模块后的两束光的波前；
[0041]
u3(x,y)和u4(x,y)分别为端面b漫反射光经第二剪切模块后的两束光的波前；
[0042]
x,y分别表示相机记录图像上的像素坐标。
[0043]
进一步的，所述基于傅里叶逆变换结果计算两端面的干涉相位分布，包括：
[0044][0045][0046][0047]
其中：
[0048]
表示干涉频谱分布中的高频区域；
[0049]
表示傅里叶逆变换；
[0050]
im和re分别为图像的虚部和实部；
[0051]
φ
11
,φ
21
分别为变形前端面a和b的干涉相位分布；
[0052]
(f
1x
,f
1y
)和(f
2x
,f
2y
)分别为两组光阑各自与ccd平面法线夹角θj(j＝1,2)引入的载波频率在x和y方向上的分量；
[0053]
(δx1,δy1)和(δx2,δy2)分别为两个剪切模块在x和y方向上的剪切量；和分别为两端面物光的随机相位。
[0054]
进一步的，所述对加载前后物体两端面干涉相位分布作差，得到物体变形所引起的相位变化，包括：
[0055]
δφ(x,y)＝φ
11
(x,y)+φ
21
(x,y)-[φ
12
(x,y)+φ
22
(x,y)]
[0056]
＝δφ1(x,y)+δφ2(x,y)
[0057]
其中，
[0058]
φ
11
,φ
21
分别为变形前端面a和b的干涉相位分布；
[0059]
φ
12
,φ
22
分别为变形后端面a和b的干涉相位分布；
[0060]
δφ1(x,y)＝φ
11
(x,y)-φ
12
(x,y)表示端面a变形引起的干涉相位差；
[0061]
δφ2(x,y)＝φ
21
(x,y)-φ
22
(x,y)表示端面b变形引起的干涉相位差。
[0062]
进一步的，所述根据剪切散斑干涉原理近似计算得到物体双端面变形沿各自剪切方向的一阶导数，包括：
[0063][0064][0065]
其中，
[0066]
为物体a端面面外变形沿剪切方向的一阶导数；
[0067]
为物体b端面面外变形沿剪切方向的一阶导数；
[0068]
δl1为所述第一剪切模块的剪切量，
[0069]
δl2为所述第二剪切模块的剪切量，
[0070]
λ1为所述第一激光器的波长；
[0071]
λ2为所述第二激光器的波长；
[0072]
(δx1,δy1)和(δx2,δy2)分别为两个剪切模块在x和y方向上的剪切量。
[0073]
进一步的，所述基于傅里叶逆变换结果计算两端面的干涉相位分布还包括：
[0074]
调整每一对光阑的相对位置使两组干涉频谱分布相同，得到调整后的频谱分布。
[0075]
(三)有益效果
[0076]
本发明提供了一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：
[0077]
本发明的第二透镜l2与第五透镜l5构成一个4f系统，第四透镜l4和第五透镜l5构成另一个4f系统，可扩大视场并确保相机采集得到的物体两个端面的像的完整性。通过调
整两剪切模块，使得端面a所成的两个错位像分布于相机靶面的左半区域，端面b所成的两个错位像分布于相机靶面的右半区域。两个端面所成的像各自剪切干涉，互不干扰，从而实现对两个端面的离面变形梯度分布的同步测量。此外，本发明构建系统还可用于目标的缺陷检测。
附图说明
[0078]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0079]
图1为本发明实施例的测量光路示意图；
[0080]
图2为本发明实施例的孔径光阑引入载波频率的示意图；
[0081]
图3为本发明实施例的傅里叶频谱分布示意图。
具体实施方式
[0082]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0083]
本技术实施例通过提供一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统，解决了现有的方法无法实现物体双端面离面变形梯度分布同步测量的问题。
[0084]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0085]
实施例1：
[0086]
本发明提供了一种物体双端面离面变形梯度分布同步测量系统，该系统包括：
[0087]
激光生成模块，用于出射两路准直光束，以分别照射被测物体的端面a和端面b；
[0088]
由端面a漫反射的一路光束依次经过第一透镜、第一反射镜、第二透镜后以平行光入射至第一剪切模块后被剪切成光束a和光束a'，再进入第一合束器；
[0089]
由端面b漫反射的另一路光束依次经过第三透镜、第二反射镜、第四透镜后以平行光入射至第二剪切模块后被剪切成光束b和光束b'，再由第三反射镜反射后进入所述第一合束器；
[0090]
载波引入模块，用于引入载波信息；
[0091]
由所述第一合束器出射的四路光束a、a'、b、b'经过第五透镜后成像到ccd相机靶面；
[0092]
计算模块，用于根据ccd相机靶面采集的数据同步提取两端面的离面变形梯度分布信息。
[0093]
本实施例的有益效果为：
[0094]
本发明中第二透镜l2与第五透镜l5构成一个4f系统，第四透镜l4和第五透镜l5构成另一个4f系统，可扩大视场并确保相机采集得到的物体两个端面的像的完整性。通过调
整两剪切模块，使得端面a所成的两个错位像分布于相机靶面的左半区域，端面b所成的两个错位像分布于相机靶面的右半区域。两个端面所成的像各自剪切干涉，互不干扰，从而实现对两个端面的离面变形梯度分布的同步测量。此外，本发明实施例构建系统还可用于目标的缺陷检测。
[0095]
参见图1，下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
[0096]
激光生成模块，为方便实验操作，所述激光生成模块包括两个相同的激光器(laser1和laser2)以及两个分别设置在每个激光器前的扩束镜(be1和be2)。扩束后照射被测物体相对的两个端面a、b。此外，使用一个激光器搭配光纤也可实现对相对两端面的照明。
[0097]
由端面a漫反射的一路光束依次经过第一透镜l1、第一反射镜m1和第二透镜l2后，以平行光入射到第一剪切模块后被剪切成光束a和光束a'，再进入第一合束器bs3；
[0098]
由端面b漫反射的另一路光束依次经过第三透镜l3、第二反射镜m2、第四透镜l4后以平行光入射至第二剪切模块后被剪切成光束b和光束b'，再由第三反射镜m3反射后进入所述第一合束器bs3；
[0099]
由所述第一合束器出射的四路光束a、a'、b、b'经过第五透镜后成像到ccd相机靶面。
[0100]
其中，第一剪切模块包括：第一分束器bs1、第四反射镜m4、第五反射镜m5；
[0101]
所述第二剪切模块包括：第二分束器bs2、第六反射镜m6、第七反射镜m7。
[0102]
且第一分束器bs1和第二分束器bs2的分光比为1:1。
[0103]
在传统4f系统的搭建中，通常要求系统前后两透镜间的光程为2f，而在本实施例中，2f的光程无法满足测量要求。与传统4f系统所不同的是，本实施例中第二透镜l2与第五透镜l5构成一个4f系统，第四透镜l4和第五透镜l5构成另一个4f系统，可扩大视场并确保相机采集得到的物体两个端面的像的完整性。可在确保入射光经过4f成像系统第一透镜后的出射光束为平行光的基础上扩大了两个透镜间的距离。理论上，两个透镜间的光束为平行光，光程的增加对物体所成像的完整性和成像质量没有影响。
[0104]
通过调整两剪切模块，使得端面a所成的两个错位像分布于相机靶面的左半区域，端面b所成的两个错位像分布于相机靶面的右半区域。两个端面所成的像各自剪切干涉，互不干扰，从而实现对两个端面的离面变形梯度分布的同步测量。
[0105]
此外，传统迈克尔逊剪切散斑干涉系统中，载波的引入通过在成像透镜焦平面处放置一个光阑来引入载波，即载波引入模块包括：设置在第一透镜l1的焦平面处第五光阑ap5和设置在第三透镜l3的焦平面处第六光阑ap6。
[0106]
为了使两束光干涉的频谱能够被较好的分离，则要求使用较小孔径的光阑并搭配较大的剪切量。但是，较小的通光孔径意味着相机所能接收到的光信息和能量较少，对干涉测量结果有着较大的影响，此外，较大的剪切量意味着有效干涉区域大大缩小，干涉区域形状相对于被测物体表面本身也会发生较大的变化，十分不利于实际测量。
[0107]
对此，本实施例在两个剪切模块中的每个反射镜前添加了光阑，优选为孔径光阑，用于引入载波；即载波引入模块包括：设置在第四反射镜m4前的第一光阑ap1、设置在第五反射镜m5前的第二光阑ap2、设置在第六反射镜m6前的第三光阑ap3以及设置在第七反射镜m7前的第四光阑ap4。4个孔径光阑引入载波频率如图2所示。
[0108]
由于剪切模块位于改进的4f系统中，物光在该部分以平行光传播，因而孔径光阑放置于此处不会影响成像的完整性。此时，干涉频谱分布仅取决于光阑孔径的大小和光阑间的相对位置，与剪切信息无关。通过选择合适的光阑孔径并调整两光阑相对间的位置，即可实现干涉频谱较好的分离提取。因此本实施例可以实现剪切和频谱的独立调节，二者互不干扰，使得在使用小剪切量的情况下也可以有较大尺寸的孔径光阑，提高了相机可接收到的光信息量，从而使得图像信噪比得到增强，可获得良好的测量结果。
[0109]
至此即可完成整个测量系统的搭建，随后，计算模块可根据ccd相机靶面采集的数据同步测量两端面的离面变形梯度分布，且计算步骤包括：
[0110]
s1、在对被测物体进行加载前，获取ccd相机采集的灰度图像；所述加载是指对被测物采用力/气压/热加载的方式使物体表面产生变形。
[0111]
s2、对灰度图像进行傅里叶变换，得到干涉频谱分布；
[0112]
s3、提取干涉频谱分布中的高频区域，对其做傅里叶逆变换；
[0113]
s4、基于傅里叶逆变换结果计算两端面变形前的干涉相位分布；
[0114]
s5、对被测物体进行加载，再获取灰度图像，并重复一次s2-s4的操作，得到两端面变形后的干涉相位分布；
[0115]
s6、对加载前后物体两端面干涉相位分布作差，得到物体变形所引起的相位变化；
[0116]
s7、根据剪切散斑干涉原理近似计算得到物体双端面离面变形沿各自剪切方向的梯度分布。
[0117]
而所述在ccd相机上成像的四路光束的波前为：
[0118][0119][0120][0121][0122]
其中，
[0123]
i表示虚数单位；
[0124]
exp表示以自然常数e为底的指数函数；
[0125]
和分别为两端面物光的随机相位；
[0126]
(δx1,δy1)和(δx2,δy2)分别为两个剪切模块产生的剪切量；
[0127]
(f
1x
,f
1y
)和(f
2x
,f
2y
)分别为两组光阑各自与ccd平面法线夹角θj(j＝1,2)引入的载波频率在x和y方向上的分量，表示为：
[0128][0129][0130]
其中，λ1和λ2分别为激光器的波长；
[0131]
f、x和y的下标1和2都是分别表示a、b面。
[0132]
则ccd相机记录的光强分布i为：
[0133][0134]
其中，*表示复共轭。
[0135]
且s2的计算方法如下：
[0136]
对ccd相机记录的光强分布进行傅里叶变换得到的干涉频谱分布，且公式为：
[0137][0138]
uj＝ft(uj),j＝1,2,3,4
[0139]
其中，
[0140]
i表示ccd相机记录的光强分布；
[0141]
ft(i)表示对光强分布傅里叶变换；
[0142]
表示卷积；
[0143]
为中心低频项，包含背景信息；
[0144]
和为一组共轭的高频项，包含来自端面a的物光干涉相位信息；
[0145]
和为另一组共轭高频项，包含来自端面b的物光干涉相位信息。
[0146]
u1(x,y)和u2(x,y)分别为端面a漫反射光经第一剪切模块后的两束光的波前；
[0147]
u3(x,y)和u4(x,y)分别为端面b漫反射光经第二剪切模块后的两束光的波前；
[0148]
x,y分别表示相机记录图像上的像素坐标。
[0149]
如图3(a)所示，通常情况下，两组干涉频谱的分布是任意的。因此，难以同时对两组干涉相位信息进行提取。而在本实施例中，为实现双端面测量信息的同步提取，可以通过调整每一对光阑的相对位置，如图3(b)所示，将两组干涉频谱分布调至相同。
[0150]
所述s4的计算公式为：
[0151][0152][0153][0154]
其中：
[0155]
表示干涉频谱分布中的高频区域；
[0156]
表示傅里叶逆变换；
[0157]
im和re分别为图像的虚部和实部；
[0158]
φ
11
,φ
21
分别为变形前端面a和b的干涉相位分布。
[0159]
对物体进行加载后进行同样操作，即可得到由物体双端面变形引起的相位差，且s6的计算公式为：
[0160]
δφ(x,y)＝φ
11
(x,y)+φ
21
(x,y)-[φ
12
(x,y)+φ
22
(x,y)]
[0161]
＝δφ1(x,y)+δφ2(x,y)
[0162]
其中，
[0163]
φ
11
,φ
21
分别为变形前端面a和b的干涉相位分布；
[0164]
φ
12
,φ
22
分别为变形后端面a和b的干涉相位分布；
[0165]
δφ1(x,y)＝φ
11
(x,y)-φ
12
(x,y)表示端面a变形引起的干涉相位差；
[0166]
δφ2(x,y)＝φ
21
(x,y)-φ
22
(x,y)表示端面b变形引起的干涉相位差。
[0167]
因此，s7的计算公式为：
[0168][0169][0170]
其中，
[0171]
为物体a端面离面变形沿剪切方向的一阶导数，即梯度分布；
[0172]
为物体b端面离面变形沿剪切方向的一阶导数，即梯度分布；
[0173]
δl1为所述第一剪切模块的剪切量，
[0174]
δl2为所述第二剪切模块的剪切量，
[0175]
λ1为所述第一激光器的波长；
[0176]
λ2为所述第二激光器的波长；
[0177]
(δx1,δy1)和(δx2,δy2)分别为两个剪切模块在x和y方向上的剪切量。
[0178]
综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
[0179]
①
本发明实施例中第二透镜l2与第五透镜l5构成一个4f系统，第四透镜l4和第五透镜l5构成另一个4f系统，可扩大视场并确保相机采集得到的物体两个端面的像的完整性。可在确保入射光经过4f成像系统第一透镜后的出射光束为平行光的基础上扩大了两个透镜间的距离。通过调整两剪切模块，使得端面a所成的两个错位像分布于相机靶面的左半区域，端面b所成的两个错位像分布于相机靶面的右半区域。两个端面所成的像各自剪切干涉，互不干扰，从而实现对两个端面的离面变形梯度分布的同步测量。此外，本发明实施例构建系统还可用于目标的缺陷检测。
[0180]
②
本发明实施例中，在两个剪切模块中的每个反射镜前添加了光阑，使得干涉频谱分布仅取决于光阑孔径的大小和光阑间的相对位置，与剪切信息无关。通过选择合适的
光阑孔径并调整每一对光阑的相对位置，将两组干涉频谱分布调至相同，可实现双端面测量信息的一次性同步提取，同时实现了剪切和频谱的独立调节。
[0181]
需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0182]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。