散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体地，涉及散射光场全息三维位移紧凑型测量装置、方法及介质，尤其涉及一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置及方法。

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位移的测量。若想实现同步三维位移测量，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

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位移是一个亟待解决的问题。

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紧凑型测量装置、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，实现物体三维位移或形变的同步测量。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，包括激光器、第一分光镜、会聚透镜、针孔、第一平面镜、第二平面镜、第二分光镜和相机；第一分光镜正对激光器的激光发射口，会聚透镜、针孔和第一平面镜依次排成一排并位于第一分光镜的反射光路上，第二平面镜位于第一平面镜的反射光路上，第二分光镜位于第一分光镜的透射光路与第二平面镜的反射光路的交叉位置处，待测物体位于第二分光镜的透射光路上，相机位于第二分光镜的合束光路上。

上述测量装置的测量原理为：激光器发出的光入射到第一分光镜后分成两路，其中一路透射光束经过第二分光镜后照射到待测物体表面，然后待测物体表面反射的光经第二分光镜反射后垂直照射在相机的感光面，形成测量光束；另一路反射光束经会聚透镜、针孔、第一平面镜和第二平面镜后再透射过第二分光镜照射到相机的成像平面，形成参考光束；参考光束和测量光束干涉后形成的干涉图由相机记录下来。

进一步的，在第一分光镜和会聚透镜之间设置有中性衰减片，用来控制参考光束的光强。

进一步的，在第二分光镜和待测物体之间设置有成像透镜，用于放大第二分光镜到待测物体之间的物光光斑，同时用于将待测物体反射回来的物光进行聚焦成像。

进一步的，在第二平面镜和第二分光镜之间设置有相移装置，对参考光束进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

进一步的，第一分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元由偏振分光镜、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，第一半波片设置于激光器和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和会聚透镜之间；第一半波片、第二半波片和偏振分光镜组成偏振控制结构，通过旋转第一半波片控制测量光束和参考光束的光强比。

散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：激光器发出的光经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形成测量光束；经第一分光镜反射的光束经会聚透镜和针孔滤波后由第一平面镜和第二平面镜反射形成参考光束；测量光束和参考光束由第二分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；

上述过程中，由待测物体表面反射形成测量光束具体是：由待测物体表面反射的光被第二分光镜反射，然后照射在相机表面，这一路即为物光测量光路；会聚透镜和针孔组成了空间滤波单元，其能够将经第一分光镜反射的光束进行滤波，再由第一平面镜和第二平面镜依次反射，最后透过第二分光镜形成参考光束并照射在相机的感光面上。

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

上述过程中，先对待测物体施加位移，由相机记录下待测物体位移前后的全息图，对所记录的全息图进行重建，进而得到物体位移前后的散射光场的复振幅，从复振幅中提取待测物体位移前后的强度图和相位图。

步骤S3：将待测物体位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；对待测物体位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；

上述过程中，对强度图进行处理时采用二维数字图像相关技术进行处理。

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位移。

进一步的，步骤S4中，对待测物体位移前后其表面反射光场的强度图进行处理的具体步骤为：

步骤S4.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P

步骤S4.2：以选取的待测坐标点P

步骤S4.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点P

步骤S4.4：计算区域R

步骤S4.5：变化步骤S4.4：中坐标点P

步骤S4.6：计算区域R

步骤S4.7：将P

步骤S4.8：重复执行步骤S4.1：～步骤S4.7：，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

进一步的，调整第一平面镜和第二平面镜的倾斜角度，使反射的参考光束与物光形成夹角，进而通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。

进一步的，在光束由第一分光镜反射并入射到第二分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光束进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本发明与现有技术相比，具有以下的创新点及显著优点：

1）本发明测量装置解决了现有三维位移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，导致系统光路结构复杂、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系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度；

2）本发明测量装置与现有的测量装置相比，结构设计更加科学合理，使用更加简单方便，设计的光路更加紧凑，更适合集成化；

3）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；

4）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系统上，之前两个技术分别具有自己的硬件系统，包括各自独立的相机与光成像系统等。本发明只基于一套全息硬件系统，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件系统，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系统上。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；

5）本发明测量方法可以实现对散射表面物体的三维位移进行同步测量，解决了光学测量传统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系统测量，往往需要额外的三维形貌测量系统，不但造成测量方案的复杂，多套系统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系统进行测量。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一个激光器的全息系统解决了这个问题。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明散射光场全息三维位移紧凑型测量装置示意图。

图2是实施例1中的散射光场全息的三维位移测量装置的结构图。

图3是本发明实施例1中CCD采集的物体位移前的全息图。

图4是本发明实施例1中CCD采集的物体位移后的全息图。

图5是本发明实施例1中CCD采集的物体位移前后的相位图。

图6是本发明实施例1中沿着光轴方向位移测量结果。

图7是本发明实施例1中CCD采集的物体位移前后的强度图。

图8是本发明实施例1中垂直光轴的x方向位移的测量结果。

图9是本发明实施例1中垂直光轴的y方向位移的测量结果。

图10是本发明实施例2中的散射光场全息的三维位移测量装置的结构图。

图11是本发明实施例2中偏振分光单元的内部结构图。

图12是本发明实施例3中的散射光场全息的三维位移测量装置的结构图。

图13是本发明实施例4中的散射光场全息的三维位移测量装置的结构图。

其中：1-激光器、2-第一分光镜、3-中性衰减片、4-会聚透镜、5-针孔、6-第一平面镜、7-第二平面镜、8-第二分光镜、9-成像透镜、10-待测物体、11-相机、12-偏振分光单元、121-第一半波片、122-偏振分光镜、123-第二半波片、13-相移装置。

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紧凑型测量装置、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的三维位移测量装置包括：激光器1、第一分光镜2、中性衰减片3、会聚透镜4、针孔5、第一平面镜6、第二平面镜7、第二分光镜8、成像透镜9、待测物体10和相机11。

激光器1产生激光1a，激光1a输入至第一分光镜2。

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2和第二分光镜8是一种光学装置，能把光束一分为二，实现50%透射,50%反射。第一分光镜2和第二分光镜8的结构和作用相同，这里以第一分光镜2为例进行说明。第一分光镜2用于接收激光器出射的空间光1a，将其分为空间光2a和2b输出。其中透射光2b进入物光路，反射光2a进入参考光路。

中性衰减片3用于调节参考光路的强弱，进而调整物光和参考光的光强比，获得高质量的全息图。

会聚透镜4和针孔5共同组成了空间滤波单元。会聚透镜4将经过中性衰减片3衰减的空间光3a会聚于一点，在该会聚点设置针孔消除杂散光使该点更接近理想的点光源，其中会聚透镜的前焦点与该点重合。

第一平面镜6和第二平面镜7用于反射光束，使光传播方向发生偏转。本实施例中的第一平面镜6和第二平面镜7的结构相同，第一平面镜6用来将空间滤波单元出来的参考光5a在空间上偏转约90°，使其经过第二平面镜7后再反射。采用离轴数字全息结构，第二平面镜7用于调整参考光和物光的夹角。

成像透镜9的作用是放大与成像。首先透射过第二分光镜8的空间光2b经过成像透镜9后会使光斑放大，从而提高光斑覆盖待测物体10的范围，接着携带目标信息的物光10b经过成像透镜9后在其后方成像，经过第二分光镜8反射后被相机11记录。

相机11用于记录全息图。该相机11包括但不限定于CCD或CMOS等。

本实施例中，由第一分光镜2透射过的空间光2b经第二分光镜8、成像透镜9、待测物体10后再反射经过成像透镜9、第二分光镜8。这部分可以称为测量光束。

本实施例中，由第一分光镜2反射后的空间光2a经中性衰减片3、会聚透镜4、针孔5、第一平面镜6、第二平面镜7、第二分光镜8。这部分可以称为参考光束。

参考光与物光发生干涉，形成的全息图由相机11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的三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光器1产生激光1a，激光1a通过第一分光镜2后变成两束光：其中一束光透射过第一分光镜2和第二分光镜8后成为9a，经成像透镜9放大光斑后照射待测物体10，待测物体表面反射回来的光10b再经过成像透镜9聚焦后，被第二分光镜8反射到相机11的感光面，被相机11记录。另一束反射光2a经过中性衰减片3衰减光强后，通过会聚透镜4会聚光，在光的会聚点放置针孔5能够有效提升光束质量得到5a，然后5a经过第一平面镜6反射和第二平面镜7反射后成为7a到达第二分光镜8，7a透射过第二分光镜8后到达相机11的感光面，与物光进行干涉，被相机11记录。

本实施例提供的散射光场全息的三维位移测量装置，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、将待测物体10放置在物光光路中。

步骤2、用CCD记录此时的全息图如图3所示。

步骤3、对待测物体10施加位移或形变，本实施例中采用PZT对待测物体10沿着光轴方向施加5微米的加载。

步骤4、用CCD记录形变后的全息图如图4所示。

步骤5、计算待测物体10位移前后的散射光场：对位移前后的干涉图作傅里叶变换，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，得到位移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

步骤7、通过相减操作得到相位差

步骤8、利用关系表达式：

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

步骤10、使用数字图像相关技术对

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10的三维位移测量结果。

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12来替换实施例1中的第一分光镜。

如图10所示，本实施例中所用的散射光场全息的三维位移测量装置包括：激光器1、偏振分光单元12、中性衰减片3、会聚透镜4、针孔5、第一平面镜6、第二平面镜7、第二分光镜8、成像透镜9、待测物体10和相机11。

偏振分光单元12的内部结构如图11所示，包括第一半波片121，偏振分光镜122和第二半波片123。

偏振分光单元12用于接收从激光器1出射的光源1a，将其分为空间光2a和2b输出，并负责调节两路光的光强比。（一般为1:5到5:1）。

激光器出射光1a入射到偏振分光单元12后被分为偏振方向正交的两束光：反射光2a和透射光2b；其中反射光经过第二半波片123后成为2a进入参考光路，透射光2b进入物光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元12中的第一半波片121可以改变空间光2a和2b之间的光强比（一般为1:5 ~5:1），进而执行调整测量光束和参考光束的光强比的功能，获得高质量的全息图。通过旋转第二半波片123，使物光2a和参考光2b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的三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光器1产生激光1a，激光1a通过偏振分光单元12后变成两束光强比可调节的光2a和2b：其中一束光2b透射过第二分光镜8后形成9a，9a经成像透镜9放大光斑形成10a，然后10a照射待测物体10上，待测物体10表面反射回来的光10b再经过成像透镜9聚焦后形成11a，11a被第二分光镜8反射形成12a，12a照到到相机11的感光面，被相机11记录。另一束光2a经过中性衰减片3衰减光强后形成3a，3a通过会聚透镜4会聚光形成4a，在光的会聚点放置针孔5能够有效提升光束质量得到5a，然后5a经过第一平面镜6反射形成6a，6a被第二平面镜7反射后成为7a到达第二分光镜8，7a透射过第二分光镜8后形成8a并到达相机11的感光面，与测量光束进行干涉形成全息图，被相机11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第二平面镜7和第二分光镜8之间加入相移装置13。

如图12所示，本实施例中所用的散射光场全息的三维位移测量装置包括：激光器1、第一分光镜2、中性衰减片3、会聚透镜4、针孔5、第一平面镜6、第二平面镜7、第二分光镜8、成像透镜9、待测物体10、相机11和相移装置13。

相移装置13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的三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光器1产生激光1a，激光1a通过第一分光镜2后变成两束光：其中一束光2b透射过第二分光镜8后成为9a，经成像透镜9放大光斑后形成10a并照射到待测物体10上，待测物体10表面反射回来的光10b再经过成像透镜9聚焦后形成11a并被第二分光镜8反射形成12a，12a照到相机11的感光面，被相机11记录。另一束反射光2a经过中性衰减片3衰减光强后形成3a，3a通过会聚透镜4会聚光形成4a，在光的会聚点放置针孔4能够有效提升光束质量得到5a，然后5a经过第一平面镜6反射得到6a，6a被第二平面镜7反射后成为7a，7a经过相移装置13移相后到达第二分光镜8，然后透射过第二分光镜8后形成8

A并到达相机11的感光面，与物光进行干涉，被相机记录。

实施例4

如图13所示，本实施例中所用的散射光场全息的三维位移测量装置包括：激光器1、第一分光镜2、会聚透镜4、针孔5、第一平面镜6、第二平面镜7、第二分光镜8、待测物体10和相机11。

激光器1发出的光经第一分光镜2后分成两路：经第一分光镜2透射的光束透过第二分光镜8后照射到待测物体10表面，由待测物体10表面反射形成测量光束；经第一分光镜2反射的光束经会聚透镜4和针孔5滤波后由第一平面镜6和第二平面反射镜7反射形成参考光束；测量光束和参考光束由所述第二分光镜8合束后干涉，并在相机11的感光面上形成全息图。

相机11分别记录待测物体10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10位移前后待测物体10表面反射光场的强度图和相位图；将位移前后待测物体10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10沿光轴方向

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，导致系统光路结构复杂、成本高的问题，提出仅采用复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系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度；采用双波长的光路结构，实现光路复用，能够有效扩大离面方向位移的测量范围。

本发明测量装置与现有的测量装置相比，结构设计更加科学合理，使用更加简单方便，设计的光路更加紧凑，更适合集成化；测量装置采用单透镜，既实现了光斑放大，又实现了成像功能。可以根据实际需求放大光斑，实现更大光斑的测量范围；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系统上，之前两个技术分别具有自己的硬件系统，包括各自独立的相机与光成像系统等。本发明只基于一套全息硬件系统，而并没有额外采用独立的数字图像相关技术的硬件系统，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系统上。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系统测量，往往需要额外的三维形貌测量系统，不但造成测量方案的复杂，多套系统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系统进行测量。因此导致散射表面物体的三维矢量位移的测量困难。本发明通过复用一套光路一个激光器的全息系统解决了这个问题。

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。