[发明专利]单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：激光器(1)出射的激光经过扩束镜(2)之后以扩散光的形式照射被测物(3)，所述被测物(3)的表面漫反射光依次经过成像镜头(4)、狭缝光阑(5)、4f系统(6)以及迈克尔逊型装置(7)投射在CCD相机(8)的靶面上。

2.根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述迈克尔逊型装置(7)是由分光棱镜、处在分光棱镜第一侧面的第一平面镜，以及处在分光棱镜第二侧面的第二平面镜构成，所述分光棱镜第一侧面和分光棱镜第二侧面为分光棱镜相邻的两个侧面，所述第一平面镜与分光棱镜的第一侧面成一不为零的夹角θ，所述第二平面镜与分光棱镜第二侧面平行；被测物(3)的表面漫反射光由分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束并分别垂直照射在所述第一平面镜和第二平面镜上，由所述第一平面镜反射后的第一光束偏转β角度照射到CCD相机(8)的靶面上，β＝2θ，由所述第二平面镜反射后的第二光束垂直照射到CCD相机(8)的靶面上，所述第一光束和第二光束在CCD相机(8)的靶面上的成像形成有错位，以剪切量Δx表征所述错位量，相互倾斜的第一光束和第二光束产生载波，载波频率为f₀，以所述迈克尔逊型装置(7)作为剪切装置并作为载波装置。

3.根据权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统，其特征是：所述狭缝光阑(5)位于成像镜头(4)的焦平面上，以所述狭缝光阑(5)作为空间滤波器，以控制空间频谱的带宽。

4.一种权利要求1所述的单狭缝空间载波剪切散斑干涉测量系统的测量方法，其特征是：对所述被测物(3)进行动态变形，由所述CCD相机(8)采集被测物(3)在变形前后的剪切散斑干涉图像，通过计算获得所述剪切散斑干涉图像的相位信息，将被测物(3)在变形前和变形后的散斑干涉图像的相位信息进行相减处理，获得表征被测物(3)的离面变形信息的相位差，进而测量出被测物(3)的离面位移导数场。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1：由CCD相机采集剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)

被测物(3)的表面漫反射光在经过所述第一平面镜和第二平面镜反射之后形成剪切角为β的第一光束和第二光束；第一光束的波前u₁(x,y)和第二光束的波前u₂(x,y)分别由式(1)和式(2)表示：

式(1)和式(2)中，|u₁(x+Δx,y)|是第一光束的波阵面振幅，|u₂(x,y)|为第二光束的波阵面振幅，为第一光束的相位，为第二光束的相位。其中x,y分别表示CCD相机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标；

由式(3)计算获得由CCD相机所采集到的剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：

I(x,y)＝a(x,y)+u(x,y)exp(i2πf₀x)+u^*(x,y)exp(-i2πf₀x)     (3)

式(3)中

a(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)|²+|u₂(x,y)|²

u(x,y)＝|u₁(x+Δx,y)||u₂(x,y)|exp[iφ(x,y)]

φ(x,y)为剪切散斑干涉图像的相位信息；

步骤2、利用傅里叶变换算法，对剪切散斑干涉图像求取空间频谱

对剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到由式(4)表征的空间频谱FT[I(x,y)]：

FT[I(x,y)]＝A(f_x,f_y)+U(f_x-f₀,f_y)+U^*(f_x+f₀,f_y)    (4)，其中：

A(f_x,f_y)为含有背景光信息的低频项，位于频谱的中心坐标(0,0)的周围领域上；

U^*(f_x+f₀,f_y)和U(f_x-f₀,f_y)互为共轭，是含有剪切散斑干涉图像的相位信息的项，由于空间载频f₀的引入，U^*(f_x+f₀,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)在频谱中分别产生了不同方向的移动，分别位于频谱的坐标(f₀，0)处和(-f₀，0)的周围领域上；

A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱的带宽均为2f_p；

步骤3、设置剪切角与狭缝光阑的参数，实现分频处理

以狭缝光阑(5)作为空间滤波器控制频谱的带宽2f_p，频谱的带宽2f_p与狭缝光阑的缝隙尺寸D成正比例关系；以迈克尔逊装置(7)为载波装置所产生的载波频率f₀与剪切角β成正比例关系；

设置剪切角β和狭缝光阑的缝隙尺寸D的大小，使式(5)成立，以使频谱上A(f_x,f_y)、U(f_x-f₀,f_y)和U^*(f_x+f₀,f_y)三段频谱相互分离，

2f_p≤f₀≤2f_max/3         (5)

式(5)中f_max为CCD相机的最大空间频率；

步骤4、采用傅里叶逆变换计算剪切散斑干涉图像的相位

设置窗函数取出集中在坐标(f₀，0)周围邻域的频谱带U(f_x-f₀,f_y)，经傅里叶逆变换得到由式(6)表征的剪切散斑干涉图像的相位信息φ(x,y)+2πf₀x：

φ(x,y)+2πf₀x＝arctan{Im[v(x,y)]/Re[v(x,y)]}        (6)

式(6)，v(x,y)＝u(x,y)exp(i2πf₀x)＝FT^-1{U(f_x-f₀,f_y)}，其中Im[v(x,y)]和Re[v(x,y)]分别为v(x,y)的虚部和实部；

步骤5、对被测物进行变形，计算被测物的离面位移量导数场

在被测物变形前后各采集一幅剪切散斑干涉图像，由式(7)计算获得被测物体变形前和变形后的两个不同状态的剪切散斑干涉图像的相位差Δ(x,y)：

Δ(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₀(x,y)                    (7)

式(7)中φ₁(x,y)为被测物变形之后的相位信息，φ₀(x,y)为被测物变形之前的相位信息；以所述相位差Δ(x,y)表征被测物的离面变形信息，由式(8)获得被测物的离面位移导数场∂w∂x=λΔ(x,y)4πΔx---(8),]]>式(8)中的λ为激光波长。