[发明专利]一种基于像面数字全息的微振动远程实时面探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种微振动探测系统，更特别地说，是指一种基于像面数字全息的微振动远程实时面探测装置及成像振动解调算法。

背景技术

给予光学技术的非接触式微振动探测系统按探测区域可以分为点探测和面探测两类。以光三角法和激光多普勒法为代表的点探测技术具有探测精度较高、实时性好等优点。但是，它们存在的问题主要有两点：一是将激光照射的区域视为一点，对其整体振动情况进行探测，无法细分区域内更细小部位的振动情况，也即不能实现区域内多点同步实时探测(面探测)；二是需要寻找主反射光，探测角度受限，操作较为不便。

数字全息技术是一种较为典型的面成像检测技术利用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)等光电成像探测器件作为记录介质并以数字形式记录全息图，利用计算机模拟再现参考光通过全息图的光学衍射过程以数字方法重构三维散射光场，从而获得散射光场的振幅和相位的信息，其优点包括：(1)以非接触方式获取物体三维信息、对观测样本影响非常小、系统结构简单等优点；(2)数字全息图的记录与再现过程都以数字化形式完成，因此能够以数字形式重构散射光场并可以对物体三维信息进行定量分析；(3)在数字重构过程中，可方便的运用数字图像处理技术，矫正、补偿光学像差以及各种噪声和探测器非线性效应等的影响。

利用数字全息技术的面成像检测优势，进行振动探测是一种较为新型的多点振动同步面探测技术。当物体表面发生微小振动时，记录有物体表面形貌信息的数字全息图也将随之发生改变。设定初始数字全息图，并将由其提取出的相位记为初始相位，然后将此时刻之后连续记录的多幅数字全息图进行相位提取，并分别与初始相位比较，即可探测出该表面一定区域内多个位置的实时微振动信息。该类方法所能探测的振动频率范围主要由图像采集装置的图像采集速率决定。

目前采用该类方法的系统存在的问题是：①使用的光电成像器件的拍摄速度较低,因此仅能探测频率在100Hz以下的振动，同时也无法做到实时探测不规则振动，无法满足实际应用的需求。②这类系统一般形成的全息干涉图像是由物体振动表面散射光衍射像与参考光干涉形成的，在解调计算过程中需经过较为复杂的衍射全息再现计算，导致解调计算过程复杂、计算速度慢等问题，无法实现300Hz以上实时振动探测。③这类系统接收的被测物体振动表面散射光随距离增加而迅速衰减，无法实现超过1米以上的远距离振动探测。

发明内容

本发明提出一种基于像面数字全息的微振动实时面探测系统，该系统的光学系统中一方面采用两束线偏振光分别作为参考光和照射待观测物体表面的照明光；另一方面利用线偏振参考光和包含有物体形貌信息的散射光干涉，可以在较大的照射光角度范围获得包含物体振动信息的全息图，不需寻找照明光照射物体表面形成的主反射光，方便使用；第三方面本探测装置能以非接触、原位探测方式同时获取待观测物体表面一定区域内多个位置的振动信息，实现微振动面探测；第四方面本探测装置利用成像镜头的傅里叶变换特性，获取与物体被测振动表面各点成一一对应关系的清晰像，避免了传统数字全息图像形成过程中的衍射过程，再与参考光干涉可有利于简化传统的数字全息振动解调算法，以实现300Hz以上面振动的实时解调计算，进而实现振动实时探测；第五方面本探测装置利用成像镜头可以增加远距离处物体振动表面返回的微弱散射光，实现面振动远程探测；第六方面，该系统中所用的解调算法有别于已有数字全息再现算法，通过直接对物体成像，在振动解调计算过程中，避免了复杂的衍射计算过程，能够实现成像各点，振动频率5000Hz的实时解算；第七方面，该系统包含的可视化界面能够方便实现实验参数的人工调整，并可自动选取特征点或者手动选取特征点，并实现特征点振动信息的实时显示。

本发明的一种基于像面数字全息的微振动实时面探测系统，该系统中的光学装置包括有光源、分光单元、空间滤波器A、空间滤波器B、平凸透镜A、平凸透镜B、反射镜A、反射镜B、消偏振分光棱镜、成像镜头和图像采集装置。

光源用于为本发明微振动实时面探测装置提供光信息。