[发明专利]一种基于多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置

说明书

本发明是一种基于实时多波长无透镜傅里叶变换数字全息的振动检测装置。本发明能够检测的振幅范围由数字全息的有效纵深决定，而形成干涉场的波长决定系统的有效纵深，本发明采用多波长数字全息干涉测量法，可通过选择不同的光波长形成十几微米到百微米的复合波长，扩大了纵向检测范围，能够实现对该范围振动幅度的实时检测；发明中同时采用无透镜傅里叶变换数字全息技术，对参考光和物光进行一次成像，成像位置关于CMOS处于同一面上，数值再现过程无需复杂的衍射传输，而只需经过一次FFT获得相应的信息，解算简单可实现实时检测和实时解算；短相干光源的引入在一定程度上抑制散斑的产生，提高了成像质量和检测精度。

技术领域

本发明涉及一种多波长振动探测系统，其实际是一种基于实时短相干多波长无透镜傅里叶变换数字全息的大纵深振动检测装置。

背景技术

数字全息作为一种光学全息术和数字图像采集、数值化处理相结合的成像技术，近二十年来随着数字技术的发展，其应用研究领域越来越广泛。高速图像传感器和计算机技术的发展并在数字全息技术中的应用，使基于数字全息技术的振动检测得到了快速发展。全息技术能够将完整的物体信息以干涉强度场的形式记录下来，数字全息技术将光电探测器记录的干涉谱在计算机中通过数值化衍射再现和相关图像处理同时获得物体幅度和相位信息。由相位信息能够获得物体的各点的高度或厚度，当目标产生如振动等引起的轴向位移时，相位信息随着光程差变化而产生变化，只需对两次记录的相位信息作差便能够获得全息图上各点的振动量。

基于数字全息的振动测量技术，包括以下优点：(1)以非接触方式获取物体复振幅信息、对观测目标影响非常小、系统结构简单；(2)数字全息技术后期的全数值化处理过程，使复杂的衍射过程在计算机中实现，并能方便地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；(3)能够量度沿光传播方向与光波长尺度相联系的光程差，因此，能够准确量化的微小振动。

另一方面，目前基于数字全息成像的振动检测技术仍存在以下缺点：①光电探测器件的图像采集、传输速率是影响该方法的关键因素，振动频率范围较大，而较低的相机速率往往不能满足高频振动目标的检测，因此这种方法通常被用于振动模态的检测；②这是一种类面振动检测方法，采样点多，导致其后计算衍射和图像处理过程较耗时，对频率较高的振动不能实现实时检测；③数字全息只能直接获得不大于光波长的轴向振动幅度的检测，而当振幅较大时，会引起相位跳变，需要进一步解包裹，增大计算量不利于实时检测，且使检测结果依赖于解包裹算法降低检测结果的可靠性；④散斑是相干成像的固有噪声，对小尺度测量和细节成像影响较大。

发明内容

本发明给出了一种基于多波长傅里叶变换数字全息的大幅度振动检测装置，系统采用双波长数字全息光路。首先该系统同时由两个激光器发出的光形成干涉场，干涉谱和解算得到的再现场对应着复合的光波长，有效复合光波长可以达到一百微米，能够直接实现对较大振幅的振动量检测，而无需复杂的解包裹过程，有利于系统对振动频率较高的目标进行实时检测和解算；其中一个的激光器波长固定，另一个激光器的波长范围可调谐，可以通过选择不同的可调谐波长获得十几到一百微米范围复合波长，扩大了该系统的纵深检测范围，能够实现不同尺度振动幅度的高精度检测。其次，采用短相干的激光光源，光源相干性的降低能够极大地降低成像中的散斑噪声，从而提高成像质量和振动目标各点振动量的探测准确度，但是短相干光源的引入对参考光和物光光路的光程匹配提出了要求，因此系统在参考光路中设置了光程补偿单元，调节参考光与物光光程差在相干长度范围内。再次，由于实际数字衍射再现过程计算较繁琐，而傅里叶变换数字全息的计算最简便，直接可以通过全息图的一次傅里叶变换得到再现场，系统在参考光和物光中分别增设透镜将参考光和物光成像，通过调节透镜的位置使成像位置位于平行于相机光敏面的同一平面上，满足无透镜傅里叶变换数字全息的特点，因此再现过程可通过一次FFT算法实现再现场的快速输出，使本发明能够实现高频大振幅的振动测量和实时解算。