[发明专利]固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法

权利要求书

1.一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置，其特征在于，包括检测连续激光源(1)、第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(3)、第三聚焦透镜(4)、第四聚焦透镜(5)、固体材料样品(6)、数字微镜阵列(7)、光阑(8)、工业相机CCD(9)、光电探测器(10)、计算机(11)、示波器(12)；其中数字微镜阵列(7)与计算机(11)连接，工业相机CCD(9)连接计算机(11)以获取图像；

所述检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)照射在固体材料样品(6)表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，照射在数字微镜阵列(7)表面：当数字微镜阵列(7)打开时，反射的散射光斑在微镜阵列表面反射形成多个规则排列的衍射光斑，通过第三聚焦透镜(4)聚焦，并利用光阑(8)选取其中亮度最高的衍射光斑，入射至工业相机CCD(9)光敏面，计算机(11)完成取像；当数字微镜阵列(7)关闭时，向上的反射光经第四聚焦透镜(5)聚焦后，入射至光电探测器(10)的光敏面，转换为电信号在示波器(12)中以波形显示，并传输至计算机(11)记录。

2.根据权利要求1所述的固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置，其特征在于，所述数字微镜阵列(7)有两个工作位置，一个沿正向翻转设定角度，定义为on，另一个沿负向翻转相同角度，定义为off；所述数字微镜阵列(7)中单个微镜面积需小于入射散斑平均面积的1/2。

3.一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、系统初始化，确定工业相机CCD(9)和数字微镜阵列(7)的相对空间关系；

步骤2、检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)照射在固体材料样品(6)表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，照射在数字微镜阵列(7)表面；

步骤3、将数字微镜阵列(7)打开，反射的散射光斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑(8)选取亮度最高的衍射光斑入射工业相机CCD(9)的光敏面，记录散射光斑图；

步骤4、使用计算机分析散射光斑图位置及亮度变化：分析散射光斑静止时，数字微镜阵列(7)表面散射光斑的亮度变化，将散射光斑亮度增加部分对应的数字微镜阵列(7)关闭，实现所有散射光斑的均分处理；

步骤5、使用第四聚焦透镜(5)搜集关闭的数字微镜阵列(7)反射方向上的所有散射光斑，并入射至光电探测器(10)的光敏面，转换为电信号在示波器(12)中以波形显示，并传输至计算机(11)记录；

步骤6、由声扰动引起的样品表面质点振动转化为散射光斑在数字微镜阵列(7)上的移动，从而引起数字微镜阵列(7)反射光斑的功率变化，最终被光电探测器(10)接收，实现沿粗糙表面传播声扰动的光学检测；

若检测位置固定，则每次检测重复步骤5～6；若检测位置发生移动，则需重复进行步骤2～6。

4.根据权利要求3所述的固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，其特征在于，步骤1所述的系统初始化，确定工业相机CCD(9)和数字微镜阵列(7)的相对空间关系，具体如下：

1)检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)聚焦成点光斑，照射固体材料样品(6)表面的检测位置；

2)样品表面的反射散斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，完全照射在数字微镜阵列(7)表面，保证数字微镜阵列(7)搜集到完整的反射散斑；

3)将数字微镜阵列(7)的所有微镜打开，经数字微镜阵列(7)的反射散斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑(8)选取亮度最高的衍射光斑入射至工业相机CCD(9)光敏面，使用计算机(11)取像记为Figure_0；

4)确定数字微镜阵列(7)中心列在工业相机CCD(9)上的投影位置，将数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列的偏转方向设置为关闭，使用计算机(11)获取此时工业相机CCD(9)的图像，记为Figure_n；

5)将Figure_n与Figure_0各对应点信号作差，获得图像D_n，然后通过D_n计算获得数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列在工业相机CCD(9)上的对应位置N列；

6)首先以数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列为基准，同时将n-i、n+i列微镜阵列偏转方向设置为关闭，i＝5，然后每隔5列将一列微镜阵列偏转方向设置为关闭，直至微镜阵列边缘；设这些微镜阵列的关闭列为s5序列，通过工业相机CCD(9)获得图像记为Figure_s5，再将Figure_s5与Figure_0各对应点信号作差，获得图像D_s5，通过D_s5计算获得数字微镜阵列(7)中s5序列各列在工业相机CCD(9)上的对应位置S5序列，最后将关闭的微镜复原至打开；

7)分别设定步骤6)中i＝4,3,2,1，此时微镜阵列的关闭列序列为s4、s3、s2和s1，按步骤6)分别获得数字微镜阵列(7)中s4,s3,s2和s1序列各列在工业相机CCD(9)上的对应位置S4、S3、S2、S1序列，最后将关闭的微镜复原至打开；

8)综合S1、S2、S3、S4和S5序列，获得数字微镜阵列(7)所有列在工业相机CCD(9)上的投影位置；

9)对行操作重复步骤4)～8)，获得数字微镜阵列(7)所有行在工业相机CCD(9)上的投影位置；

10)结合行、列信息，获得数字微镜阵列(7)上所有微镜在工业相机CCD(9)上的投影位置。