[发明专利]基于衍射重叠迭代算法的应力测量装置和方法

说明书

一种基于衍射重叠迭代算法的应力测量装置和方法，该装置包括光源、起偏器、检偏器、两个四分之一波片、滤波器、载物台、两个透镜、夹持有衍射物体的平移台、CCD和采集电脑。测量方法是将待测光学元件置于圆偏振平行光场中，旋转检偏器，分别记录两组不同偏振状态下物体的衍射图样。利用衍射重叠迭代算法重建两组光场的振幅和相位，结合琼斯矩阵分析，提取出待测元件的等差线、等和线和等倾线，并利用元件光弹参数得到定量的应力信息。本发明充分利用PIE的相位测量优势，将等倾线和等和线均从相位信息中精确提取出来，适用于元件应力的全场测量，对光学元件应力测量技术的发展具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于光电无损检测技术领域，特别是一种基于衍射重叠迭代算法的应力测量装置和方法。

背景技术

将光弹性法与计算机图像处理技术相结合，来自动采集光弹性数据和分析应力的方法，被称为数字光弹性法，这是当前实验力学研究的方向。实现光弹性应力测量有两个关键点，一是确定等差线的各级数及各点的等倾线，二是判别等倾线的属性，即定出第一(或第二)主应力方向。传统光弹方法中，研究者们对第一个关键点解决地较好，通常采用基于圆偏振场的六步相移法来确定全场等差线级数。该方法虽然也能同时得到全场等倾角，但在(半)整数级等差线上得不到等倾线数据。基于白光平面偏振场的五步彩色相移法虽然克服了这个缺点，但是所确定的等倾角同时包含了第一和第二主应力方向区域。正是这种等倾线上角度属性的“不一致性”使得等差线包裹相图出现“失真”，导致接下来的解包裹过程出现错误。随着全息术被引入应力测量领域，应力测量又得到了进一步发展，出现了另外一种反映应力的方式——等和线(两个主应力方向上的相位延迟量之和)。结合等和线，可以定量地分析两个主应力的大小，得出主应力分布的同时明确等倾线属性，极大地弥补了传统光弹法的不足。到目前为止，仅能从相位信息中获得等和线。

PIE是一种相干衍射成像方法，它通过迭代的计算方式恢复出所扫描物体的振幅和相位信息，而且同时得到照明光的振幅和相位信息。该方法可以用于应力测量，已有学者(Anthony N,Cadenazzi G,Kirkwood H,et al..Scientific Reports,2016.)提出将传统光弹法和PIE方法相结合，得到物体的应力信息。该方法通过扫描待测应力元件，利用PIE算法恢复出五组不同相移状态下的元件信息。然后从其中四组数据的强度信息中提取出元件的等差线、等倾线，剩余一组的相位信息中提取出等和线。该方法实验光路比全息简单，对环境要求低，实现了应力的定量测量。但其也存在一些不足之处：1、采用的对待测元件扫描的方式仅适于小口径元件测量；2、实验中采集了五组数据，数据量大，这主要是因为在提取等差线和等倾线时，仍然基于传统的四步移相原理只利用了数据的强度信息。因此我们提出一种新的测量方法，将待测元件置于平行光路中以适用于大口径光学元件及全场应力测量，充分利用PIE方法在相位测量方面的优势，仅采集两组数据便可以从中提取出等和线、等倾线和等差线。

发明内容

本发明的目的是在PIE方法的基础上，提出一种基于衍射重叠迭代算法的应力测量装置和方法，该装置采集两组数据，即在两种状态下，激光通过待测元件后对衍射物体进行扫描形成的光斑。在衍射物体面和CCD面之间进行迭代运算，不断更新物体的复振幅和照明光的复振幅，最终得到清晰的物体和照明光。然后用菲涅尔衍射公式将照明光传输到透镜后表面，除以透镜因子，再传输到物体后表面得到含应力信息的复振幅分布。结合相移法利用复振幅的强度和相位恢复出能反映待测元件应力的等差线、等倾线以及等和线，去除包裹后根据光—应力定律得到应力大小。

本发明的技术解决方案如下：