本发明专利技术公开了一种基于像面数字全息的微振动远程实时面探测系统，分光单元将接收的激光分为两束线偏振光后，分别输入两个空间滤波器；一束线偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为参考光进入消偏振分光棱镜；另一束线偏振光顺次经平凸透镜、反射镜后成为照明光，该照明光照射在待探测物体表面上被散射后进入消偏振分光棱镜，然后经成像镜头输出至图像采集装置。本发明专利技术利用高速CMOS相机连续高速拍摄数字全息图，提高装置的振动频率探测范围，实现物体表面一定区域内多个位置微振动远程实时探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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(XD(Charge CoupledDevice,电荷稱合器件)、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:(I)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10Hz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I米以上的远距离振动探测。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。光源用于为本专利技术微振动实时面探测装置提供光信息。分光单元一方面用于接收从光源出射的激光，分光单元另一方面将接收到的激光分为两束线偏振光，并分别输入两个空间滤波器。偏振分光棱镜置于半波片A和半波片B之间，半波片C置于偏振分光棱镜的反射光位置。其中，所述的半波片A用于将光源发射的激光进行偏振方向的调整和偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续可调，而半波片B用于调整偏振分光棱镜的透射光的偏振方向；采用半波片C可以调整偏振分光棱镜的反射光的偏振方向；通过旋转半波片B、半波片C使得线偏透射光、反射光的偏振态改变，使两路线偏光的偏振态同为45度，并实现两束线偏光相干叠加，得到包含振动信息的数字全息图。同时通过分别调节连续可调衰减器A和连续可调衰减器B可以调节两束线偏振光的总光强及光强比，进而通过控制参考光和散射光的光强比，提高参物光干涉图像的信噪比。图像采集单元采用高速CMOS相机，可以连续高速的记录数字全息图，提高可探测的物体表面振动频率范围。成像镜头为与高速CMOS相机接口匹配的变焦成像镜头，可根据被测物体所处位置调整焦距，也可根据需要更换镜头，得到与物体振动表面被测区域内各点成一一对应关系的清晰图像，该图像与参考光干涉后所得的全息干涉图像也与物体振动表面被测区域内各点成一一对应关系，以此种图像简化振动解调算法。另外，使用成像镜头还可增加系统散射光收集能力，提高系统的探测距离。本专利技术的优点在于:(I)本专利技术的分光单元可以同时输出两束线偏振光，并精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比；(2)本专利技术通过改变线偏振参考光的偏振方向，和包含有物体振动信息的散射光发生干涉，可以在较大照明光照射物体的角度范围内(-15°?+15° )，记录包含物体表面一定区域内多个位置振动信息的数字全息图，不需寻找照明光照射物体表面形成的主反射光，便于操作使用；(3)米用线偏振参考光4a和具有物体振动信息的线偏振散射光14a在消偏振分光棱镜上进行合光，利用高速CMOS相机以数字全息记录的方法连续高速实时地获取包含待探测物体表面振动信息的数字全息图，进而探测出物体表面相机拍摄区域内多个位置的振动情况，实现微振动面探测；(4)本专利技术系统可对较远距离(超过I米)的物体表面振动情况进行实时面探测。(5)本专利技术系统结构紧凑，操作方便，尤其适用于对照射角度有特殊要求的物体面微振动探测。(6)本专利技术系统直接对物体成像，没用衍射成像过程，不需要使用复杂的全息衍射再现，仅需对全息图进行两次傅里叶变换并与参考全息图对比即可高速解算振动信息，最高可实现5000Hz振动信息实时解算。(7)本专利技术系统包含可视化操作程序，可实现滤波参数的手动调节，振动信息的自动获取、人工干预获取和振动信息的实时显示。【附图说明】图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术分光单元的结构示意图。1.光源 Ia.激光Ib.透射光Ic.反射光2.分光单元 201.半波片A202.偏振分光棱镜203.半波片B204.连续可调衰减器A 205.半波片C206.连续可调衰减器B 21.线偏振光A22.线偏振光B 301.空间滤波器A302.平本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于像面数字全息的微振动远程实时面探测系统，其特征在于，包括光源(1)、分光单元(2)、空间滤波器A(301)、空间滤波器B(303)、平凸透镜A(302)、平凸透镜B(304)、反射镜A(4)、反射镜B(8)、消偏振分光棱镜(5)、成像镜头(6)和图像采集单元(7)；分光单元(2)包括半波片A(201)、偏振分光棱镜(202)、半波片B(203)、连续可调衰减器A(204)、半波片C(205)和连续可调衰减器B(206)；偏振分光棱镜(202)置于半波片A(201)和半波片B(203)之间，半波片C(205)置于偏振分光棱镜(202)的反射光位置，连续可调衰减器A(204)位于半波片A(201)之后，连续可调衰减器B(206)位于半波片B(203)之后；光源(1)出射的激光(1a)穿过分光单元(2)的半波片A(201)，入射至偏振分光棱镜(202)上，通过偏振分光棱镜(202)得到透射光(1b)和反射光(1c)，透射光(1b)依次通过半波片B(203)、连续可调衰减器A(204)后，得到线偏振光A(21)，反射光(1c)通过半波片C(205)、连续可调衰减器B(206)后，得到线偏振光B(22)；线偏振光A(21)顺次经空间滤波器A(301)、平凸透镜A(302)后，经反射镜A(4)反射输出参考光(4a)入射至消偏振分光棱镜(5)；线偏振光B(22)顺次经空间滤波器B(303)、平凸透镜B(304)后，经反射镜B(7)反射输出照明光(7a)，照明光(8a)照射到待探测物体表面(14)上；在照明光(7a)的照射下，待探测物体表面(14)反射具有物体表面振动信息的散射光(14a)入射至消偏振分光棱镜(5)；消偏振分光棱镜(5)对入射的参考光(4a)、具有物体表面振动信息的散射光(14a)进行合光处理得到合并光束(5a)，该合并光束(5a)经成像镜头(6)形成的与物体振动表面各点成一一对应关系的干涉全息图像被图像采集单元(7)的光敏面捕获；通过旋转半波片B(203)和半波片C(205)使得线偏透射光(1b)和线偏振光B(22)的偏振态都改变至45度，实现相同同偏振方向的两束线偏光相干叠加，得到包含物体表面 振动信息的数字全息图，同时通过调整连续可调衰减器A(204)和连续可调衰减器B(206)对线偏振光A(21)和线偏振光B(22)的总光强及光强比进行调节，使得总光强不超过图像采集单元的探测范围，且该光强比为3:7～1:1。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖文，丛琳，潘锋，陈宗晖，张兆海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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