本发明专利技术为一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置、方法及介质，由激光器、第一分光镜、会聚透镜、针孔、第一平面镜、第二平面镜、第二分光镜和相机组成，通过结合散射光场的全息测量和数字图像相关等技术，实现高散射物体三维矢量位移的动态测量。本发明专利技术测量装置结构节凑，适合集成化，简单和实用。本发明专利技术融合了数字图像相关技术和散射光场的全息测量技术，具有非接触性、测量精度高、测量速度快、测量范围大、三维矢量位移同步测量、装置紧凑等优点，在航空航天、微型医疗机器人等高精密测量的场合具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质
[0001]本专利技术属于光学测量
，具体地，涉及散射光场全息三维位移紧凑型测量装置、方法及介质，尤其涉及一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置及方法。
技术介绍
[0002]随着机械制造、半导体工业等行业精密加工技术的迅猛发展，相应的对于各类超精密器件或光学元件的工艺要求日益增加。对于许多要求各部件精准配合的场合，如航空航天、微型医疗机器人等，如何获得精密元件的位移或形变是一个非常关键的问题。
[0003]在现有的测量方法中，传统的接触式位移测量方法测量速度慢，而且会引入人为的受力干扰，也可能会因接触力而对物体表面造成磨损，因此不太适合精密元件的测量。在非接触测量方法中，数字全息技术具有无接触式测量、全场测量纳米级的高精度等优点，是一种十分理想的高精度位移检测手段。但是数字全息技术一般用于镜面表面物体的测量，对于散射表面的物体失效。同时，单一的数字全息装置并不适用于三维位移的测量。若想实现同步三维位移测量，往往需要三套数字全息装置，每一套负责一个维度形变的测量。然而，三套数字全息装置的安装较为复杂。同时信息的利用效率不高，只利用了相位图，而三个装置的强度图被全部丢弃。
[0004]此外，在现有光学测量方法中，数字图像相关方法因具有安装简单、测量指标和信息量丰富、可测材料类型众多、适合各个尺度和多种条件下的测量、精度高等综合优势而被广泛研究与应用。在实验力学领域，二维数字图像相关是一种广泛使用的方法，用于定量测量平面物体面内x与y方向的位移。它通过分析变形前后被测物表面的数字图像获得物体感兴趣区域的图像平面内位移和应变信息，并达到亚像素精度。但是，二维数字图像相关仅限于面内x与y方向位移的测量，无法获得光轴z方向的位移。
[0005]因此，如何通过一个简单的装置快速简便的获得物体的三维位移是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置、方法及介质。
[0007]本专利技术是基于散射光场测量技术，并结合二维数字图像相关技术，动态同步地测量物体的三维位移。本专利技术可应用到镜面或者粗糙表面物体的位移测量中，实现物体三维位移或形变的同步测量。
[0008]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，包括激光器、第一分光镜、会聚透镜、针孔、第一平面镜、第二平面镜、第二分光镜和相机；第一分光镜正对激光器的激光发射口，会聚透镜、针孔和第一平面镜依次排成一排并位于第一分光镜的反射光路上，第二平面镜位于第一平面镜的反射光路上，第二分光镜位于第一分光镜的透射光路与第二平面镜的
反射光路的交叉位置处，待测物体位于第二分光镜的透射光路上，相机位于第二分光镜的合束光路上。
[0009]上述测量装置的测量原理为：激光器发出的光入射到第一分光镜后分成两路，其中一路透射光束经过第二分光镜后照射到待测物体表面，然后待测物体表面反射的光经第二分光镜反射后垂直照射在相机的感光面，形成测量光束；另一路反射光束经会聚透镜、针孔、第一平面镜和第二平面镜后再透射过第二分光镜照射到相机的成像平面，形成参考光束；参考光束和测量光束干涉后形成的干涉图由相机记录下来。
[0010]进一步的，在第一分光镜和会聚透镜之间设置有中性衰减片，用来控制参考光束的光强。
[0011]进一步的，在第二分光镜和待测物体之间设置有成像透镜，用于放大第二分光镜到待测物体之间的物光光斑，同时用于将待测物体反射回来的物光进行聚焦成像。
[0012]进一步的，在第二平面镜和第二分光镜之间设置有相移装置，对参考光束进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。
[0013]进一步的，第一分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元由偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于激光器和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和会聚透镜之间；第一半波片、第二半波片和偏振分光镜组成偏振控制结构，通过旋转第一半波片控制测量光束和参考光束的光强比。
[0014]散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，包括如下步骤：步骤S1：激光器发出的光经第一分光镜分成两路：经第一分光镜透射的光束透过第二分光镜后照射到待测物体表面，由待测物体表面反射形成测量光束；经第一分光镜反射的光束经会聚透镜和针孔滤波后由第一平面镜和第二平面镜反射形成参考光束；测量光束和参考光束由第二分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；上述过程中，由待测物体表面反射形成测量光束具体是：由待测物体表面反射的光被第二分光镜反射，然后照射在相机表面，这一路即为物光测量光路；会聚透镜和针孔组成了空间滤波单元，其能够将经第一分光镜反射的光束进行滤波，再由第一平面镜和第二平面镜依次反射，最后透过第二分光镜形成参考光束并照射在相机的感光面上。
[0015]步骤S2：由相机分别记录待测物体位移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物体位移前后其表面反射光场的强度图和相位图；上述过程中，先对待测物体施加位移，由相机记录下待测物体位移前后的全息图，对所记录的全息图进行重建，进而得到物体位移前后的散射光场的复振幅，从复振幅中提取待测物体位移前后的强度图和相位图。
[0016]步骤S3：将待测物体位移前后其表面反射光场的相位图相减得到相位差，进而计算出待测物体沿光轴方向z向的位移；对待测物体位移前后其表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体在垂直光轴方向x向和y向的位移；上述过程中，对强度图进行处理时采用二维数字图像相关技术进行处理。
[0017]步骤S4：结合待测物体的沿光轴方向z向的位移与垂直光轴方向x向和y向的位移，得到待测物体的三维位移。
[0018]进一步的，步骤S4中，对待测物体位移前后其表面反射光场的强度图进行处理的
具体步骤为：步骤S4.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；步骤S4.2：以选取的待测坐标点P1为中心，划定一个尺寸为(2M+1)
×
(2M+1)像素大小的区域R1，其中M为正整数，由感兴趣的子区域的大小决定；步骤S4.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点P
i
为中心的尺寸为(2M+1)
×
(2M+1)的区域R2；步骤S4.4：计算区域R1和R2的相似度；步骤S4.5：变化步骤S4.4：中坐标点P
i
的坐标值，重复步骤(c)～(d)，直到i遍历位移后强度图中的所有像素，找出与区域R1相似度最高的区域R2；步骤S4.6：计算区域R2的中心坐标P2；步骤S4.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂直光轴方向x向与y方向的位移；步骤S4.8：重复执行步骤S4.1：～步骤S4.7：，直到遍历整个位移前的强度图中的所有像素点，即获得所有像素点对应的垂直光轴方向x向和y向的位移。
[0019]进一步的，调整第一平面镜和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，其特征在于：包括激光器（1）、第一分光镜（2）、会聚透镜（4）、针孔（5）、第一平面镜（6）、第二平面镜（7）、第二分光镜（8）和相机（11）；第一分光镜（2）正对激光器（1）的激光发射口，会聚透镜(4)、针孔(5)和第一平面镜（6）依次排成一排并位于第一分光镜（2）的反射光路上，第二平面镜（7）位于第一平面镜（6）的反射光路上，第二分光镜（8）位于第一分光镜（2）的透射光路与第二平面镜（7）的反射光路的交叉位置处，待测物体（10）位于第二分光镜（8）的透射光路上，相机（11）位于第二分光镜（8）的合束光路上。2.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，其特征在于：在第一分光镜（2）和会聚透镜（4）之间设置有中性衰减片。3.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，其特征在于：在第二分光镜（8）和待测物体（10）之间设置有成像透镜。4.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，其特征在于：在第二平面镜（7）和第二分光镜（8）之间设置有相移装置。5.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移紧凑型测量装置，其特征在于：第一分光镜（2）由偏振分光单元替代，偏振分光单元由偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于激光器（1）和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和会聚透镜（4）之间。6.如权利要求1所述的散射光场全息三维位移紧凑型测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1
‑
5任一项所述的散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，所述方法包括如下步骤：步骤S1：激光器（1）发出的光经第一分光镜（2）分成两路：经第一分光镜（2）透射的光束透过第二分光镜（8）后照射到待测物体（10）表面，由待测物体（10）表面反射形成测量光束；经第一分光镜（2）反射的光束经会聚透镜（4）和针孔（5）滤波后由第一平面镜（6）和第二平面镜（7）反射形成参考光束；测量光束和参考光束由第二分光镜（8）合束后干涉，并在相机（11）的感光面上形成全息图；步骤S2：由相机（11）分别记录待测物体（10）位移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物体（10）位移前后其表面反射光场的强度图和相位图；步...
【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClG零三H一零零，
申请(专利权)人：绍兴钜光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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