本发明专利技术提供了一种散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质，属于光学精密测量技术领域。本发明专利技术装置主要由激光器、扩束准直单元、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、平面镜和相机组成，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高速同步测量。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、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。人等高精密测量的场合具有广泛的应用前景。人等高精密测量的场合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]本专利技术涉及光学测量的
，具体地，涉及散射光场全息三维位移测量装置、方法及介质。
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矢量位移的测量。若想实现同步三维矢量位移同步测量，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]在公开号为CN109974591A的专利文献中公开了一种颗粒微小位移测量装置及测量细微颗粒产生位移的方法，激光器发射出的激光通过中间有小孔的第一反射镜，再透过斜槽表面聚焦在颗粒物质上，被激光束照射的样品颗粒产生的散射光入射分束器后，一分为二产生两束激光，一束光被光学分束器反射后入射到上方的第二反射镜后反射回分束器，之后透射过分束器由透镜聚焦被CCD相机接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的第三反射镜，之后反射回分束器后再次被反射，经过透镜聚焦到CCD相机上。CCD相机通过图像卡记录产生的激光散斑图，并传送到计算机进行相关数值计算处理。
[0006]全息方法可以获得物体表面的复波前信息，但是使用全息装置最大的问题就在于只能获取物体一个维度的位移量。对于物体三维位移的变化，那么就必须使用3套全息装置。
[0007]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矢量位移是一个亟待解决的问题。需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。
技术实现思路
[0008]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测量装置、方法及介质。
[0009]根据本专利技术提供的一种散射光场全息三维位移测量装置，包括激光器、扩束准直单元、第一分光镜、平面镜、第二分光镜、第三分光镜和相机；
[0010]扩束准直单元正对激光器的出射口，第一分光镜正对扩束准直单元的激光输出，平面镜位于第一分光镜的反射光路上，第二分光镜位于第一分光镜的透射光路上，第三分光镜位于第二分光镜的反射光路与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，待测物体将照射在其表面的光反射后由第二分光镜反射，相机位于第三分光镜的合束光路上。
[0011]优选地，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。
[0012]优选地，所述第二分光镜和第三分光镜之间设置有第一成像透镜，在平面镜和第三分光镜之间设置有第二成像透镜。
[0013]优选地，所述平面镜和第三分光镜之间设置有相移装置。
[0014]优选地，所述第一分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、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，第一半波片设置于扩束准直单元和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜之间。
[0015]本专利技术还提供一种散射光场全息三维位移测量装置的测量方法，所述方法应用上述中的散射光场全息三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：
[0016]步骤S1：激光器发出的光经扩束单元扩束后由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的光经第二分光镜反射形成测量光束；经第一分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光；测量光束和参考光由第三分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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矢量位移。
[0020]优选地，所述步骤S3包括如下步骤：
[0021]步骤S3.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；
[0022]步骤S3.2：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；
[0023]步骤S3.3：在位移后的强度图上任意划定一个以坐标点Pi为中心的尺寸为(2M+1)
×
(2M+1)的区域R2；
[0024]步骤S3.4：计算区域R1和R2的相似度；
[0025]步骤S3.5：变化步骤S3.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S3.3～S3.4，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；
[0026]步骤S3.6：计算区域R2的中心坐标P2；
[0027]步骤S3.7：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；
[0028]步骤S3.8：重复执行步骤S3.1～步骤S3.7，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。
[0029]优选地，调整平面镜的倾斜角度，反射的参考光与测量光之间形成夹角，通过傅里叶变换法从全息图中提取散射光场。
[0030]优选地，在光束由第一分光镜反射并入射到第三分光镜之前的光路中加入相移装置，对参考光进行移相，通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。
[0031]本专利技术还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束准直单元(2)、第一分光镜(3)、平面镜(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)和相机(8)；扩束准直单元(2)正对激光器的出射口，第一分光镜(3)正对扩束准直单元的激光输出，平面镜(4)位于第一分光镜(3)的反射光路上，第二分光镜(5)位于第一分光镜(3)的透射光路上，第三分光镜(7)位于第二分光镜(5)的反射光路与平面镜(4)的反射光路的交叉位置处，待测物体(6)位于第二分光镜(5)的透射光路上，待测物体(6)将照射在其表面的光反射后由第二分光镜(5)反射，相机(8)位于第三分光镜(7)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测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。3.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)和第三分光镜(7)之间设置有第一成像透镜，在平面镜(4)和第三分光镜(7)之间设置有第二成像透镜。4.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述平面镜(4)和第三分光镜(7)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测量装置，其特征在于，所述第一分光镜(3)由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、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，第一半波片设置于扩束准直单元(2)和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜(4)之间。6.一种散射光场全息三维位移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
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5任一项所述的散射光场全息三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：步骤S1：激光器发出的光经扩束单元扩束后由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的光经第二分光镜反射形成测量光束；经第一分光镜反射的光束由平面镜反射形成参考光；测量光束和参考光由第三分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；步骤S2：由相机分别记录待测物体位移前后的全息图，利...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫浩，陈梁友，杨佳苗，马伯乐，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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