本发明专利技术提供了一种散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质，本发明专利技术装置主要由第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、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动态测量。本发明专利技术测量装置采用双波长，实现光路复用，比现有的基于散射光场的三维位移与位移测量技术更简单和实用，且位移测量范围相比于单波长而言更大。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。的应用前景。的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质
[0001]本专利技术涉及光学测量的
，具体地，涉及散射光场全息范围三维位移测量装置、方法及介质，尤其涉及一种散射光场全息大范围三维位移测量装置及方法。
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。同时，单波长全息的测量范围有限，通常在百纳米级，单波长全息方法对于测量范围要求更高的场合失效。
[0004]在公开号为CN110608678A的专利文献中公开了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M
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Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。
[0005]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。
[0006]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
[0007]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范围三维位移测量装置、方法及介质。
[0008]根据本专利技术提供的一种散射光场全息范围三维位移测量装置，包括第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、平面镜、第三分光镜、第四分光镜和相机；
[0009]第一分光镜正对第一激光器和第二激光器的激光发射口，将两束激光进行合束，扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、待测物体依次排成一排位于第一分光镜的合束光路上，待测物体将照射在其表面的光反射后由第三分光镜反射，平面镜位于第二分光镜的反射光路上，第四分光镜位于第三分光镜和平面镜的反射光路的交叉位置处，相机位于第四分光镜的合束光路上。
[0010]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。
[0011]优选地，所述第三分光镜和第四分光镜之间设置有第一成像透镜，所述平面镜和第四分光镜之间设置有第二成像透镜。
[0012]优选地，所述在平面镜和第四分光镜之间设置有相移装置。
[0013]优选地，所述第二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，偏振分光镜位于第二分光镜的位置处，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。
[0014]本专利技术还提供一种散射光场全息范围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范围三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：
[0015]步骤S1：第一激光器和第二激光器发出的光经第一分光镜合束后入射到扩束准直单元后由第二分光镜分成两路：经第二分光镜透射的光束透过第三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三分光镜反射形成测量光束；经第二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四分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；
[0016]步骤S2：在待测物体位移发生变化前，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H1和H2，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移前其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移前的形貌，使用全息图H1或者全息图H2从中解算出待测物体位移前其表面反射光场的强度图；
[0017]步骤S3：在待测物体位移发生变化后，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H3和H4，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移后其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移后的形貌；使用同步骤S2中相同波长激光器照射得到的全息图H3或者H4，解算出待测物体8位移后其表面反射光场的强度图；
[0018]步骤S4：将待测物体位移前后的形貌相减得到沿光轴方向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S5：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S2包括如下步骤：
[0021]步骤S2.1：在位移前的强度图上选取待测坐标点P1；
[0022]步骤S2.2：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S2.3：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S2.4：计算区域R1和R2的相似度；
[0025]步骤S2.5：变化步骤S2.3中坐标点Pi的坐标值，重复步骤S2.3
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步骤S2.4，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S2.6：计算区域R2的中心坐标P2；
[0027]步骤S2.7：将P2与P1的坐标相减，得到P1点的垂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一分光镜(3)、扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、平面镜(6)、第三分光镜(7)、第四分光镜(9)和相机(10)；第一分光镜(3)正对第一激光器(1)和第二激光器(2)的激光发射口，将两束激光进行合束，扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)、待测物体(8)依次排成一排位于第一分光镜(3)的合束光路上，待测物体(8)将照射在其表面的光反射后由第三分光镜(7)反射，平面镜(6)位于第二分光镜(5)的反射光路上，第四分光镜(9)位于第三分光镜(7)和平面镜(6)的反射光路的交叉位置处，相机(10)位于第四分光镜的合束光路上。2.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元(4)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范围三维位移测量装置，其特征在于，所述第三分光镜(7)和第四分光镜(9)之间设置有第一成像透镜，所述平面镜(6)和第四分光镜(9)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范围三维位移测量装置，其特征在于，所述在平面镜(6)和第四分光镜(9)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范围三维位移测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)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，偏振分光镜位于第二分光镜(5)的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元(4)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(6)之间。6.一种散射光场全息范围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范围三维位移测量装置，所述方法包括如下步骤：步骤S1：第一激光器和第二激光器发出的光经第一分光镜合束后入射到扩束准直单元后由第二分光镜分成两路：经第二分光镜透射的光束透过第三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三分光镜反射形成测量光束；经第二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四分光镜合束后干涉，并在相机的感光面上形成全息图；步骤S2：在待测物体位移发生变化前，用第一激光器和第二激光器分别照射待测物体，由相机记录，得到两幅全息图H1和H2，利用记录的两幅全息图进行光场重建，得到待测物体位移前其表面反射光场的两幅单波长相位图，根据双波长相位合成公式对这两幅单波长相位图解算出待测物体位移前的形貌，使用全息图...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫浩，马伯乐，杨佳苗，陈梁友，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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