一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法，包括相干光源，相干光源的光束通过扩束镜射向待测物表面，与待测物在同一轴线上依次排列有待测物、透镜一、光圈、透镜二、沃拉斯顿棱镜、偏振片、成像透镜、相机。本发明专利技术还公开了一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像方法。本发明专利技术采用上述一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法，成像系统中剪切量和空间载频的控制被分配到了成像系统的不同部分，可调近零剪切量提供了足够小的剪切力，以确保复杂面形或变形是能够解决的；当配置所需的接近零的剪切量时，空间载波的单独控制进一步保证了良好分布的空间频谱。布的空间频谱。布的空间频谱。

【技术实现步骤摘要】
一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法


[0001]本专利技术涉及光学干涉测量
，尤其是涉及一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法。

技术介绍

[0002]剪切干涉技术，是以激光为测量工具，激光经扩束后照射在物体表面，反射光/漫反射光经过系统后由探测器收集，由剪切单元对收集到的物光进行剪切，形成两束具有横向位移的相同物光，进而在探测器上形成剪切干涉图样，经过算法处理后可以获取到剪切干涉的相位图，该相位图表征了待测表面的相位分布。其中，对于光学光滑表面，该相位图表征了其几何形貌，用于测量其面形几何误差；对于光学粗糙表面，通过对变形前后所获取的两张相位图相减，可获得该表面由相关变形引起的位移梯度。该技术是一种无损检测技术，常用于航空航天、机械制造、光学加工等领域的检测。
[0003]在剪切干涉测量技术中，“剪切量”定义为两束横向剪切图像之间的位移，是剪切干涉成像系统的特征参数之一，并在一定程度上决定剪切测量系统的性能。在具有复杂面形分布的光学光滑表面、具有复杂变形分布的光学粗糙表面，以及具有高变化率的无损检测中，要求并优选足够小的剪切量(近零剪切量)。一方面，在剪切量范围内面形起伏或变形分布只能存在一个极值点，这要求剪切量足够小。另一方面，近零剪切量减缓了两束剪切物光之间的去相关过程，提供了大的动态范围，特别是在具有高变化率的应用中。
[0004]同时，采用时间或空间方式的相移是实现定量剪切干涉成像系统的不可或缺的技术。对于近年来的测量，大量的测量要求相当高的时间分辨率，因此空间载频法被优选，因为空间载频发可以仅通过一张剪切干涉图来检索相位图。
[0005]与基于Michelson和Mach
‑
Zehnder配置的剪切干涉系统相比，共线共路系统有利于系统的搭建，并进一步增强了系统的鲁棒性和稳定性。共线共路系统中的所有光学器件都同时同心共线的，并且两束互相间切的物光沿着相同的光路传播，抵消了光路中的干扰和噪声。然而，在现有的共线共路系统中，剪切量与空间载频缠结在一起，无法实现独立控制。在实践中，小的剪切量带来高精度和大的测量范围。此外，为了进行有效的测量，要求在剪切量内只有一个变形或面形分布的极值点，这要求剪切量足够小。然而，共线共路的剪切成像系统虽然具有独特的共线特性，但通常难以实现可调的任意的小剪切量和载频的独立控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统，包括相干光源，相干光源的光束通过扩束镜射向待测物表面，与待测物在同一轴线上依次排列有待测物、透镜一、光圈、透镜二、沃拉斯顿棱镜、偏振片、成像透镜、相机。
[0008]本专利技术还提供了一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，调整成像系统，以获得期望的剪切量和期望的空间频谱分布；
[0010]步骤二，相干光源照射待测物表面，成像系统收集待测物表面返回的光，相机上成像；
[0011]步骤三，相机采集剪切干涉图并进行傅里叶变换；
[0012]步骤四，引入空间载频，在经过傅里叶变换后的空间频谱中选择分量并对分量进行逆傅里叶变换，得到复振幅；
[0013]步骤五，求取复振幅的相角，对获得的相角移除载频，获得相位分布，获得所测表面的表面起伏高度梯度；
[0014]步骤六，对于表面位移梯度测量，在变形前后分别进行步骤一至步骤五，获得前后两次的表面高度梯度并做差。
[0015]优选的，步骤一中，调整成像系统，控制沃拉斯顿棱镜与中间实像面的距离，以获得期望的剪切量；调整成像系统的像距，以获得期望的空间频谱分布。
[0016]优选的，步骤二中，相干光源出射光经扩束镜扩束后以一定角度照明待测物表面，待测物表面返回的光由成像系统收集，成像于中间实像面，再经过沃拉斯顿棱镜分束产生错位的两束为物光，经成像透镜对中间实像面成像，所成的像位于相机感光面上，两束剪切的物光波前为
[0017]u1(x,y)＝|u1(x,y)exp{i[φ(x,y)]}
[0018]u2(x,y)＝|u1(x+δ
x
,y)exp{i[φ(x+δ
x
,y)+2πf0x]}
[0019]其中，(x,y)描述了相机感光面坐标，φ为来自待测物表面的相位，δ
x
为所施加的剪切量，f0为所引入的空间载频。
[0020]优选的，步骤三中，相机采集剪切干涉图，其强度记为
[0021][0022]其中，星号表示取复共轭操作；
[0023]对相机所采集到的剪切干涉图进行傅里叶变换，记为
[0024][0025]其中代表傅里叶变换操作，DC代表背景光强的低频频谱，大写字母U代表步骤二的公式中各复振幅的傅里叶变换。
[0026]优选的，步骤四中，通过空间载频的引入，步骤三中公式所展示的空间频谱图中的三组成分分立于空间频谱的不同位置，在频谱中选择分量；对选取的分量进行逆傅里叶变换，得到复振幅记为
[0027][0028]其中代表傅里叶逆变换操作。
[0029]优选的，步骤五中，对所获得的复振幅求取其相角，记为
[0030][0031]其中Im为取虚部操作，Re为取实部操作；
[0032]对所获得相角移除载频，获得相位分布φ(x,y)，按下式计算获得所测表面的表面起伏高度梯度，记为
[0033][0034]其中θ为入射光与待测物表面法线之间的夹角。
[0035]因此，本专利技术采用上述一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统和方法，具有以下有益效果：
[0036]1、本专利技术采用共线共路系统提供了一种方便的系统安装方式，并且由于其优异的抗噪声能力，具有在工业环境中操作的潜力；
[0037]2、本专利技术所提出的剪切干涉成像系统特别适用于对复杂表面分布或具有复杂变形的测量，可调近零剪切量提供了足够小的剪切力，以确保复杂面形或变形是能够解决的。
[0038]3、本专利技术的成像系统中剪切量和空间载频的控制被分配到了成像系统的不同部分，当配置所需的接近零的剪切量时，空间载波的单独控制进一步保证了良好分布的空间频谱。
[0039]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0040]图1为本专利技术成像系统的结构示意图；
[0041]图2为本专利技术成像方法步骤流程图；
[0042]图3为本专利技术实施例成像系统结构示意图。
[0043]附图标记
[0044]1、相干光源；2、扩束镜；3、待测物；4、透镜一；5、光圈；6、透镜二；7、沃拉斯顿棱镜；8、偏振片；9、成像透镜；10、相机。
具体实施方式
[0045]以下通过附图和实施例对本专利技术的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像系统，其特征在于：包括相干光源，相干光源的光束通过扩束镜射向待测物表面，与待测物在同一轴线上依次排列有待测物、透镜一、光圈、透镜二、沃拉斯顿棱镜、偏振片、成像透镜、相机。2.根据权利要求1所述的一种剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，调整成像系统，以获得期望的剪切量和期望的空间频谱分布；步骤二，相干光源照射待测物表面，成像系统收集待测物表面返回的光，相机上成像；步骤三，相机采集剪切干涉图并进行傅里叶变换；步骤四，引入空间载频，在经过傅里叶变换后的空间频谱中选择分量并对分量进行逆傅里叶变换，得到复振幅；步骤五，求取复振幅的相角，对获得的相角移除载频，获得相位分布，获得所测表面的表面起伏高度梯度；步骤六，对于表面位移梯度测量，在变形前后分别进行步骤一至步骤五，获得前后两次的表面高度梯度并做差。3.根据权利要求2所述的剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像方法，其特征在于：步骤一中，调整成像系统，控制沃拉斯顿棱镜与中间实像面的距离，以获得期望的剪切量；调整成像系统的像距，以获得期望的空间频谱分布。4.根据权利要求3所述的剪切和载频独立可调的共路剪切干涉成像方法，其特征在于：步骤二中，相干光源出射光经扩束镜扩束后以一定角度照明待测物表面，待测物表面返回的光由成像系统收集，成像于中间实像面，再经过沃拉斯顿棱镜分束产生错位的两束为物光，经成像透镜对中间实像面成像，所成的像...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪盛佳，熊文泽，高帅，耿涛，孙伟民，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：