因为它,物体再细微的形变相机都能全场测量

封面文章| 《光学学报》第18期封面故事:吴敏杨;马银行;程昊;杨福俊; 基于彩色相机的双波长剪切散斑干涉法同步测量面内外位移导数[J]. 光学学报, 2020, 40(18): 1812002.

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1、背景

激光照射漫射物体表面时,在物面及其附近空间将形成随机分布的明暗斑点图案。散斑最初是作为全息图的噪声来研究但却无法彻底消除,由于散斑图案与物体粗糙表面有关,因此,从上个世纪七十年代起国外学者将散斑作为物面变形的信息载体建立起散斑干涉技术,并逐步发展成为现在普遍使用的电子散斑干涉技术。


图1 (a)激光散斑形成原理示意图; (b)激光照明时漫射物体表面的图像(散斑图)

实际工程结构变形测量时,人们更关注的是变形梯度,且希望能够对不同方向的变形梯度进行同步、快速且结果可视的全场测量。

2、双波长剪切散斑干涉法

东南大学杨福俊教授课题组提出基于3芯片彩色相机的双波长剪切散斑干涉法,该方法仅用一台相机和一个剪切装置,且在测试前无需任何校准就可以同步得到与面内及离面变形位移导数相关信息。

实验测量装置如图2所示,由蓝色和绿色两种不同颜色的激光以相同的入射角 对称地同时照在物体表面,虽然两束激光相互重叠,但由于光源以及波长不同,不满足干涉条件,因此不会在物体表面发生干涉。经物体表面漫反射的光经过改进的迈克尔逊干涉仪后投射到一个拥有红、绿、蓝三通道的3CCD彩色相机中。

由于迈克尔逊干涉系统中的反射镜面2从初始位置偏转一个非常小的角度?,因此经反射镜1和2反射的激光束在CCD相机的像面上形成双色剪切散斑图干涉图像。


图2 双波长剪切干涉测量装置原理图

图2中通过安在平面镜1上的压电陶瓷驱动平面镜1可使两种颜色的光束同时产生相移。将记录的剪切散斑干涉图按颜色通道分离出红,绿和蓝三色分量,由于3芯片彩色相机记录的彩色图像中红色、绿色、蓝色三通道不存在颜色的串扰问题,因此,可将Carré相移技术分别应用于分离出的绿色和蓝色通道的图像并从条纹图解调出对应颜色通道的条纹包裹相位图。

分别对两个包裹相位图进行滤波消除散斑噪声后再进行相位解包裹,再对两幅相位图分别进行算术和与差运算就可得到与纯面内和纯离面位移导数有关的相位图。


图3 实验装置和结果对比图. (a)悬臂吕梁示意图; (b) 实测面内位移导数; (c)实测离面位移导数; (d)dw/dx的实验与理论解的比较.

课题组通过对图3(a)所示双向弯曲的悬臂铝梁待测表面的面内及离面变形导数进行了测量。图3(b)为测量区域的实测面内应变场,图3(c)则为同步测得的测量区域的弯曲变形(挠度的)导数的二维云图。根据试样几何及物理参数,并利用材料力学悬臂梁弯曲变形理论计算公式,得到了整个梁弯曲挠度的斜率分布如图3(d)中红色圆-划线所示,而图3(d)中黑色方块-划线则是测试区域的实验测量结果;可见测量区域的实验结果与理论值吻合得很好。

目前,已在理论上提高了斜入射下双波段双层衍射光学元件衍射效率,能够为实际应用提供理论依据和指导方法。后续工作将从实际加工、衍射效率的测试和折衍混合光学系统光学传递函数的测试入手,验证理论研究的正确性。

3、后续工作

目在后续的工作中,课题组将对已有的测量系统进一步集成与优化,并且将双波长激光拓展为三波长激光,分别对三个不同方向的位移导数进行同步的全场测量,同时进一步结合载波法和傅立叶变换技术建立三维变形的实时同步测量系统。

 

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