基于相移和顏色分光的電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量方法

孫流星,于瀛潔

(1.上海大學(xué) 精密機械工程系,上?！?00072;

2.上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司,上?！?01199)

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基于相移和顏色分光的電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量方法

孫流星1,2,于瀛潔1

(1.上海大學(xué) 精密機械工程系,上海200072;

2.上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司,上海201199)

摘要：提出了一種基于相移和顏色分光的電子散斑干涉(ESPI)瞬態(tài)三維變形測量方法,該方法包括一個彩色CCD和紅綠藍三種不同波長的激光器,可同時采集來自三路的散斑干涉圖像。物體面內(nèi)水平方向、豎直方向以及離面方向的散斑干涉圖像信息通過顏色分光實現(xiàn)分離,并利用相移算法對散斑干涉條紋圖進行分析處理,分別解調(diào)出水平、豎直及離面方向的變形場相位,實現(xiàn)三維變形場的測量。模擬及實驗分析表明,此方法能同時實現(xiàn)物體面內(nèi)水平方向、豎直方向以及離面方向的變形測量,可用于物體表面的三維瞬態(tài)變形測量,也可單獨完成面內(nèi)或離面的二維變形測量。

關(guān)鍵詞：電子散斑干涉; 顏色分光; 相移算法; 三維變形測量

引言

在電子散斑干涉(ESPI)技術(shù)中[1-2],相移算法是最主要的相位提取算法。由于相移算法精度高,計算簡便,在絕大多數(shù)的非實時散斑干涉測量系統(tǒng)中普遍采用[3-6]。作為電子散斑干涉技術(shù)的進一步發(fā)展[7-11],三維電子散斑技術(shù)都是分時采集各個分量的電子散斑干涉圖,再通過數(shù)據(jù)處理獲得物體三維變形信息。測量系統(tǒng)的環(huán)境和物體的變形對它的精度有比較大的影響,只能算是偽三維測量。針對已有三維電子散斑技術(shù)的不足,有人提出了基于電子散斑干涉技術(shù)的瞬態(tài)三維變形測量[12-15],但裝置復(fù)雜,操作繁瑣,而且研究較少。在位相求解算法方面,已有的ESPI瞬態(tài)三維變形系統(tǒng)中主要是利用傅里葉變換算法或小波變換算法[16-19]進行相位求解,但精度受限,且需要載波,由于散斑干涉相干長度短,載波的引入會降低測量范圍。本文提出了一種基于相移和顏色分光的電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量方法。該方法由一個彩色CCD和紅綠藍三種波長的激光器組成,能同時采集來自三路的散斑干涉圖像。彩色CCD的三原色與紅綠藍三種波長相對應(yīng),物體面內(nèi)水平、豎直以及離面方向的散斑圖像信息由三原色同時實現(xiàn)分離,在反射鏡后面增加壓電陶瓷(PZT)引入相移,并利用相移算法[20-21]對得到的四幅散斑干涉圖進行相位求解,同時求出物體面內(nèi)水平、豎直以及離面方向的變形場相位,完成三維變形場的檢測。

1測量系統(tǒng)構(gòu)成原理

本文提出的測量系統(tǒng)原理是:物體面內(nèi)水平、豎直以及離面三個方向的光源采用紅綠藍三色激光器,照射物體產(chǎn)生三個方向的電子散斑干涉圖,由一個彩色CCD采集。不同方向的圖像信息通過波長分光原理實現(xiàn)分離,并由相移算法求解變形位相,從而得三個方向的變形量,實現(xiàn)物體的三維變形測量。

利用該方法,設(shè)計了基于相移的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng),原理如圖1所示。

圖1　基于相移的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)原理圖

紅色光源射出的光被分光棱鏡分成兩束,這兩束光在水平方向以成像透鏡的光軸對稱,并符合光程相等的原則,一束光經(jīng)過二個平面反射鏡(其中一個帶PZT可移相)和擴束鏡投向物體,另一束光通過一個平面反射鏡和擴束鏡直接投向物體,可完成面內(nèi)水平方向(X向)的變形測量;綠色光源射出的光經(jīng)過分光棱鏡分成兩束,兩束光在豎直方向以成像透鏡的光軸對稱,并符合光程相等的原則,一束光經(jīng)過二個平面反射鏡(其中一個帶PZT可移相)和擴束鏡投向物體,另一束光經(jīng)一個平面反射鏡和擴束透鏡投向物體,可完成面內(nèi)豎直方向(Y向)的變形測量;藍色光源射出的光經(jīng)過分光棱鏡分成兩束,一束光經(jīng)過分光棱鏡,平面反射鏡和擴束鏡投向物體,另一束光經(jīng)擴束鏡擴束后,通過帶PZT的平面反射鏡和分光棱鏡直接進入CCD,在水平面內(nèi)與成像透鏡的光軸垂直,并符合光程相等的原則,可完成離面方向(Z向)的變形測量。最后通過成像透鏡、分光棱鏡和彩色CCD將以上三組光路信息同時采集,由計算機進行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中的相移通過將PZT相移器粘貼在反射鏡的背面,給予PZT相移器不同的驅(qū)動電壓,產(chǎn)生微動后帶動反射鏡微移動,從而將相移引入到光束中。

本方法要求彩色CCD的RGB光譜特性與激光器的紅綠藍波長取值相匹配,使彩色CCD對三個波長具有最優(yōu)的光電靈敏度,并使各路信號串?dāng)_最小,由一個彩色CCD來實現(xiàn)三維信號的同時采集。本方法通過將面內(nèi)和離面ESPI變形檢測系統(tǒng)組合到一個坐標(biāo)系中,來實現(xiàn)瞬態(tài)三維變形的檢測,并具有單個方向的獨立檢測功能。

2適于電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量的相移算法

本文采用的適于電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量的4+1步相移算法如下。

設(shè)變形前紅、綠、藍三光束在像平面一點P的干涉信號為

(1)

式中:(C)為R、G、B三色;AO(C)、AR(C)為三色物光和參考光的振幅;φO(C)、φR(C)為三色物光和參考光的位相。

光學(xué)系統(tǒng)采用彩色CCD同時接收三路光信號,在彩色CCD成像面上的任一點P采集到的光信號可以被彩色CCD分離出R、G、B三路光信號IP(C),其公式為

(2)

式中:a(C),b(C)和c(C)分別表示由彩色CCD分離出的紅色信號對不同顏色光的靈敏度。以紅色信號為例,aR數(shù)值接近1,bR和cR數(shù)值接近0,對于藍色和綠色信號也是如此。

在4+1步算法中,變形前采集4步相移干涉圖,變形后采集一幅干涉圖。變形前采集的干涉圖信號可表示為

(3)

式中:i=1,2,3,4。

物體變形后采集的干涉信號為

(4)

以分離出的紅色信號為例,變形前后的信號做如下處理

(5)

對式(5)進行低通濾波得

(6)

可求得

(7)

通過式(7)即可得到關(guān)于物體變形的位相信息,從而解得變形量。同理,可以推導(dǎo)出綠光通道和藍光通道的相位。

相位差與變形量之間為線性關(guān)系可由式(8)表示。

(8)

式中:λ1為面內(nèi)水平方向采用的波長;θ為入射光與物體表面法線的夾角;u為面內(nèi)水平方向的變形量;λ2為面內(nèi)垂直方向采用的波長;α為入射光與物體表面法線的夾角;v為面內(nèi)垂直方向的變形量;λ3為離面方向采用的波長;w為離面方向的變形量。

3模擬分析

為了驗證計算算法和測量系統(tǒng)的可行性,假定三個方向的變形量都不相同,物體變形位相由一拋物波面進行模擬,可表示為

(9)

式中:K(C)為R、G、B三色通道的變形權(quán)重,模擬中設(shè)KR=0.005、KG=0.01、KB=0.015。

在模擬分析中,根據(jù)實際系統(tǒng)中CCD分色的顏色串?dāng)_,紅色通道的散斑干涉圖三個原色的系數(shù)設(shè)為:aR= 0.7,bR=0.19和cR=0.11;綠色通道的散斑干涉圖三個原色系數(shù)設(shè)為:aG= 0.19,bG=0.7和cG=0.11;藍色通道散斑干涉圖的三個原色系數(shù)設(shè)為:aB= 0.19,bB=0.11和cB=0.7。

圖2為模擬各通道的四步相移散斑干涉圖,本文算法的計算結(jié)果如圖3所示。紅色通道變形量誤差的PV值為0.038 rad(4%)、RMS值為0.006 rad(3%);綠色通道的變形量誤差PV值為0.058 rad(3%)、RMS值為0.009 rad(2%);藍色通道變形誤差PV值為0.079 rad(3%)、RMS值為0.012 rad(2%)。

4實驗驗證

實驗系統(tǒng)裝置實物照片如圖4所示,它是根據(jù)圖1基于相移的瞬態(tài)3D-EPSI測量系統(tǒng)原理示意圖設(shè)計的。主要器件包括:哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實精密測控有限責(zé)任公司的PZT相移器及PZT電源控制器(型號為HPV-1C0300A0300);大恒生產(chǎn)的帶CCD鏡頭(f=25 mm、F=1∶1.4)的彩色CCD;天津市拓普儀器有限公司的波長為632.8nm,功率為0.5mW的紅光He-Ne激光器;THORLABS的波長為543nm,功率為0.5mW的綠光He-Ne激光器;長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司的波長為457 nm,功率為5 mW的藍光單縱模激光器。由于本實驗室條件的限制,本實驗主要是為了定性驗證本文提出的方案和算法能實現(xiàn)瞬態(tài)三維變形測量。實驗證明采用已有相干長度短的藍色激光器,比較困難得到移相干涉散斑圖,本文采用相干長度長的紅光He-Ne激光器和綠光He-Ne激光器來實現(xiàn)瞬態(tài)二維變形量相位的測量實驗,來驗證本文方法。

圖2　三個通道的四幅相移散斑干涉圖

圖3　各通道的變形量計算結(jié)果

圖4　實驗系統(tǒng)裝置實物照片F(xiàn)ig.4　Photograph of the experimental system

本文以不銹鋼板作為測試樣品(表面噴白色漆),實驗中,給樣本中央后面的頂桿用電吹風(fēng)加熱形式施加力,其微觀變形為凸起。系統(tǒng)通過面內(nèi)水平(X方向)、豎直(Y方向)兩個方向的變形檢測系統(tǒng),通過PZT推動反射鏡引入四步等間隔相移分別采集四幅散斑圖像,采集面內(nèi)X方向和面內(nèi)Y方向的變形前散斑干涉圖,利用色彩分離,得到兩個方向(對應(yīng)兩種顏色)的散斑干涉圖,如圖5(a)、(b)所示。在變形后采集一幅彩色散斑圖像,如圖5(c)所示,利用色彩分離,得到兩個方向變形后的散斑干涉圖。利用前文所述4+1 算法求解兩個方向的變形量相位。面內(nèi)X方向的變形相位如圖6(a)所示,面內(nèi)Y方向的變形相位如圖6(b)所示。

圖5　散斑干涉圖圖

圖6　兩個方向的變形相位

由于相位和變形量是線性關(guān)系,而未做它們之間的計算。從實驗結(jié)果可以看出計算的結(jié)果符合物體變形的規(guī)律。因此,本文提出的算法和裝置能夠?qū)崿F(xiàn)物體的瞬態(tài)二維變形測量,從側(cè)面可推斷本方法也能用于瞬態(tài)三維變形測量,面內(nèi)Y方向變形量出現(xiàn)跳變可能是由綠色激光器的電源不穩(wěn)定引起(試驗中與綠色激光器配套的電源出現(xiàn)故障,而采用了另一型號的電源),進一步的實驗會在以后的研究中完成。

5結(jié)論

本文提出了一種基于相移和顏色分光的電子散斑干涉瞬態(tài)三維變形測量方法。該方法基于顏色分光的原理,將三路信息分開,可同時記錄面內(nèi)水平、垂直和離面方向的電子散斑干涉信息,完成變形信息的瞬態(tài)記錄,采用相移算法求解變形相位,實現(xiàn)三維變形測量。本文對該方法做了定性的實驗驗證,表明該方法具有實現(xiàn)物體三維變形信息的瞬態(tài)測量可行性。

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(編輯:程愛婕)

Transient 3D deformation measurement method by color splitting based on phase shift and ESPI

SUNLiuxing1,2,YUYingjie1

(1.Department of Precision Mechanical Engineering,Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2.Shanghai INESA Physico-Optical Instrument.Co.,Ltd.,Shanghai 201199, China )

Abstract：A transient method of three-dimensional deformation measurement by color splitting based on phase shift and electronic speckle pattern interferometry(ESPI) is presented. The method takes red, green and blue wavelength lasers as the light sources. A color CCD is used to capture the speckle interference images from three paths. The color light is used to achieve the separation of the speckle interference image information from the in-plane vertical direction, in-plane horizontal direction and out-of-plane direction of the object. The phase shifting algorithm is applied to process the speckle interference fringe pattern to demodulate the deformation phase field in all directions separately and to obtain three-dimensional deformation field. Computer simulation and experimental results are presented that the system can achieve the deformation measurements of an object′s vertical, horizontal and out-of-plane directions simultaneously, so that it is applied to measure transient three-dimensional deformation of the object′s surface and to realize independent measurements of the in-plane and out-of-plane two-dimensional deformations.

Keywords：electronic speckle pattern interferometry(ESPI); color splitting; phase shifting algorithm; three-dimensional deformation measurement

中圖分類號：TH 744.3

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.005

作者簡介：孫流星(1979—),高級工程師,主要從事物理光學(xué)儀器的研究。E-mail:sunliuxing.student@sina.com

收稿日期：2015-05-11