（精密仪器及机械专业论文）基于相移法的快速激光散斑干涉技术研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 1 钰熔入学 i力 旁l 拾搬 j 委员：到碰名弘互盐犬雩副夜蚊 导师：上水级 钟以六萎务7 k 技 1 - 咔 l ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月巴工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - i n i 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：彦，夏签字日期：跏，年尹月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴工些盔 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做者虢廖诫 翮虢冰红 签字日期：切，年午月，尹 签字日期：功，年争月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 弩 、 l - 小 1 1 致谢 本文是在王永红副教授的悉心指导下完成的，论文自始至终都倾注了导师 的大量心血。在两年半的硕士生学习期间，王老师渊博的知识、严谨的治学态 度和崇高的学术追求深深的影响着我，是我学习的榜样；在生活上，王老师给 予我无微不至的关怀，使身在异乡求学的我感受到如家般的温暖。本文从选题、 实验方案确定到定稿，每一步都离不开王老师的耐心指导和谆谆教诲。在实验 中遇到困难的时候，王老师不辞辛苦的为我解疑，在此，我要向王老师表示最 崇高的敬意和最衷心的感谢! 本论文的完成还离不开美国奥克兰大学杨连祥教授的帮助，杨教授提供了 实验所需的所有器材，在课题研究遇到瓶颈的时候，杨教授的点拨使问题迎刃 而解，在此，我要向杨教授表示深深的感谢。 同时，我还要感谢同课题组的周化龙、李喃、孙建飞和谢辛，他们在课题 的研究过程和生活中给及了我很大的帮助，深表感谢。 最后我还要感谢父母给予我的支持，感谢所有关心和帮助过我的人，谢谢 你们! 作者：房诚 2 0 11 年3 月3 0 日 、 、 1 基于相移法的快速激光散斑干涉技术研究 摘要 激光散斑干涉技术是一种发展较为迅速的现代光学测量技术，利用它可以 测量微小的形变和位移，进行应力应变分析、振动分析以及缺陷检测。因其具 有全场测量、非接触和高精度等特点，被广泛的应用于航空航天、机械、汽车、 材料、医学和生物学等领域。 早期的激光散斑干涉技术使用条纹中心线法来获得干涉图的相位信息，处 理速度慢，而且精度差，大大制约了散斑干涉技术的应用领域。本文研究了如 何利用相移技术获取与待测物体形变相关的相位图及图像处理方法，从而提高 激光散斑干涉测量的速度和精度，实现快速测量。 本文首先讲述了激光散斑干涉测量的基本原理，通过不同的光路设计，可 以实现对待测物体面外位移、面内位移和三维形变的测量；接着分别讨论了时 间相移技术和空间相移技术的原理及其各自的特点，组建了若干个测量面外位 移、面内位移以及使用压电陶瓷作为相移器的测量系统；利用数字图像处理技 术对干涉图进行一系列处理，并比较了各种处理方法的优劣；对利用时间相移 技术得到的干涉图进行处理获得相位图，使用传统的滤波方法对相位图进行处 理，发现很难获得清晰的图像，进而提出了一种适合于对相位图进行滤波的改 进型滤波方法，获得了很好的效果。 论文最后对空间相移技术和相位解包裹技术进行了展望，指出今后待完成 的工作和工作中的难点。 关键词：激光散斑干涉，快速，时间相移，相位图，滤波 y k i 叫l t h er e s e a r c ho f f a s td i g i t a ls p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y t e c h n o l o g yb a s e d o np h a s e - - s h i f t i n g a b s t r a c t t h ed i g i t a ls p e c k l ep a r t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( d s p i ) i sak i n d o fd e v e l o p i n g m o d e r no p t i c a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i t c a nb eu s e dt om e a s u r em i c r o d i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，a n a l y z e s t r a i na n ds t r e s s ，a sw e l la sd e t e c tt h e d e f e c t s b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo fw h o l e - f i e l d ，n o n - c o n t a c ta n dh i g hp r e c i s i o n ，i t i sa p p l i e dw i d e l yi ns p a c et e c h n o l o g y , m e c h a n i s m ，a u t o m o b i l ei n d u s t r y ，m a t e r i a l s ， m e d i c i n e ，b i o l o g ya n ds oo n t h ed s p it e c h n o l o g yi nt h ee a r l ys t a g eu s e dt h em e t h o do ff r i n g ec e n t e r l i n et o a t t a i nt h ei n f o r m a t i o no fp h a s em a p t h em e t h o dw a ss l o wa n dw i t hl o wp r e c i s i o n s oi tr e s t r a i n e dt h ea p p l i c a t i o nf i e l d so fd s p i t h i sp a p e rs h o w sh o wt og a i nt h e p h a s em a pr e l a t i v ew i t hd e f o r m a t i o nb yu s i n gp h a s e - s h i f t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e m e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n g s ot h es p e e da n dp r e c i s i o no fd s p i i si m p r o v e da n d t h ef a s tm e a s u r e m e n tc o m e st r u e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fd s p if i r s t l y b yu s i n gd i f f e r e n to p t i c a l p a t h ，d s p ic a nm e a s u r et h eo u t o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t ，i n p l a n ed i s p l a c e m e n ta n d 3 dd e f o r m a t i o n s e c o n d l yt h ep r i n c i p l e so ft e m p o r a la n ds p a t i a lp h a s es h i f t i n g t e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d ；m e a n w h i l e ，t h e c h a r a c t e ro fe a c hi sc o m p a r e d t h e s v s t e m su s e dt om e a s u r eo u t o f - p l a n ed i s p l a c e m e n ta n di n p l a n ed i s p l a c e m e n ta r e c o n s t r u c t e d ，a sw e l la s t h es y s t e mw i t hp z tp h a s e s h i f t i n gp a r t t h i r d l yt h e i n t e r f e r o g r a m sa r ep r o c e s s e di na s e r i e so fw a y sa n da l lk i n d so fi m a g ep r o c e s s i n g m e t h o d sa r ec o m p a r e d t h ep h a s em a pc a nb eg o ta c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r o g r a m s a t t a i n e db yt e m p o r a lp h a s es h i f t i n g t h er e s u l t i sb a dw h e nu s i n gt h et r a d i t i o n a l f i l t e r i n gm e t h o d st op r o c e s st h ep h a s em a p s oan e wi m p r o v e df i l t e r i n gm e t h o d i s a p p l i e dt op r o c e s st h ei m a g ea n dt h er e s u l ti sg o o d f i n a l l y , t h i sp a p e rp o i n t so u tt h ef u t u r ew o r ka n dd i f f i c u l t i e so fs p a t i a lp h a s e s h i f t i n ga n dp h a s eu n w r a p p i n gt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：d i g i t a ls p e c k l e p a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y , f a s t ，t e m p o r a lp h a s es h i f t i n g ， p h a s em a p ，f i l t e r i n g v 目录 第一章绪论1 1 1 激光散斑干涉技术概况及研究现状1 1 1 1 激光散斑干涉技术概况1 1 1 2 激光散斑干涉技术的研究现状2 1 2 相移技术简介4 1 2 1 时间相移技术一5 1 2 2 空间相移技术6 1 3 本文研究主要内容及意义7 1 3 1 课题来源及意义7 1 3 2 论文主要内容7 第二章激光散斑干涉测量的原理8 2 1 散斑的形成8 2 2 散斑场的光强统计特性一9 2 3 激光散斑干涉测量的基本原理1 0 2 3 1 单光束激光散斑干涉j 一1 0 2 3 2 双光束激光散斑干涉一1 3 2 3 3 三维激光散斑干涉测量1 4 第三章激光散斑干涉中的相移技术1 6 3 1 简介16 3 2 时间相移1 6 3 2 1 差值相位法1 6 3 2 2 相位差值法1 8 3 3 空间相移1 9 3 4 本章小结2 0 第四章激光散斑干涉测量系统的组建2 1 4 1 测量系统的构成2 1 4 1 1 测量系统整体结构2 1 4 1 2 测量系统采用的器件2 2 4 2 测量系统的组建2 3 4 2 1 面外位移测量系统2 3 4 2 2 面内位移测量系统2 6 4 2 3 基于时间相移的散斑干涉测量系统2 8 第五章激光散斑干涉图像处理3 l 5 1 数字图像处理简介31 5 2 散斑干涉图像处理3 1 5 2 1 相减处理3 2 5 2 2 图像对比度增强处理3 3 5 2 3 图像的滤波处理3 6 5 3 时间相移法生成相位图4 0 5 3 1 相位图的生成4 0 5 3 2 相位图滤波4 2 5 4 本章小结4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 总结4 5 6 2 展望4 5 参考文献4 7 插图清单 图卜1 数字剪切散斑干涉示意图2 图卜2 德国d a n t e cd y n a m i c s 公司的q 一3 0 0 散斑干涉仪4 图2 1 原始散斑图8 图2 - 2 主观散斑产生示意图8 图2 - 3 单光束激光散斑干涉光路图1 1 图2 - 4 双光束激光散斑干涉光路图13 图2 5q 3 0 0 光路图1 4 图2 - 6q 一3 0 0 测量结果。15 图3 - 1 压电陶瓷相移器。1 6 图3 - 2 中心加载铝板相位图。1 8 图3 - 3 空间相移光路图1 9 图3 - 4 双孔掩膜成像示意图19 图4 - 1 散斑测量系统整体结构2 1 图4 2 大功率氦氖激光器2 2 图4 3 待测物体2 3 图4 4 面外位移测量系统示意图2 4 图4 - 5 面外位移测量系统一得到的散斑条纹图2 5 图4 - 6 面外位移测量系统二示意图2 5 图4 7 面外位移测量系统二得到的散斑条纹图2 6 图4 - 8 面内位移测量系统一示意图2 6 图4 - 9 面内位移测量系统一得到的散斑条纹图2 7 图4 - 1 0 面内位移测量系统二示意图2 8 图4 - 1 l 面内位移测量系统二得到的散斑条纹图2 8 图4 - 1 2 基于时间相移的散斑干涉测量系统2 9 图4 - 1 3 利用时间相移法得到的散斑图3 0 图5 - 1 数字图像处理系统3 1 图5 2 图像处理程序界面3 2 图5 3 相减处理后的条纹图3 3 图5 4 比例线性灰度变换处理后的图像3 4 图5 - 5 分段线性灰度变换处理后图像及直方图3 5 图5 6 直方图均衡化处理后图像及直方图3 6 图5 7 均值滤波原理图3 7 图5 8 均值滤波处理后的图像3 8 图5 9 中值滤波原理图3 8 图5 - 1 0 中值滤波处理后的图像3 9 图5 1 1 面外位移条纹骨架线3 9 图5 1 2 相位值矽分布示意图4 0 图5 1 3 物体变形前后的相位图4 1 图5 - 1 4 相位改变量的相位分布图4 1 图5 - 1 5 均值滤波前后相位图波形对比4 2 图5 1 6 相位图中值滤波和均值滤波对比图4 2 图5 1 7 波形图转换示意图4 3 图5 - 1 8 改进型均值滤波后的相位图4 4 第一章绪论 1 1 激光散斑干涉技术概况及研究现状 1 1 1 激光散斑干涉技术概况 在空间，带有相位差并且是相干的二次球面子波相遇产生的强度分布为颗 粒状的条纹称为散斑。一般情况下，当相干性极好的激光照射到光学粗糙表面 ( 粗糙度不得小于激光波长量级) 时，就会产生激光散斑。 激光散斑的现象第一次被发现是在1 9 6 2 年，当时来自贝尔实验室的r i g d e n 和g o r d o n 发现当用相干性很好的激光照射到粗糙物体表面时，物体所成的像 上面存在明暗相间的斑点，这些点就是散斑。在全息术中，这些斑点被认为 是噪声，严重影响了成像的质量，应该想办法去除。在2 0 世纪7 0 年代的早期， l e e n d e r t z 和b u t t e r s 第一次提出图像中的散斑是否能被人们利用这个问题，这 个提议推动了散斑技术的发展【2 】。随着研究的深入，人们发现虽然这些斑点的 大小和位置的分布是随机的，但是总体上来讲这些散斑是具有一定的统计学规 律的【3 】。对于同一物体，在不同的光照条件和表面形貌状况下，得到的散斑干 涉场是不同的。逐渐的，人们开始对激光散斑干涉产生了浓厚的兴趣，对其进 行的相关研究也越来越多。 激光散斑干涉技术的发展历程可以概括为如下几个阶段： ( 1 ) 在激光散斑干涉技术发展初期，人们使用全息干板作为记录图像的媒 介，需要在同一块干板上记录下物体变形前和变形后的两次成像，即双曝光， 而且还要通过复杂的显影处理才能看得到图像，操作十分繁琐，这大大的限制 了散斑技术的发展【4 j 。 ( 2 ) 电子技术的新进展大大推动了散斑干涉技术的发展，在二十世纪七十 年代英国科学家林德茨和布特尔使用模拟电子显示装置来记录散斑干涉图像， 取代了传统的照相干板；同一时期，美国科学家马克维斯基也进行了类似技术 的相关研究。利用该技术，人们同样得到了物体的形变信息，该技术后来被称 为电子散斑干涉技术( e s p i ) 【5 】。随后计算机、电荷耦合器件( c c d ) 和图像 采集卡等都被应用到散斑干涉技术中，采用数字化的方式对图像进行处理，被 称为数字散斑干涉技术( d s p i ) ，一般人们也把e s p i 称为d s p i 。 激光散斑干涉技术根据测量用途不同可以划分为数字散斑干涉技术和数字 剪切散斑干涉技术。数字散斑干涉技术是一种测量微小形变的非常好的方法， 它根据物体变形前后得到的干涉图的相位不同来确定形变量，分辨率可以达到 微米甚至是纳米等级，测量精度十分高【6 1 。利用不同的光路设计，数字散斑干 涉技术可以测量物体表面的面外位移和面内位移。测量物体的面外位移的时候， 需要物光和一束参考光发生干涉，进而得到干涉条纹图；测量物体的面内位移 时，需要两束光都照射到物体表面发生反射，然后产生干涉条纹图，在这里我 们也可以把一束光看成是参考光。如果我们分别测出了物体的面内和面外位移， 就可以得到物体的三维形变情况。目前数字散斑干涉技术已被广泛应用于汽车 工业、航空工业和生物医学等高精密测量领域。 数字剪切散斑干涉技术是继数字散斑干涉技术后发展的一种新技术，与数 字散斑干涉测量物体的位移不同，剪切散斑干涉测量的是物体位移的导数【7 】。 它通过特殊的剪切装置，使物平面上不同的点在像平面上汇聚到同一点，令像 平面上产生两个错位的像，经过处理之后会得到一个反映位移导数的条纹图。 如图1 1 所示，为数字剪切散斑干涉的示意图，待测物上有两个不同的点l 和 点2 ，通过调整反射镜的角度可以使点1 和点2 在c c d 上汇聚为一点，从而产 生干涉。 图卜1 数字剪切散斑干涉示意图 数字剪切散斑干涉不仅具有数字散斑干涉的非接触、全场测量等特点，同 时它还具有较强的抗震能力，其主要应用领域是无损检测，能够非接触的探测 到物体表层的断裂、脱胶和分层等缺陷，在航空航天等对产品质量要求较高的 领域应用十分广泛。 1 1 2 激光散斑干涉技术的研究现状 1 9 6 8 年，a r c h b o l d 等人第一次将散斑技术应用于测量中；散斑干涉完整的 基本原理是在1 9 7 0 年由l e e n d e r t z 和b u t t e s 建立的，从这以后，散斑干涉技术 进入了高速发展阶段哺j 。 最初的散斑图像是通过照相干板来记录的，操作比较复杂，实验周期长。 l9 7 1 年j a l e e n d e r t s 、j n b u t t e r s 采用电视摄像管记录散斑图像，采用模拟电 子的方法处理散斑图像，进而得出物体的形变和位移，同年a m a k o v i s k i 也发 表了类似的文章。这标志着采用照相干板记录散斑图像的时代的终结。在七十 年代后期，人们不断的提出各种改进和优化电子散斑干涉的方法，完成了对其 基本原理和性质的研究，为以后的应用和发展打下了坚实的基础。 剪切散斑干涉技术是激光散斑干涉中的一个重要技术，它是由y y h a n g 和c e t a y l o r 在1 9 7 3 年提出的，通过在摄像头前放置小角度的玻璃楔块，使 2 光线发生偏折，最后得出的条纹图是与位移的导数相关联，利用这一原理可以 对材料进行无损检测p j 。 进入八十年年代之后，随着集成电路和计算机技术的发展，图像可以以矩 阵的形式存储在介质中，并且可以读出和写入，在这样的背景下数字散斑干涉 技术应运而生。通过c c d 摄像头接收被测物图像，经图像采集卡传输到计算机， 使用数字图像处理的方法对干涉图进行处理，图像的质量越来越高，测量结果 也更加精确【l0 1 。现如今，各种数字摄像机可以通过13 9 4 接口或者u s b 接口与 计算机直接连接，图像传输速度更快，设备也更加简便，为数字散斑干涉技术 的进一步发展提供了有力的保障。 1 9 8 0 年，日本i y a m a g u c h i 以及美国南卡罗来纳大学的w h p e t e r 和w f p a n s o n 等人又分别独立地提出了数字散斑中的相关测量技术【1 1 1 。该技术通过 比较物体变形前和变形后两幅散斑图的相关区域，利用相关算法得出物体的形 变量。随着高分辨率和高速摄像机的诞生，该方法可以用来分析拉伸、爆炸和 碰撞过程中物体的形变，比传统的应变片和引伸计等装置精度更高。在国外， 已有部分国家拟采用该技术作为测量材料弹性模量等数据的一个标准。 从上世纪8 0 年代中期开始，美国就一直有多所大学及研究单位受国家重点 和基金项目的资助从事散斑干涉系统的研究。其中最具代表性的是：由 u n i v e r s i t yo f a r i z o n a 的d r k c r e a t h 领导的研究小组，该研究小组最突出的贡 献是发明了散斑领域的时间相移技术，从而大大提高了散斑测量技术的灵敏度 和精度。由o a k l a n du n i v e r s i t y 大学的p r o f y y h u n g 和杨连祥教授领导的研究 小组一直受到多项美国国家级研究项目的资助，在散斑剪切干涉领域内的研究 一直处于世界领先地位，并研制了各种实用的散斑剪切干涉仪。r o b i n s o n 等人 提出了数字相位步进散斑干涉技术，它的基本思想是通过在参考光中引入不同 的相移量来求得物光的相位变化。c j o e n a t h a n 利用相移技术，采用双光束照明 实现了物体应变的测量。由英国l o n g b o r o u g h 大学j t y r e 领导的研究小组从上 世纪8 0 年代中期开始至今，一直从事三维散斑测量系统的研究与发展，该研究 小组是最早研制以偏振光照射为基础的三维位移数据同步采集系统及以傅里叶 变换为基础的单图相位计算研究小组之一。 散斑测量仪商业化最著名的公司是德国的d a n t e cd y n a m i c s 公司，该 公司拥有一系列光学测量仪器，像用于数字散斑干涉测量的q 1 0 0 和q 3 0 0 ， 可以实现物体三维形变的测量；用于数字剪切散斑干涉的q 一8 0 0 ，可以进行工 业上的无损检测；还有用于数字图像相关测量的系统q 4 0 0 和q 4 5 0 1 2 】。该公 司的产品在国际上得到了广泛的应用和认可，图1 2 为d a n t e cd y n a m i c s 公司的q 3 0 0 激光散斑干涉测量仪，它可以对物体表面的三维形变进行全场测 量，测量精度可以达到纳米等级，而且体积小巧便于携带，适合于进行现场快 速测量。 图卜2 德国d a n t e cd y n a m i c s 公司的o 一3 0 0 散斑干涉仪 国内的激光散斑干涉技术起步比较晚，也取得了一定的研究成果。在二十 世纪九十年代初期，西安交通大学是国内最早进行散斑干涉研究的单位之一， 该校利用压电陶瓷在散斑干涉中引入相移，实现了相移技术在散斑干涉中的应 用；1 9 9 2 年，中国科学技术大学利用半导体激光器作为照明光源，同时引入了 双频光栅，搭建了一套剪切散斑干涉系统；1 9 9 9 年，西安交通大学以贾书海教 授为带头人的团队为了进行振动的测量，研制出了一套基于双光路的数字散斑 干涉系统【l3 1 。2 0 0 4 年张熹等人在电子剪切散斑干涉中，通过驱动剪切镜引入空 间相移；在散斑干涉技术商业化方面，国内比较知名的是苏州卓力特光电仪器 有限公司和北京中西远大科技有限公司等，已经研制出全息散斑干涉仪和剪切 散斑干涉仪等相关设备【1 4 1 。 经过几十年的发展，激光散斑干涉技术已发展成为一种依托激光技术、电 子技术、图像处理技术、计算机技术、精密仪器及自动控制技术的现代光测方 法，它具有全场、非接触、高精度和快速实时并可在线检测等优点。可用于检 测各种工程结构及设备的变形和位移等特性，还可以进行工业上的无损检测， 而且还有希望作为一种行业标准得到推广。因此，该技术在机械、材料、航空 航天、兵器工业及生物医学等领域的检测中具有非常重要的地位。 1 2 相移技术简介 在现代光学测量技术中，通常与待测量相关联的是干涉条纹的相位值，因 而常常需要测量条纹的相位，激光散斑干涉法也不例外，相位值测量准确与否 直接关系到测量结果的准确度。同时相位值的测量也不仅仅局限于干涉应用， 它的应用是十分广泛的。在条纹投影技术中，就是用相位来反映待测物体的三 维形貌信息。条纹投影技术是很常用的一种三维形貌测量技术，在许多领域都 扮演着十分重要的角色，例如工业，医学和艺术等方面。在制造工业，利用三 维形貌信息可以进行质量检测和产品设计；在考古学，利用三维形貌信息可以 记录文物的外形特征；在电影工业，形貌信息可以帮助我们来快速对场景中的 4 演员进行建模；在医疗方面，形貌信息可以帮助我们来准确定位放疗的位置， 减小对人体的伤害【l 鄹。然而在上述应用中，相位值测定是获得正确形貌信息最 关键的一步。 在激光散斑干涉技术中，条纹数据处理方面一段时间采用的是条纹中心线 法，需要对条纹进行增强，滤波和提取骨架线等操作，处理速度慢而且精度比 较差。后面人们采用外差法来解决这个问题，光外差法是直接测量参考波面与 被测波面的一种方法。使两束具有相同偏振方向的光照射到待测物体表面，利 用光电接收器接收，这样在光电探测器像平面上每一点都可以获得正比于该点 光程差的电压值，这样就可以测得像平面上每一点的光程差值，理论精度可以 达到1 10 0 0 波长。但是由于光调制需要复杂的装置以及逐点数据测量等问题， 外差技术也没能得到很好的推广。 相位测量技术是上个世纪八十年代得到发展和应用的提高条纹测量精度的 新技术，由于计算机及图像处理技术的发展使它成为一种比较容易实现和推广 的提高测量精度的方法，在1 9 9 0 和1 9 9 1 年的国际光学工程学会( s p i e ) 年会 上，相位测量技术都被列为会议的专题。在相位测量的实现方法里面，相移技 术是一种应用较为广泛的方法，它是通过在被测光波中利用特殊装置引入已知 相移，多次采样获得光强分布进而求得相位。在2 0 世纪8 0 年代中期，c r e a t h 首次把相移技术应用到散斑干涉中。相移技术不需要进行条纹中心提取，从而 使条纹图的分析和处理过程大为简化。这不仅大大减少了数据处理的工作量， 加快了数据处理的速度，而且可以实现条纹图的自动分析。此外，相移技术提 高了测量的精度，同时也解决了条纹条数太少对测量精度的影响。 相移技术可以测得变形l i i 和变形后条纹图中的相位值，一般是通过在测量 光束( 通常是在参考光中) 中引入已知大小的相移，然后对获得的光强分布图 进行一系列分析和处理后得到相位值。测量光束采样得到的光强分布方程中， 除了相位值以外通常还有多个未知数，相移技术就是通过引入相移从而使方程 数量大于未知数的数量，这样就可以解出方程中的未知量，得到相位值的大小。 在相位值的计算方面，有两种常用的方法，即相位差值法和差值相位法，我们 将在后面的章节进行详细的介绍。相移技术根据引入相移手段的不同可以分为 时间相移技术和空间相移技术，时间相移技术是在时间层序上获得每次加载的 相移干涉图，从而进一步得到具体的相位值；而在空间相移技术中，相移干涉 图是在同一时刻不同空间位置上记录的。 1 2 1 时间相移技术 在相位测量技术发展之前，基于强度的条纹分析法仍是干涉测量中的主要 处理方法，直到1 9 6 6 年c a r r e 提出相移的理论，光学干涉测量因此而得到改进。 c a r r e 通过实验进行了相位的测量，并提出了四步相移算法，直到现在该算 法仍然是目前最常用的算法之一。1 9 7 4 年b r u n i n g 和他的实验室成员详细介绍 了时间相移法的基本原理，并采用压电陶瓷( p z t ) 作为相移器件，在 t w y m a n g r e e n 干涉仪中通过推动反射镜改变光程引入相移，b r u n i n g 的这一创 造性的实验标志着时间相移技术进入了快速发展的时期。现在时间相移技术在 干涉实验中应用的十分广泛，下面介绍几种常用的实现时间相移的方法。 ( 1 ) 压电陶瓷相移法，这是最常见的一种引入时间相移的方法，利用压电 陶瓷在不同大小电压作用下会产生相应位移的逆压电效应，推动反射镜引入相 移【1 6 】。在光学测量中，通常需要压电陶瓷的位移能够达到微米量级，一般用高 电压放大器产生零到几百伏特的线性修正斜坡信号驱动压电陶瓷。 ( 2 ) 偏振相移法，通常是由波片和偏振片组成，通过偏振片的检偏作用引 入相移。 ( 3 ) 光栅相移法，光栅相移法是利用光栅在移动前后光栅任一衍射级存在 相位差，如果光栅移动了n 步，就相当于进行了n 步相移。光栅相移法主要是 利用光栅的衍射作用，因此光栅刻画的误差将会直接影响到测量的精度。 上述方法是最常见的一些时间相移方法，它们都具有一个共同点，就是在 一束光路中相对于另一束光路引入相移，通常都是在参考光路中引入相移。与 此同时采用良好的算法，我们就可以得到质量较好的相位图。 1 2 2 空间相移技术 1 9 8 4 年，s m y t h e 和m o o r e 利用偏振光干涉建立了第一个空间相移系统， 1 9 8 5 年k w o n 和s h o u g h 利用衍射光栅建立了另一套空间相移装置。近些年来， 空间相移技术得到了迅速的发展，众多学者纷纷参与到该技术的研究当中。空 间相移技术的关键就是如何进行空间分光和引入相移，根据方法的不同有的采 用多c c d 进行图像采集，有的采用单c c d 进行图像采集。采用多c c d 接收 图像是在同一时刻对不同相移值的信号进行采集，每个摄像头采集一幅图像。 这种方法要求面阵c c d 具有相同的感光度，而且需要一个复杂的光学设备和数 据处理设备。空间载波法使用单个c c d 采集图像来实现空间相移的，它只需要 一幅包含空间载波条纹的散斑干涉图。相比而言，空间载波法操作更加简便， 成本也相对较低。下面介绍几种典型的空间相移方法。 ( 1 ) s m y t h e 系统是一种采用多c c d 的空间相移装置，它利用偏振分光棱 镜和波片进行分光同时引入相移，采用多个c c d 分别接收具有不同相移值的图 像，一般分别引入o 。、9 0 。、18 0 。和2 7 0 。的相移，进而可以进行相位的测量【1 7 】。 ( 2 ) 双孔掩膜空间载波法，它是采用单个c c d 进行空间相移的方法。该 方法是在镜头前放置一个双孔掩膜，使光束分别通过两个孔产生衍射被c c d 接收，通过调节孔的大小和掩膜到像平面的距离，可以在所得图像的各个像素 之间产生特定大小的相位差，从而引入相移。这种方法只需要采集一幅图像， 6 操作快速简便。 空间相移技术具有较好的抗干扰能力，可以进行动态测量，总体上的发展 趋势是从多c c d 向单个c c d 发展，由单色光干涉发展成为白光干涉。 1 3 本文研究主要内容及意义 1 3 1 课题来源及意义 本课题来源为安徽省自然科学基金项目( 0 9 0 4 1 4 15 8 ) 和国家自然科学基金 ( 5 1 0 7 5 1 1 6 ) 。 在激光散斑干涉技术的研究中，相位的测量是十分关键的，能否得到准确 的相位信息关系到最后测量结果的准确与否。在早期，主要采用提取条纹中心 线的方法，速度慢而且测量精度比较差，无法满足工业生产的要求。本课题基 于相移法实现对散斑图像的快速处理，得出反映物体形变信息的相位图。 1 3 2 论文主要内容 本文论研究了激光散斑干涉技术的原理和应用以及利用相移技术实现散斑 快速测量的方法，主要内容分为以下几个方面： ( 1 ) 激光散斑干涉的基本原理。介绍了散斑的形成及其特性，激光散斑干 涉技术测量面外位移、面内位移和物体的三维形变的基本原理。 ( 2 ) 激光散斑干涉中的相移技术。介绍了时间相移技术和空间相移技术， 以及求解相位的差值相位法和相位差值法。 ( 3 ) 实验系统组建。根据散斑干涉测量原理进行了系统的光学器件选型， 设计组建了实验系统，进行了大量的实验研究，进行了散斑条纹处理和滤波方 法研究；基于m a t l a b 语言编制了散斑条纹的图像处理与相位滤波软件。 ( 4 ) 图像处理。介绍了利用数字图像处理技术对实验采集到的散斑图像进 行处理的各种方法，包括相减、增强和滤波。同时还讲述了如何对时间相移技 术采集到的图像进行处理从而得到相位图，以及对相位图的滤波处理，来提高 图像的清晰度。 7 第二章激光散斑干涉测量的原理 2 1 散斑的形成 一般来讲，激光照射到粗糙物体表面的时候会产生漫反射，由于激光具有 高度的相干性，漫反射的光场会在空间发生干涉，产生或明或暗的斑点，这就 是散斑。如图2 1 所示，为一幅原始的散斑图像。人们经过研究后发现虽然这 些斑点的大小和位置的分布是随机的，但是所有的散斑是符合统计规律的。散 斑根据有无透镜成像可以分为和客观散斑和主观散斑，客观散斑是指由粗糙表 面反射光干涉直接形成的散斑；而主观散斑是经过透镜等光学系统成像后得到 的散斑 待 测 物 图2 一l 原始散斑图图2 2 主观散斑产生示意图 散班的横向尺寸是来自于瑞利分辨率，指的是爱里斑的半径，当散斑大于 爱里斑的半径的时候才能分辩，因此横向尺寸是指散斑的最小尺寸，对于客观 散斑而言，可以得到夫浪和费衍射区散斑横向尺寸如式2 1 所示【18 1 。 ，p 盯2 1 2 兹 ( 2 1 ) 其中m 是照明区域的大小，p 为成像平面与散斑平面的距离。而对于主观散斑 而言，采用透镜成像，产生主观散斑的示意图如图2 - 2 所示，其散斑的横向尺 寸为： 仃= 1 2 , o f( 2 2 ) 式中f 为透镜焦距与光瞳的比值。 空间散斑的形态是类似于椭长形的，它同样具有纵向尺寸，其大小为： ，p 2 仃矿25 寺 ( 2 3 ) 当我们使用散斑干涉技术进行物体的位移测量的时候，如果散斑的横向尺 寸大于位移量的时候，则不能进行相关测量；同样，当位移量过大，超过了散 斑的纵向长度的时候，也无法得出正确的结果【19 1 。 2 2 散斑场的光强统计特性 为了研究激光被物体反射后的散斑场，按照光场衍射的标量理论，一个单 色光场的传播过程可以通过一个简单的叠加积分来表示。假设一个散射面上有 m 个( m 值很大) 独立的散射面元，这些面元具有相同的宏观结构，仅在微观上 有区别，设入射光波是线偏振的单色光，且其偏振状态不因散射而改变，用 u 胎) = 专口) p 嘞p ( 2 4 ) m 表示第，个散射面元散射到观察点的基元光波复振幅，其中( 1 m ) 口，( ，) 表示此 振幅的随机大小，矽，( ，) 为其随机相位，则由m 个面元散射到观察点的各基元光 波叠