專利名稱：一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微振動(dòng)探測系統(tǒng)，更特別地說，是指一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置。
背景技術(shù)：
給予光學(xué)技術(shù)的非接觸式微振動(dòng)探測系統(tǒng)按探測區(qū)域可以分為點(diǎn)探測和面探測兩類。以光三角法和激光多普勒法為代表的點(diǎn)探測技術(shù)具有探測精度較高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，它們存在的問題主要有兩點(diǎn):一是將激光照射的區(qū)域視為一點(diǎn)，對(duì)其整體振動(dòng)情況進(jìn)行探測，無法細(xì)分區(qū)域內(nèi)更細(xì)小部位的振動(dòng)情況，也即不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)同步實(shí)時(shí)探測(面探測)；二是需要尋找主反射光，探測角度受限，操作較為不便。數(shù)字全息技術(shù)是一種較為典型的面成像檢測技術(shù)利用(XD (Charge CoupledDevice,電荷稱合器件)、CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體)等光電成像探測器件作為記錄介質(zhì)并以數(shù)字形式記錄全息圖，利用計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)參考光通過全息 圖的光學(xué)衍射過程以數(shù)字方法重構(gòu)三維散射光場，從而獲得散射光場的振幅和相位的信息，其優(yōu)點(diǎn)包括:(I)以非接觸方式獲取物體三維信息、對(duì)觀測樣本影響非常小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)；(2)數(shù)字全息圖的記錄與再現(xiàn)過程都以數(shù)字化形式完成，因此能夠以數(shù)字形式重構(gòu)散射光場并可以對(duì)物體三維信息進(jìn)行定量分析；(3)在數(shù)字重構(gòu)過程中，可方便的運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，矯正、補(bǔ)償光學(xué)像差以及各種噪聲和探測器非線性效應(yīng)等的影響。利用數(shù)字全息技術(shù)的面成像檢測優(yōu)勢，進(jìn)行振動(dòng)探測是一種較為新型的多點(diǎn)振動(dòng)同步面探測技術(shù)。當(dāng)物體表面發(fā)生微小振動(dòng)時(shí)，記錄有物體表面形貌信息的數(shù)字全息圖也將隨之發(fā)生改變。設(shè)定初始數(shù)字全息圖，并將由其提取出的相位記為初始相位，然后將此時(shí)刻之后連續(xù)記錄的多幅數(shù)字全息圖進(jìn)行相位提取，并分別與初始相位比較，即可探測出該表面一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置的實(shí)時(shí)微振動(dòng)信息。該類方法所能探測的振動(dòng)頻率范圍主要由圖像采集裝置的圖像采集速率決定。目前采用本方法的系統(tǒng)使用的光電成像器件的拍攝速度較低，因此僅能探測頻率在IOOHz以下的振動(dòng)，同時(shí)也無法做到實(shí)時(shí)探測不規(guī)則振動(dòng)，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。另外這類系統(tǒng)一般沒有采用偏振方向控制裝置對(duì)參考光和物光的線偏振方向進(jìn)行調(diào)整，不利于散射光干涉成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，該裝置一方面采用兩束線偏振光分別作為參考光和照射待觀測物體表面的照明光；另一方面利用線偏振參考光和包含有物體形貌信息的散射光干涉，可以在較大的照射光角度范圍獲得包含物體振動(dòng)信息的全息圖，不需尋找照明光照射物體表面形成的主反射光，方便使用；第三方面本探測裝置能以非接觸、原位探測方式同時(shí)獲取待觀測物體表面一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置的振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)面探測。本發(fā)明的一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，該裝置包括有光源、分光單元、空間濾波器A、空間濾波器B、平凸透鏡A、平凸透鏡B、反射鏡A、反射鏡B、消偏振分光棱鏡和圖像采集裝置。光源用于為本發(fā)明微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置提供光信息。分光單元一方面用于接收從光源出射的激光，分光單元另一方面將接收到的激光分為兩束線偏振光，并分別輸入兩個(gè)空間濾波器。偏振分光棱鏡置于半波片A和半波片B之間，半波片C置于偏振分光棱鏡的反射光位置。其中，所述的半波片A用于將光源發(fā)射的激光進(jìn)行偏振方向的調(diào)整和偏振分光棱鏡配合實(shí)現(xiàn)透射光和反射光的光強(qiáng)比連續(xù)可調(diào)，而半波片B用于調(diào)整偏振分光棱鏡的透射光的偏振方向；采用半波片C可以調(diào)整偏振分光棱鏡的反射光的偏振方向；通過旋轉(zhuǎn)半波片B、半波片C使得線偏透射光、反射光的偏振態(tài)改變，使兩路線偏光的偏振態(tài)同為45度，并 實(shí)現(xiàn)兩束線偏光相干疊加，得到包含振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖。同時(shí)通過分別調(diào)節(jié)連續(xù)可調(diào)衰減器A和連續(xù)可調(diào)衰減器B可以調(diào)節(jié)兩束線偏振光的總光強(qiáng)及光強(qiáng)比，進(jìn)而通過控制參考光和散射光的光強(qiáng)比，提高參物光干涉圖像的信噪比。圖像采集單元采用高速CMOS相機(jī)，可以連續(xù)高速的記錄數(shù)字全息圖，提高可探測的物體表面振動(dòng)頻率范圍。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)本發(fā)明的分光單元可以同時(shí)輸出兩束線偏振光，并精確控制照明光和參考光的偏振態(tài)和光強(qiáng)比；(2)本發(fā)明通過改變線偏振參考光的偏振方向，和包含有物體振動(dòng)信息的散射光發(fā)生干涉，可以在較大照明光照射物體的角度范圍內(nèi)(-15° +15° )，記錄包含物體表面一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖，不需尋找照明光照射物體表面形成的主反射光，便于操作使用；(3)米用線偏振參考光4a和具有物體振動(dòng)信息的線偏振散射光14a在消偏振分光棱鏡上進(jìn)行合光，利用高速CMOS相機(jī)以數(shù)字全息記錄的方法連續(xù)高速實(shí)時(shí)地獲取包含待探測物體表面振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖，進(jìn)而探測出物體表面相機(jī)拍攝區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置的振動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)面探測；(4)本發(fā)明觀測裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，尤其適用于對(duì)照射角度有特殊要求的物體面微振動(dòng)探測。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明分光單元的結(jié)構(gòu)示意圖。1.光源Ia.激光Ib.透射光Ic.反射光2.分光單元201.半波片A202.偏振分光棱鏡 203.半波片B204.連續(xù)可調(diào)衰減器A 205.半波片C206.連續(xù)可調(diào)衰減器B 21.線偏振光A22.線偏振光B301.空間濾波器A 302.平凸透鏡A303.空間濾波器B304.平凸透鏡B4.反射鏡A4a.參考光5.消偏振分光棱鏡5a.合并光束6.圖像采集單元 7.反射鏡B7a.照明光13.光照明單元14.待探測物體表面14a.具有物體形貌信息的散射光
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明是一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，該裝置包括光源1、分光單元2、空間濾波器A301、空間濾波器B303、平凸透鏡A302、平凸透鏡B304、反射鏡A4、反射鏡B7、消偏振分光棱鏡5和圖像采集單元6。分光單兀2接 收光源I出射的激光,并輸出線偏振光A21和線偏振光B22 ;線偏振光A21順次經(jīng)空間濾波器A301、平凸透鏡A302、反射鏡A4后入射至消偏振分光棱鏡5上；線偏振光B22順次經(jīng)空間濾波器B303、平凸透鏡B304、反射鏡B7、待探測物體表面14后入射至消偏振分光棱鏡5上，最后被圖像采集單元6所采集。分光單元2包括有半波片A201、偏振分光棱鏡202、半波片B203、連續(xù)可調(diào)衰減器A204、半波片C205和連續(xù)可調(diào)衰減器B206。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置的光路連接為:光源I出射的中心波長為532nm的激光Ia穿過分光單元2的半波片A201上入射至偏振分光棱鏡202上；激光Ia經(jīng)分光單兀2進(jìn)行分光處理后分別輸出線偏振光A21和線偏振光B22 ；線偏振光A21順次經(jīng)空間濾波器A301、平凸透鏡A302后，經(jīng)反射鏡A4反射輸出參考光4a入射至消偏振分光棱鏡5 ；線偏振光B22順次經(jīng)空間濾波器B303、平凸透鏡B304后，經(jīng)反射鏡B7反射輸出照明光7a，照明光7a照射到待探測物體表面14上；空間濾波器B303、平凸透鏡B304、反射鏡B7組成光照明單元13。在照明光7a的照射下，待探測物體表面14反射具有物體表面振動(dòng)信息的散射光14a入射至消偏振分光棱鏡5 ；消偏振分光棱鏡5對(duì)入射的參考光4a、具有物體表面振動(dòng)信息的散射光14a進(jìn)行合光處理得到合并光束5a，該合并光束5a形成的干涉全息圖被圖像采集單元6的光敏面捕獲。在本發(fā)明中，由分光單元2分出的線偏振光A21經(jīng)空間濾波器A301、平凸透鏡A302、反射鏡A4后,形成的參考光4a入射至消偏振分光棱鏡5,這路光路可以稱為參考光路。在本發(fā)明中，由分光單元2分出的線偏振光B22經(jīng)光照明單元13照射至待探測物體表面14上后,反射形成的具有物體表面振動(dòng)信息的散射光14a入射至消偏振分光棱鏡5,這路光路可以稱為物光光路。通過分光單元2中半波片B203，可以改變參考光路中線偏振光A21的偏振方向，從而使圖像采集單元6記錄數(shù)字全息圖。然后通過圖像采集單元6高速連續(xù)采集的多幅數(shù)字全息圖運(yùn)用數(shù)字方法進(jìn)行相位提取，從而實(shí)時(shí)獲得物體表面的振動(dòng)情況。在本發(fā)明中，光源I用于為本發(fā)明一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置提供光信息，該光源I提供了的中心波長為532nm的激光。分光單元2 —方面用于接收從光源I出射的中心波長為532nm的激光la，分光單元2另一方面將接收到的激光Ia分為線偏振光A21和線偏振光B22，并分別輸入空間濾波器A301和空間濾波器B303。偏振分光棱鏡202置于半波片A201和半波片B203之間，半波片C205置于偏振分光棱鏡202的反射光位置。其中，所述的半波片A201用于將光源發(fā)射的激光Ia進(jìn)行偏振方向的調(diào)整和偏振分光棱鏡配合實(shí)現(xiàn)透射光Ib和反射光Ic的光強(qiáng)比連續(xù)可調(diào)，而半波片B203用 于調(diào)整偏振分光棱鏡202的透射光Ib的偏振方向；采用半波片C205可以調(diào)整偏振分光棱鏡202的反射光Ic轉(zhuǎn)化的線偏振光B22的偏振方向；通過旋轉(zhuǎn)半波片B203使得線偏透射光Ib的偏振態(tài)改變，通過旋轉(zhuǎn)半波片C205使得線偏透射光Ic的偏振態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)偏振方向同為45度的兩束線偏光相干疊加，得到包含振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖。同時(shí)通過連續(xù)可調(diào)衰減器204A、連續(xù)可調(diào)衰減器B206來調(diào)整線偏振光A21和線偏振光B22的總光強(qiáng)(不超過圖像采集單元(6)的光強(qiáng)探測范圍)及光強(qiáng)比(3:7 1:1)，來控制參考光4a和散射光14a的光強(qiáng)比，從而提高了參物光干涉圖像的信噪比。 在本發(fā)明中，半波片A201、半波片B203和半波片C205可以改變?nèi)肷渚€偏振光的偏振方向，可以選取北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCL-060411型號(hào)的石英零級(jí)半波片。在本發(fā)明中，偏振分光棱鏡202具有將I束入射光分為兩束傳播方向垂直、偏振方向正交的光。可以選取北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCC-401102型號(hào)的偏振分光棱鏡。在本發(fā)明中，連續(xù)可調(diào)衰減器A204和連續(xù)可調(diào)衰減器B206可根據(jù)圓盤的旋轉(zhuǎn)而線性改變出射空間光的光功率，可以是北京大恒光電公司生產(chǎn)的GC0-0704M圓形可調(diào)衰減器/分光鏡。在本發(fā)明中，空間濾波器A301和空間濾波器B303可以對(duì)一束入射的激光光束進(jìn)行空間濾波，得到均勻的出射光斑，選取北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCM-OlM型空間濾波器。在本發(fā)明中，平凸透鏡A302和平凸透鏡B304用于對(duì)空間濾波器A301和空間濾波器B303近似點(diǎn)光源出射光擴(kuò)束為一定尺寸的平行光。選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCL-010115型K9平凸透鏡。平凸透鏡A302和平凸透鏡B304可以安裝在北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCM-2701381M型號(hào)透鏡/反射鏡支架。在本發(fā)明中，反射鏡A4和反射鏡B7可以選取北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCC-102102型號(hào)反射鏡，安裝在北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCM-082305M型號(hào)二維調(diào)整架。在本發(fā)明中，消偏振分光棱鏡5具有將兩束傳播方向垂直的入射光合成一束光。選取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生產(chǎn)的NT49-004型號(hào)消偏振分光棱鏡。本發(fā)明裝置用于對(duì)選定區(qū)域內(nèi)的多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)微振動(dòng)探測，被測振動(dòng)頻率超過2KHz。本發(fā)明裝置的照明光7a從角度范圍:-15° +15°照射物體時(shí)，均可對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行微振動(dòng)探測。

在本發(fā)明中，圖像采集單元6可以選取德國Mikrotron公司生產(chǎn)、型號(hào)為EoSenSCLMC1362、分辨率為1280父1024像素、幀頻為50(^ 8、光敏面尺寸為1.43英寸、信號(hào)接口為camera link總線的CMOS相機(jī)。在降低拍攝分辨率、縮小拍攝窗口至80X32像素，曝光時(shí)間降低至18 μ s的條件下,巾貞頻可提高至44100fps。圖像采集單元6能夠連續(xù)高速獲取的多幅含有散射光微振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖像，提高裝置的振動(dòng)頻率探測范圍，最高可探測頻率為3000Hz的振動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，其特征在于，包括光源(I)、分光單元(2)、空間濾波器A (301)、空間濾波器B (303)、平凸透鏡A (302)、平凸透鏡B (304)、反射鏡A (4)、反射鏡B (7)、消偏振分光棱鏡(5)和圖像采集單元(6); 分光單元(2)包括半波片A (201)、偏振分光棱鏡(202)、半波片B (203)、連續(xù)可調(diào)衰減器A (204)、半波片C (205)和連續(xù)可調(diào)衰減器B (206)； 偏振分光棱鏡(202)置于半波片A (201)和半波片B (203)之間，半波片C (205)置于偏振分光棱鏡(202)的反射光位置，連續(xù)可調(diào)衰減器A (204)位于半波片A (201)之后，連續(xù)可調(diào)衰減器B (206)位于半波片B (203)之后； 光源(I)出射的激光(Ia)穿過分光單元(2)的半波片A (201)，入射至偏振分光棱鏡(202)上，通過偏振分光棱鏡(202)得到透射光(Ib)和反射光(lc)，透射光(Ib)依次通過半波片B (203)、連續(xù)可調(diào)衰減器A (204)后，得到線偏振光A (21 )，反射光(Ic)通過半波片C (205)、連續(xù)可調(diào)衰減器B (206)后，得到線偏振光B (22)； 線偏振光A (21)順次經(jīng)空間濾波器A (301)、平凸透鏡A (302)后，經(jīng)反射鏡A (4)反射輸出參考光(4a)入射至消偏振分光棱鏡(5)； 線偏振光B (22)順次經(jīng)空間濾波器B (303)、平凸透鏡B (304)后，經(jīng)反射鏡B (7)反射輸出照明光(7a)，照明光(7a)照射到待探測物體表面(14)上； 在照明光(7a)的照射下，待探測物體表面(14)反射具有物體表面振動(dòng)信息的散射光(14a)入射至消偏振分光棱鏡(5)； 消偏振分光棱鏡(5)對(duì)入射的參考光(4a)、具有物體表面振動(dòng)信息的散射光(14a)進(jìn)行合光處理得到合并光束(5a)，該合并光束(5a)形成的干涉全息圖被圖像采集單元(6)的光敏面捕獲； 通過旋轉(zhuǎn)半波片B (203)和半波片C (205)使得線偏透射光(Ib)和線偏振光B (22)的偏振態(tài)都改變至45度，實(shí)現(xiàn)相同同偏振方向的兩束線偏光相干疊加，得到包含物體表面振動(dòng)信息的數(shù)字全息圖，同時(shí)通過調(diào)整連續(xù)可調(diào)衰減器A (204)和連續(xù)可調(diào)衰減器B (206)對(duì)線偏振光A (21)和線偏振光B (22)的總光強(qiáng)及光強(qiáng)比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得總光強(qiáng)不超過圖像采集單元的探測范圍，且該光強(qiáng)比為3:7 1:1。
2.根據(jù)權(quán)力要求I所述的一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，其特征在于，所述的圖像采集單元(6)采用高速CMOS相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)力要求I所述的一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，其特征在于，裝置用于對(duì)選定區(qū)域內(nèi)的多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)微振動(dòng)探測，也即實(shí)時(shí)微振動(dòng)面探測，被測振動(dòng)頻率最大為3KHz。
4.根據(jù)權(quán)力要求I所述的一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，其特征在于，照明光(7a)從角度范圍:-15° +15°照射物體時(shí)，均可對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行微振動(dòng)探測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字全息的微振動(dòng)實(shí)時(shí)面探測裝置，分光單元將接收的激光分為兩束線偏振光后，分別輸入兩個(gè)空間濾波器；一束線偏振光順次經(jīng)平凸透鏡、反射鏡后成為參考光進(jìn)入消偏振分光棱鏡；另一束線偏振光順次經(jīng)平凸透鏡、反射鏡后成為照明光，該照明光照射在待探測物體表面上被散射后進(jìn)入消偏振分光棱鏡，然后輸出至圖像采集裝置。本發(fā)明在較大照射光角度范圍內(nèi)獲得包含物體表面一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置的全息圖；利用高速CMOS相機(jī)連續(xù)高速拍攝數(shù)字全息圖，提高裝置的振動(dòng)頻率探測范圍，實(shí)現(xiàn)物體表面一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置微振動(dòng)實(shí)時(shí)探測；以非接觸、原位探測方式同時(shí)獲取待探測物體表面相機(jī)拍攝區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置的振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)面探測。
文檔編號(hào)G01H9/00GK103217209SQ20131012446
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者肖文, 叢琳, 潘鋒, 張兆海, 張鑫 申請人:北京航空航天大學(xué)