專利名稱：一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微振動探測系統，更特別地說，是指一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置。
背景技術：
給予光學技術的非接觸式微振動探測系統按探測區域可以分為點探測和面探測兩類。以光三角法和激光多普勒法為代表的點探測技術具有探測精度較高、實時性好等優點。但是，它們存在的問題主要有兩點:一是將激光照射的區域視為一點，對其整體振動情況進行探測，無法細分區域內更細小部位的振動情況，也即不能實現區域內多點同步實時探測(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。數字全息技術是一種較為典型的面成像檢測技術利用(XD (Charge CoupledDevice,電荷稱合器件)、CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體)等光電成像探測器件作為記錄介質并以數字形式記錄全息圖，利用計算機模擬再現參考光通過全息 圖的光學衍射過程以數字方法重構三維散射光場，從而獲得散射光場的振幅和相位的信息，其優點包括:(I)以非接觸方式獲取物體三維信息、對觀測樣本影響非常小、系統結構簡單等優點；(2)數字全息圖的記錄與再現過程都以數字化形式完成，因此能夠以數字形式重構散射光場并可以對物體三維信息進行定量分析；(3)在數字重構過程中，可方便的運用數字圖像處理技術，矯正、補償光學像差以及各種噪聲和探測器非線性效應等的影響。利用數字全息技術的面成像檢測優勢，進行振動探測是一種較為新型的多點振動同步面探測技術。當物體表面發生微小振動時，記錄有物體表面形貌信息的數字全息圖也將隨之發生改變。設定初始數字全息圖，并將由其提取出的相位記為初始相位，然后將此時刻之后連續記錄的多幅數字全息圖進行相位提取，并分別與初始相位比較，即可探測出該表面一定區域內多個位置的實時微振動信息。該類方法所能探測的振動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，同時也無法做到實時探測不規則振動，無法滿足實際應用的需求。另外這類系統一般沒有采用偏振方向控制裝置對參考光和物光的線偏振方向進行調整，不利于散射光干涉成像。

發明內容
本發明提出一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，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、原位探測方式同時獲取待觀測物體表面一定區域內多個位置的振動信息，實現微振動面探測。本發明的一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，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。光源用于為本發明微振動實時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用于將光源發射的激光進行偏振方向的調整和偏振分光棱鏡配合實現透射光和反射光的光強比連續可調，而半波片B用于調整偏振分光棱鏡的透射光的偏振方向；采用半波片C可以調整偏振分光棱鏡的反射光的偏振方向；通過旋轉半波片B、半波片C使得線偏透射光、反射光的偏振態改變，使兩路線偏光的偏振態同為45度，并 實現兩束線偏光相干疊加，得到包含振動信息的數字全息圖。同時通過分別調節連續可調衰減器A和連續可調衰減器B可以調節兩束線偏振光的總光強及光強比，進而通過控制參考光和散射光的光強比，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，可以連續高速的記錄數字全息圖，提高可探測的物體表面振動頻率范圍。本發明的優點在于:(I)本發明的分光單元可以同時輸出兩束線偏振光，并精確控制照明光和參考光的偏振態和光強比；(2)本發明通過改變線偏振參考光的偏振方向，和包含有物體振動信息的散射光發生干涉，可以在較大照明光照射物體的角度范圍內(-15° +15° )，記錄包含物體表面一定區域內多個位置振動信息的數字全息圖，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和具有物體振動信息的線偏振散射光14a在消偏振分光棱鏡上進行合光，利用高速CMOS相機以數字全息記錄的方法連續高速實時地獲取包含待探測物體表面振動信息的數字全息圖，進而探測出物體表面相機拍攝區域內多個位置的振動情況，實現微振動面探測；(4)本發明觀測裝置結構緊湊，操作方便，尤其適用于對照射角度有特殊要求的物體面微振動探測。


圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明分光單元的結構示意圖。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.連續可調衰減器A 205.半波片C206.連續可調衰減器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
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。如圖1、圖2所示，本發明是一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，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、連續可調衰減器A204、半波片C205和連續可調衰減器B206。本發明設計的一種基于數字全息的微振動實時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經分光單兀2進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順次經空間濾波器A301、平凸透鏡A302后，經反射鏡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順次經空間濾波器B303、平凸透鏡B304后，經反射鏡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對入射的參考光4a、具有物體表面振動信息的散射光14a進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。在本發明中，由分光單元2分出的線偏振光A21經空間濾波器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。在本發明中，由分光單元2分出的線偏振光B22經光照明單元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記錄數字全息圖。然后通過圖像采集單元6高速連續采集的多幅數字全息圖運用數字方法進行相位提取，從而實時獲得物體表面的振動情況。在本發明中，光源I用于為本發明一種基于數字全息的微振動實時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用于將光源發射的激光Ia進行偏振方向的調整和偏振分光棱鏡配合實現透射光Ib和反射光Ic的光強比連續可調，而半波片B203用 于調整偏振分光棱鏡202的透射光Ib的偏振方向；采用半波片C205可以調整偏振分光棱鏡202的反射光Ic轉化的線偏振光B22的偏振方向；通過旋轉半波片B203使得線偏透射光Ib的偏振態改變，通過旋轉半波片C205使得線偏透射光Ic的偏振態改變，實現偏振方向同為45度的兩束線偏光相干疊加，得到包含振動信息的數字全息圖。同時通過連續可調衰減器204A、連續可調衰減器B206來調整線偏振光A21和線偏振光B22的總光強(不超過圖像采集單元(6)的光強探測范圍)及光強比(3:7 1:1)，來控制參考光4a和散射光14a的光強比，從而提高了參物光干涉圖像的信噪比。 在本發明中，半波片A201、半波片B203和半波片C205可以改變入射線偏振光的偏振方向，可以選取北京大恒光電公司生產的GCL-060411型號的石英零級半波片。在本發明中，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的GCC-401102型號的偏振分光棱鏡。在本發明中，連續可調衰減器A204和連續可調衰減器B206可根據圓盤的旋轉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的GC0-0704M圓形可調衰減器/分光鏡。在本發明中，空間濾波器A301和空間濾波器B303可以對一束入射的激光光束進行空間濾波，得到均勻的出射光斑，選取北京大恒光電公司生產的GCM-OlM型空間濾波器。在本發明中，平凸透鏡A302和平凸透鏡B304用于對空間濾波器A301和空間濾波器B303近似點光源出射光擴束為一定尺寸的平行光。選用北京大恒光電公司生產的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的GCM-2701381M型號透鏡/反射鏡支架。在本發明中，反射鏡A4和反射鏡B7可以選取北京大恒光電公司生產的GCC-102102型號反射鏡，安裝在北京大恒光電公司生產的GCM-082305M型號二維調整架。在本發明中，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.公司生產的NT49-004型號消偏振分光棱鏡。本發明裝置用于對選定區域內的多個位置同時進行實時微振動探測，被測振動頻率超過2KHz。本發明裝置的照明光7a從角度范圍:-15° +15°照射物體時，均可對被測目標進行微振動探測。

在本發明中，圖像采集單元6可以選取德國Mikrotron公司生產、型號為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、信號接口為camera link總線的CMOS相機。在降低拍攝分辨率、縮小拍攝窗口至80X32像素，曝光時間降低至18 μ s的條件下,巾貞頻可提高至44100fps。圖像采集單元6能夠連續高速獲取的多幅含有散射光微振動信息的數字全息圖像，提高裝置的振動頻率探測范圍，最高可探測頻率為3000Hz的振動。
權利要求
1.一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，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)、連續可調衰減器A (204)、半波片C (205)和連續可調衰減器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，連續可調衰減器A (204)位于半波片A (201)之后，連續可調衰減器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)、連續可調衰減器A (204)后，得到線偏振光A (21 )，反射光(Ic)通過半波片C (205)、連續可調衰減器B (206)后，得到線偏振光B (22)； 線偏振光A (21)順次經空間濾波器A (301)、平凸透鏡A (302)后，經反射鏡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)順次經空間濾波器B (303)、平凸透鏡B (304)后，經反射鏡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)對入射的參考光(4a)、具有物體表面振動信息的散射光(14a)進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)的偏振態都改變至45度，實現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信息的數字全息圖，同時通過調整連續可調衰減器A (204)和連續可調衰減器B (206)對線偏振光A (21)和線偏振光B (22)的總光強及光強比進行調節，使得總光強不超過圖像采集單元的探測范圍，且該光強比為3:7 1:1。
2.根據權力要求I所述的一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，其特征在于，所述的圖像采集單元(6)采用高速CMOS相機。
3.根據權力要求I所述的一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，其特征在于，裝置用于對選定區域內的多個位置同時進行實時微振動探測，也即實時微振動面探測，被測振動頻率最大為3KHz。
4.根據權力要求I所述的一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，其特征在于，照明光(7a)從角度范圍:-15° +15°照射物體時，均可對被測目標進行微振動探測。
全文摘要
本發明公開了一種基于數字全息的微振動實時面探測裝置，分光單元將接收的激光分為兩束線偏振光后，分別輸入兩個空間濾波器；一束線偏振光順次經平凸透鏡、反射鏡后成為參考光進入消偏振分光棱鏡；另一束線偏振光順次經平凸透鏡、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入消偏振分光棱鏡，然后輸出至圖像采集裝置。本發明在較大照射光角度范圍內獲得包含物體表面一定區域內多個位置的全息圖；利用高速CMOS相機連續高速拍攝數字全息圖，提高裝置的振動頻率探測范圍，實現物體表面一定區域內多個位置微振動實時探測；以非接觸、原位探測方式同時獲取待探測物體表面相機拍攝區域內多個位置的振動信息，實現微振動面探測。
文檔編號G01H9/00GK103217209SQ20131012446
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月11日 優先權日2013年4月11日
發明者肖文, 叢琳, 潘鋒, 張兆海, 張鑫 申請人:北京航空航天大學