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反遠(yuǎn)距成像相移剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)

2014-06-23 13:52李翔宇李秀明黃戰(zhàn)華
激光技術(shù) 2014年1期
關(guān)鍵詞:光路散斑平面鏡

朱 猛,李翔宇,李秀明,黃戰(zhàn)華

反遠(yuǎn)距成像相移剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)

朱 猛,李翔宇,李秀明,黃戰(zhàn)華

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

為了擴(kuò)大傳統(tǒng)剪切散斑干涉儀的檢測(cè)視場(chǎng),設(shè)計(jì)了一種反遠(yuǎn)距成像邁克爾遜式剪切散斑干涉系統(tǒng)。采用負(fù)透鏡組與標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭組成反遠(yuǎn)距成像系統(tǒng),分析了光路的成像參量,并利用ZEMAX軟件進(jìn)行了模擬;討論了發(fā)散光路時(shí)間相移的非均勻性,采用等步長(zhǎng)相移算法進(jìn)行相位解算可以彌補(bǔ)非均勻誤差;并對(duì)中心加載的橡膠平板進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明,該系統(tǒng)能有效地?cái)U(kuò)大成像視場(chǎng),采用3片焦距為-75mm的平凹鏡片可以實(shí)現(xiàn)70°視場(chǎng)角的散斑干涉檢測(cè),通過調(diào)整平凹鏡片的焦距和數(shù)量可以實(shí)時(shí)調(diào)整成像視場(chǎng)。

激光技術(shù);散斑干涉;反遠(yuǎn)距成像;視場(chǎng)

引 言

在激光無損檢測(cè)領(lǐng)域中常采用剪切散斑干涉法進(jìn)行形變和振動(dòng)的檢測(cè),被相干光照明的物面發(fā)生形變,形變轉(zhuǎn)化為像面上散斑的變化,通過二次曝光進(jìn)行相減或相關(guān)運(yùn)算測(cè)量變形物理量[1-5]。按照干涉形成過程將剪切散斑干涉技術(shù)分為散斑參考光和平面參考光兩種。散斑參考光是一種自參考的干涉方式,具有照明光路和干涉光路可以分離的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛。為了計(jì)算出相位分布,常采用相移技術(shù)與剪切干涉相結(jié)合,其中最常用的光路就是邁克爾遜式時(shí)間相移干涉光路。將邁克爾遜干涉儀中一個(gè)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度實(shí)現(xiàn)剪切干涉,而另一個(gè)平面鏡則用來做相移元件,將壓電陶瓷與平面鏡綁定,通過改變參考光的光程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)相移。傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉形式受光路結(jié)構(gòu)的影響,其檢測(cè)視場(chǎng)有限[6]。為了滿足檢測(cè)的需要,特別是大尺寸全場(chǎng)測(cè)量,研究大視場(chǎng)檢測(cè)成像光路有重要意義。一種基于4f系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的大視場(chǎng)散斑成像系統(tǒng)采用廣角鏡頭與4f中繼成像的方式擴(kuò)大檢測(cè)視場(chǎng)[7-8],但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高,且整機(jī)封裝尺寸也較大。

作者綜合考慮檢測(cè)視場(chǎng)和檢測(cè)精度的要求,設(shè)計(jì)了一種反遠(yuǎn)距成像的邁克爾遜剪切散斑干涉系統(tǒng),采用負(fù)透鏡組和成像透鏡作為成像組合,在二者中插入邁克爾遜剪切干涉光路。這種結(jié)構(gòu)封裝尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用軟件模擬計(jì)算了反遠(yuǎn)距大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的參量,分析了大視場(chǎng)發(fā)散光經(jīng)過邁克爾遜干涉儀帶來的相移非均勻性誤差,采用等步長(zhǎng)相移算法可有效地抑制相移非均勻性帶來的影響。最后給出了大視場(chǎng)檢測(cè)與傳統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比。

1 光路結(jié)構(gòu)

采用邁克爾遜式光路作為相移剪切散斑干涉系統(tǒng)的基本原型,其光路變換靈活、結(jié)構(gòu)緊湊,適于集成化。如圖1所示的邁克爾遜式的相移剪切散斑干涉光路,兩個(gè)平面鏡M1和M2分別作為相移鏡和剪切鏡使用,由物面散射的散斑光場(chǎng)中A點(diǎn)出射光線經(jīng)過負(fù)透鏡組入射到分束鏡(beam splitter,BS)上,光束分為參考光和物光兩束并經(jīng)過成像鏡頭L2錯(cuò)位成像于A1和A2兩點(diǎn)。從幾何光學(xué)角度考慮,傳統(tǒng)的邁克爾遜式光路沒有前組鏡頭,成像視場(chǎng)角受分光棱鏡的孔徑限制,后組鏡頭不適合用短焦成像鏡頭,從而限制了檢測(cè)面積。

Fig.1 Optical path of retro-focus imaging Michelson interferometry

采用反遠(yuǎn)距成像光路是獲得廣角成像的常用方法,也稱為廣角長(zhǎng)工作距系統(tǒng)。其特點(diǎn)是后截距大于焦距,分為前組和后組兩部分,前組一般為負(fù)透鏡組,后組一般為正透鏡組。前后組之間的距離應(yīng)滿足插入邁克爾遜光路的尺寸要求,因此光路較長(zhǎng),后組成像物鏡適合采用長(zhǎng)焦距,一般25mm~35mm的成像物鏡視場(chǎng)角在20°左右,前組為多片負(fù)透鏡的組合,要實(shí)現(xiàn)整體視場(chǎng)角為70°,前組組合的角放大率至少為3。一般單負(fù)透鏡的角放大率在1.3~1.5之間,所以至少需要兩片負(fù)透鏡,要實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)角可以增加負(fù)透鏡的數(shù)量。

前組采用3片焦距為-75mm的平凹鏡片,成像物鏡焦距為25mm,分光棱鏡和平面反射鏡的孔徑為25.4mm,所有玻璃材料均為BK7。將分光棱鏡展開并忽略反射鏡,在ZEMAX軟件中模擬光路結(jié)構(gòu),如圖2所示。前組鏡片和分光棱鏡之間的距離為10mm,分光棱鏡與平面反射鏡之間的距離均為2mm。后組成像鏡頭的孔徑光闌用于控制散斑尺寸,實(shí)現(xiàn)靈敏度和檢測(cè)精度可調(diào)。

Fig.2 Simulation optical setup results by ZEMAX

圖3 中模擬了2片~4片成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖輸出,使用6.4mm×8.53mm CCD作為圖像采集單元。從模擬結(jié)果中可以看出,采用3片平凹鏡片的半視場(chǎng)角達(dá)到35°,采用4片鏡片可以達(dá)到50°以上。視場(chǎng)角過大會(huì)使成像亮度不均勻,導(dǎo)致散斑檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比度下降。綜合考慮,作者采用3片式結(jié)構(gòu)作為大視場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方案。

Fig.3 Simulation spot diagram results by ZEMAX

2 相位計(jì)算與誤差

相移誤差的來源包括了線性關(guān)系的誤判、非線性靈敏度和相移非均勻性[9]。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的平面鏡相移的方法在平面鏡位移的同時(shí)伴隨著傾斜效應(yīng),相移誤差有兩種來源:即光線平行度誤差與平面鏡傾斜誤差。由于采用了反遠(yuǎn)距成像,光線將發(fā)散入射至平面鏡,所以矯正平面鏡的傾斜角也無法彌補(bǔ)相移的非均勻性。

如圖4a所示的平面鏡反射光路,光線I以α角入射至平面鏡,I1和I2為平面鏡位移距離d前后的反射光線。光線移動(dòng)前后的相位差為:

式中,λ為入射光波長(zhǎng)。

Fig.4 Schematic of phase shift error

可見當(dāng)光線入射到平面鏡上且有一定的發(fā)散角時(shí),產(chǎn)生的相移非均勻性與cosα成正比,若采用標(biāo)準(zhǔn)的3步或4步相移的方法會(huì)導(dǎo)致很大的計(jì)算誤差??紤]更一般的情況(如圖4b所示),當(dāng)平面鏡有一傾角β時(shí),修改后的相移公式為φ′=4πdλ-1× cosαsinβ??梢酝ㄟ^調(diào)整孔徑的大小限制發(fā)散角度,但非均勻性仍存在,且對(duì)相位計(jì)算影響較大。當(dāng)傾斜角β和光線與平面鏡夾角α固定后,相移量是隨著d線性變化的。雖然像面上各點(diǎn)的相移量不同,但每一點(diǎn)隨平面鏡位移產(chǎn)生的相移是固定的,采用均勻性誤差補(bǔ)償?shù)南辔唤馑惴椒梢詮浹a(bǔ)光路結(jié)構(gòu)的不足[10-11],其中運(yùn)算速度快、解法簡(jiǎn)單的就是Carre算法。采用Carre算法能夠有效地抑制光線不平行帶來的相移不均。只要平面鏡角度固定,相位與位移是線性關(guān)系,這樣就保證了相移量的固定。但不同點(diǎn)處的相移量不同會(huì)導(dǎo)致非線性誤差抑制能力的不同。

將相移量看作是未知量,如果認(rèn)為每個(gè)相移點(diǎn)之間的間隔是相等的,某一時(shí)刻像面上任意一點(diǎn)的光強(qiáng)表示為:

式中,I0和v(i,j)分別為平均光強(qiáng)和調(diào)制系數(shù),φ(i,j)為待求相位,δ(i,j)為相移量??梢詫⑾辔豁?xiàng)看作是以k為離散時(shí)間變量、且以δ(i,j)為周期的余弦函數(shù)序列,上式進(jìn)一步寫為:

其中:

由(4)式得知所求相位的正弦tanφ(i,j)=-A3/A2,當(dāng)k分別為1,2,3,4,且δ(i,j)為一常量時(shí),可以得到測(cè)量時(shí)刻t的散斑場(chǎng)相位分布為:

當(dāng)形變發(fā)生前后,由(5)式計(jì)算形變導(dǎo)致的相位差可以消去3δk/2項(xiàng),兩次測(cè)量時(shí)刻t1和t2之間的相位差Δφ=φt1-φt2,其中φt1為初始狀態(tài)相位分布,φt2為形變后相位分布。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確地標(biāo)定壓電陶瓷線性區(qū)間是采用Carre算法的必要前提[11],常用的壓電陶瓷位移測(cè)量分為接觸式和非接觸式兩種,非接觸的光學(xué)方法有激光干涉法和圖像相關(guān)成像法[12-13],由于壓電陶瓷的位移與機(jī)械安裝方式有直接關(guān)系,所以作者直接采用邁克爾遜干涉光路進(jìn)行標(biāo)定。將前組和后組鏡頭去掉,用波長(zhǎng)為532nm準(zhǔn)直激光照明,連續(xù)變換驅(qū)動(dòng)電壓得到不同電壓驅(qū)動(dòng)條件下的干涉圖樣序列如圖5所示。因?yàn)橹粯?biāo)定線性區(qū)間,可以直接采用位移像素?cái)?shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)干涉圖序列抽取1維正弦曲線,通過擬合求出條紋位移得到位移像素?cái)?shù)與電壓之間的關(guān)系,如圖6所示。

Fig.5 Interferogram serials with voltage varies from 0V to 100V

Fig.6 Displacement curves with voltage varies from 0V to 100V

圖6 表明位移存在分界區(qū)域,0V~40V和50V~100V的位移曲率不同。條紋周期為276像素,考慮位移較大帶來的回程誤差增大,Carre算法在相移π/2以上精度較高,選擇50V~70V區(qū)間作為壓電陶瓷電壓驅(qū)動(dòng)范圍。

3.2測(cè)量實(shí)驗(yàn)

Fig.7 Wrapped phase map of centre loaded

采用了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉光路和大視場(chǎng)成像光路分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,如圖1中的光路結(jié)構(gòu),去掉前置鏡組,單獨(dú)使用后組成像鏡頭進(jìn)行測(cè)量。對(duì)四周固緊的橡膠板進(jìn)行加載,橡膠板直徑為5cm。釋放應(yīng)力后測(cè)量橡膠板恢復(fù)形變。成像單元采用1280pixel×960pixel,6.4mm×8.53mm的CCD。成像距離為320mm。

物面形變過程中實(shí)時(shí)采集4幅光強(qiáng)圖計(jì)算相位分布,不同時(shí)刻所測(cè)量的形變包裹相位如圖7a所示;加入前置鏡組,準(zhǔn)確調(diào)焦后,得到的大視場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如圖7b所示。圖7b中所測(cè)量5cm的物面形變清晰可見,但如果視場(chǎng)過大會(huì)降低檢測(cè)分辨率,導(dǎo)致解包裹誤差增大。本文中所采用的方法適合大面積的檢測(cè)情況,檢測(cè)時(shí)需綜合考慮分辨率和檢測(cè)面積。所測(cè)結(jié)果中噪聲較大,這是由物面動(dòng)態(tài)形變導(dǎo)致的。時(shí)間相移過程中物面發(fā)生了變化,這也是時(shí)間相移在動(dòng)態(tài)測(cè)量中使用的局限。作者下一步工作將研究用于動(dòng)態(tài)測(cè)量使用的大視場(chǎng)檢測(cè)方法。

4 結(jié) 論

利用反遠(yuǎn)距成像原理,采用邁克爾遜式干涉光路,設(shè)計(jì)了大視場(chǎng)相移剪切散斑干涉位移檢測(cè)系統(tǒng)。分析了發(fā)散光路帶來的相移誤差,檢測(cè)過程中采用等步長(zhǎng)相移算法克服了相位非均勻誤差。采用干涉法標(biāo)定壓電陶瓷的線性區(qū)間并給出了電壓區(qū)間選擇的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比了傳統(tǒng)檢測(cè)光路和大視場(chǎng)成像光路的檢測(cè)結(jié)果。需要更大視場(chǎng)角的條件下可以增加前組鏡片的數(shù)量或進(jìn)一步減小單個(gè)負(fù)透鏡的焦距。在滿足分辨率要求的前提下,使用大視場(chǎng)成像光路可以有效地?cái)U(kuò)大檢測(cè)面積,實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)、快速的缺陷檢測(cè)。

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Phase shifting and shearing speckle interferometry system with retro-focus imaging

ZHU Meng,LI Xiangyu,LI Xiuming,HUANG Zhanhua
(Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology of Ministry of Education,College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A retro-focus Michelson type shearing speckle interferometry imaging system was proposed to extend the field of view(FOV)for a speckle shearing interferometer.The retro-focus imaging system includes negative lens group and television lens.Analysis of the optical setup was taken out and the simulation was demonstrated by ZEMAX software.The phase shifting unit was a plane mirror attached with a piezo,the non-uniform phase difference caused by the tilted mirror was discussed.The equal-step Carre algorithm was used to calculate the phase map so that the non-uniform phase error was avoided.The experiment results of center loaded metal plane show this method can achieve large FOV detection system.A 70°FOV imaging system can be implemented by using three plano-concave lenses with-75mm focus length and the FOV can be adjusted by changing the focus length and number of lenses.

laser technique;speckle interferometry;retro-focus imaging;field of view

TN247

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.01.011

1001-3806(2014)01-0049-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61275009);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007BA000013);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20110032120059)

朱 猛(1984-),男,博士后,現(xiàn)主要從事全息與散斑檢測(cè)技術(shù)的研究。

E-mail:zhumeng@tju.edu.cn

2013-03-25;

2013-04-10

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