一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统及方法与流程

1.本发明涉及光电检测技术领域，具体涉及一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统及方法。


背景技术：

2.激光散斑干涉测量技术(espi)因其测量精度高、测量面积广、光路简单、对环境要求低等优点被广泛应用于物体表面变形精密测量以及材料无损检测中。
3.激光散斑干涉仪通常以干涉条纹相位图的形式给出测量结果，为了提高干涉条纹的测量精度，目前使用最为广泛的是时间相移法。时间相移法借助精密的压电陶瓷(pzt)驱动光学镜片，从而控制激光的相位精密移动，同时运用ccd相机捕捉相移图案，最后利用计算机进行计算获得干涉条纹相位图。然而在动态的测量应用中，得到的条纹图存在不稳定现象，也即是条纹出现抖动，给测量和检测带来误差。虽然ccd相机可以运用软件触发和延时的方式来捕获pzt相移图像，但是由于软件触发和延时的时间不可控会导致在测量过程中ccd并不能完全精确地捕捉指定相移图像，从而会导致相移条纹计算不准确，同时使得条纹的不稳定，这使得激光散斑干涉的应用受到了很大的限制。
4.为解决这个问题，有发明人提出了条纹抗干扰的技术。例如，中国专利cn202022357977.2就公开了一种高精度高稳定性电子散斑干涉实时相位测量系统，该系统采用方波驱动相机采图并运用三角波驱动pzt运动，利用方波的间隔周期同步触发pzt运动，从而保证相机采集捕捉到pzt运动产生的相移图像。然而，经本技术人进一步研究发现，该方法利用方波间隔周期触发pzt运动，这使得对方波信号发生电路的要求较高，在测量过程中方波的周期必须严格保持不变，否则触发的pzt信号将不准确从而使得相机不能精确捕捉到相应的相移图像；另外，运用相同的时间间隔采集三角波触发的pzt相移图，对三角波的斜率精度有较高的要求，也即三角波的斜率必须要是1；另外相机的曝光时间不一致性也将引起相移散斑图的捕捉误差。这些局限都导致该方法实现的困难。


技术实现要素：

5.本发明提出一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统及方法，既能保持传统散斑干涉相移法的精度，又能稳定动态的显示散斑干涉相位图，进而提高散斑干涉的测量精度，以解决上述提到的技术问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统，包括：
8.激光器，用做光源，发出激光；
9.压电陶瓷，可进行移动，且具有反射镜，所述反射镜用于反射激光并在物体表面产生相移散斑图；
10.相机，用于捕捉图像；
11.迈克尔逊干涉仪，用于产生干涉条纹；
12.信号同步模块，用于制作同步信号发生电路；
13.计算机，用于显示所述相机捕捉的图像，及计算干涉条纹图；
14.其中，所述同步信号发生电路能够产生方波信号和阶梯信号，所述方波信号和所述阶梯信号的上升沿同步，所述方波信号用于控制所述相机的图像采集，所述阶梯信号用于控制所述压电陶瓷的移动产生相移图；
15.所述阶梯波能够产生台阶电压，每个台阶的电压差值相等，且最大电压和最小电压差所对应的所述压电陶瓷运动的位移等于所述激光器的光源的一个波长。
16.进一步地，所述阶梯波可产生3步台阶电压、4步台阶电压、5步台阶电压。
17.进一步地，所述阶梯波产生4步台阶电压时，所述压电陶瓷分别产生0、λ/4、λ/2、3λ/4位移，对应的相位分别为0、π/2、π、3π/2，在物体表面生成相移相位的散斑图；所述相机在所述方波的控制下开始曝光，经过曝光时间t后，相机可精确捕捉到对应的散斑图，变形前的散斑图表示为：
[0018][0019]
变形后的散斑图表示为：
[0020][0021]
其中，r
i
(x，y)为变形前采集到的散斑图像，d
i
(x，y)为变形后采集到的散斑图像，i＝0，1，2，3；a(x，y)和b(x，y)分别为背景和幅值；为变形前的散斑相位。
[0022]
进一步地，所述计算机具有只负责计算相位差图像的独立计算线程，物体变形前后的散斑图均被相机精确的捕捉，计算可得到变形前的的相位分布为：
[0023][0024]
变形后的相位分布为：
[0025][0026]
将变形后的相位减去变形前的相位即可得到由于变形引起的相位差即干涉条纹：
[0027][0028]
进一步地，所述计算机可将所述相机捕捉的每幅散斑图分割为n等分，n为计算机cpu或gpu的核心数；
[0029]
变形前的图为：
[0030]
变形后的图为；
[0031]
其中i＝1，2，3，4；j＝1，2，3
…
n；j表示处理器核心编号；
[0032]
计算机处理器中每个核心中并行计算得到一幅干涉条纹：
[0033][0034]
将图像合并后得到完整的干涉条纹图：
[0035]
一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量方法，包括以下步骤：
[0036]
s1：搭建相移散斑干涉系统；
[0037]
s2：制作同步信号发生电路；
[0038]
s3：激光经过阶梯波控制下的压电陶瓷反射镜产生位移，在物体表面产生相移散斑图；
[0039]
s4：相机在同步方波以及曝光时间的控制下精确捕捉到散斑图；
[0040]
s5：捕捉得到变形前后的散斑图之后，新开辟一个线程用于计算相位图；
[0041]
其中，s1中搭建的干涉系统包括：
[0042]
激光器，用做光源，发出激光；
[0043]
压电陶瓷，可进行移动，且具有反射镜，所述反射镜用于反射激光并在物体表面产生相移散斑图；
[0044]
相机，用于捕捉图像；
[0045]
迈克尔逊干涉仪，用于产生干涉条纹；
[0046]
信号同步模块，用于制作同步信号发生电路；
[0047]
计算机，用于显示所述相机捕捉的图像，及计算干涉条纹图；
[0048]
其中，所述同步信号发生电路能够产生方波信号和阶梯信号，所述方波信号和所述阶梯信号的上升沿同步，所述方波信号用于控制所述相机的图像采集，所述阶梯信号用于控制所述压电陶瓷的移动产生相移图；
[0049]
所述阶梯波能够产生台阶电压，每个台阶的电压差值相等，且最大电压和最小电压差所对应的所述压电陶瓷运动的位移等于所述激光器的光源的一个波长。
[0050]
进一步地，所述阶梯波可产生3步台阶电压、4步台阶电压、5步台阶电压。
[0051]
进一步地，s4中，当所述阶梯波产生4步台阶电压时，所述压电陶瓷分别产生0、λ/4、λ/2、3λ/4位移，对应的相位分别为0、π/2、π、3π/2，在物体表面生成相移相位的散斑图；
[0052]
s5中，所述相机在所述方波的控制下开始曝光，经过曝光时间t后，相机可精确捕捉到对应的散斑图，变形前的散斑图表示为：
[0053][0054]
变形后的散斑图表示为：
[0055][0056]
其中，r
i
(x，y)为变形前采集到的散斑图像，d
i
(x，y)为变形后采集到的散斑图像，i
＝0，1，2，3；a(x，y)和b(x，y)分别为背景和幅值；为变形前的散斑相位。
[0057]
进一步地，s5中，所述计算机具有只负责计算相位差图像的独立计算线程，物体变形前后的散斑图均被相机精确的捕捉，计算可得到变形前的的相位分布为：
[0058][0059]
变形后的相位分布为：
[0060][0061]
将变形后的相位减去变形前的相位即可得到由于变形引起的相位差即干涉条纹：
[0062][0063]
进一步地，s5中，所述计算机可将所述相机捕捉的每幅散斑图分割为n等分，n为计算机cpu或gpu的核心数；
[0064]
变形前的图为：
[0065]
变形后的图为；
[0066]
其中i＝1，2，3，4；j＝1，2，3
…
n；j表示处理器核心编号；
[0067]
计算机处理器中每个核心中并行计算得到一幅干涉条纹：
[0068][0069]
将图像合并后得到完整的干涉条纹图：
[0070]
本发明的有益效果为：
[0071]
1、相比现有的三角波、正弦波或软件延时的pzt(压电陶瓷)控制方式，本发明提出的阶梯波与方波同步控制pzt和相机的方式，能精确快速地捕捉到需要的散斑相位图，进而完成精确的干涉条纹图计算。这种方式对电路要求低，不需要严格控制时间同步，只需要方波的上升沿和阶梯波上升沿同步即可实现所需要的目标。
[0072]
2、本发明中独立开辟的干涉条纹图计算线程，能有效避免因条纹图计算量大而使得相机图像采集无法和pzt同步问题，进一步确保获得精确稳定的干涉条纹图。
[0073]
3、较现有的条纹图单核计算方式，提出的方法采用在计算条纹图过程中运用多核并行计算，能将干涉条纹图计算效率较单核计算方法提高接近n倍(n为计算机的核心数)，进而较大程度提高了条纹的动态显示速度。
[0074]
4、本发明降低了测量隔振要求，提高了检测的可靠性。
附图说明
[0075]
图1为以4步相移法为例的相移散斑图精确控制与捕捉实现的示意图；
[0076]
图2为一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统结构示意图；
[0077]
图3为本发明中计算机相移图像采集线程和相位差条纹图计算显示线程分别运行的示意图；
[0078]
图4是根据本发明优选实施例中高精度散斑干涉相移条纹动态时序图像；
[0079]
图5为一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0080]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0081]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0082]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0083]
本发明提出一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量系统，包括：
[0084]
激光器，用做光源，发出激光；
[0085]
压电陶瓷，可进行移动，且具有反射镜，反射镜用于反射激光并在物体表面产生相移散斑图；
[0086]
相机，用于捕捉图像；
[0087]
迈克尔逊干涉仪，用于产生干涉条纹；
[0088]
信号同步模块，用于制作同步信号发生电路；
[0089]
计算机，用于显示相机捕捉的图像，及计算干涉条纹图；
[0090]
其中，同步信号发生电路能够产生方波信号和阶梯信号，方波信号和阶梯信号的上升沿同步，方波信号用于控制相机的图像采集，阶梯信号用于控制压电陶瓷的移动产生相移图；
[0091]
阶梯波能够产生台阶电压，每个台阶的电压差值相等，且最大电压和最小电压差所对应的压电陶瓷运动的位移等于激光器的光源的一个波长。
[0092]
用以上硬件同步驱动方式，加上相机的曝光时间，从而确保相机每次拍摄的散斑图均能精确地捕捉到需要的相位图，进而通过多步相移算法精确计算得到当前位置的相位。
[0093]
可选的，阶梯波可产生3步台阶电压、4步台阶电压、5步台阶电压。对于常用的3步、4步和5步相移法，阶梯波分别产生3步、4步和5步台阶电压，每个台阶的电压差值相等，且要求最大电压和最小电压差所对应的压电陶瓷运动位移等于所用激光光源的一个波长。需要说明的是，以下用4步相移法为例说明，3步和5步相移法类似。
[0094]
可选的，阶梯波产生4步台阶电压时，压电陶瓷分别产生0、λ/4、λ/2、3λ/4位移，对
应的相位分别为0、π/2、π、3π/2，在物体表面生成相移相位的散斑图；相机在方波的控制下开始曝光，经过曝光时间t后，相机可精确捕捉到对应的散斑图，变形前的散斑图表示为：
[0095][0096]
变形后的散斑图表示为：
[0097][0098]
其中，(x，y)为图像的空间像素坐标；r
i
(x，y)为变形前采集到的散斑图像，d
i
(x，y)为变形后采集到的散斑图像，i＝0，1，2，3；a(x，y)和b(x，y)分别为背景和幅值；为变形前的散斑相位。
[0099]
由于驱动压电陶瓷的移动的阶梯波和控制相机图像采集的方波为同步信号，能精确快速地捕捉到需要的散斑相位图，进而完成精确的干涉条纹图计算。这种方式对电路要求低，不需要严格控制时间同步，只需要方波的上升沿和阶梯波上升沿同步即可实现所需要的目标。
[0100]
可选的，计算机具有只负责计算相位差图像的独立计算线程，物体变形前后的散斑图均被相机精确的捕捉，计算可得到变形前的的相位分布为：
[0101][0102]
变形后的相位分布为：
[0103][0104]
将变形后的相位减去变形前的相位即可得到由于变形引起的相位差即干涉条纹：
[0105][0106]
开辟独立的干涉条纹图计算线程，能有效避免因条纹图计算量大而使得相机图像采集无法和pzt同步问题，进一步确保获得精确稳定的干涉条纹图。
[0107]
可选的，计算机可将相机捕捉的每幅散斑图分割为n等分，n为计算机cpu或gpu的核心数；
[0108]
变形前的图为：
[0109]
变形后的图为；
[0110]
其中i＝1，2，3，4；j＝1，2，3
…
n；j表示处理器核心编号；
[0111]
计算机处理器中每个核心中并行计算得到一幅干涉条纹：
[0112]
[0113]
将图像合并后得到完整的干涉条纹图：
[0114]
采用在计算条纹图过程中运用多核并行计算，能将干涉条纹图计算效率较单核计算方法提高接近n倍(n为计算机的核心数)，进而较大程度提高了条纹的动态显示速度。
[0115]
本发明还提出一种高精度散斑干涉相移条纹动态测量方法，包括以下步骤：
[0116]
s1：搭建相移散斑干涉系统；
[0117]
s2：制作同步信号发生电路；
[0118]
s3：激光经过阶梯波控制下的压电陶瓷反射镜产生位移，在物体表面产生相移散斑图；
[0119]
s4：相机在同步方波以及曝光时间的控制下精确捕捉到散斑图；
[0120]
s5：捕捉得到变形前后的散斑图之后，新开辟一个线程用于计算相位图；
[0121]
其中，s1中搭建的干涉系统包括：
[0122]
激光器，用做光源，发出激光；
[0123]
压电陶瓷，可进行移动，且具有反射镜，反射镜用于反射激光并在物体表面产生相移散斑图；
[0124]
相机，用于捕捉图像；
[0125]
迈克尔逊干涉仪，用于产生干涉条纹；
[0126]
信号同步模块，用于制作同步信号发生电路；
[0127]
计算机，用于显示相机捕捉的图像，及计算干涉条纹图；
[0128]
其中，同步信号发生电路能够产生方波信号和阶梯信号，方波信号和阶梯信号的上升沿同步，方波信号用于控制相机的图像采集，阶梯信号用于控制压电陶瓷的移动产生相移图；
[0129]
阶梯波能够产生台阶电压，每个台阶的电压差值相等，且最大电压和最小电压差所对应的压电陶瓷运动的位移等于激光器的光源的一个波长。
[0130]
可选的，阶梯波可产生3步台阶电压、4步台阶电压、5步台阶电压。
[0131]
可选的，s4中，当阶梯波产生4步台阶电压时，压电陶瓷分别产生0、λ/4、λ/2、3λ/4位移，对应的相位分别为0、π/2、π、3π/2，在物体表面生成相移相位的散斑图；
[0132]
s5中，相机在方波的控制下开始曝光，经过曝光时间t后，相机可精确捕捉到对应的散斑图，变形前的散斑图表示为：
[0133][0134]
变形后的散斑图表示为：
[0135][0136]
其中，r
i
(x，y)为变形前采集到的散斑图像，d
i
(x，y)为变形后采集到的散斑图像，i＝0，1，2，3；a(x，y)和b(x，y)分别为背景和幅值；为变形前的散斑相位。
[0137]
可选的，s5中，计算机具有只负责计算相位差图像的独立计算线程，物体变形前后的散斑图均被相机精确的捕捉，计算可得到变形前的的相位分布为：
[0138][0139]
变形后的相位分布为：
[0140][0141]
将变形后的相位减去变形前的相位即可得到由于变形引起的相位差即干涉条纹：
[0142][0143]
可选的，s5中，计算机可将相机捕捉的每幅散斑图分割为n等分，n为计算机cpu或gpu的核心数；
[0144]
变形前的图为：
[0145]
变形后的图为；
[0146]
其中i＝1，2，3，4；j＝1，2，3
…
n；j表示处理器核心编号；
[0147]
计算机处理器中每个核心中并行计算得到一幅干涉条纹：
[0148][0149]
将图像合并后得到完整的干涉条纹图：
[0150]
需要说明的是，s4中，捕捉得到变形前后的散斑图之后，新开辟一个线程用于计算相位图，并且将所有分割为n块，n是计算机的核心数。计算过程参照上述公式，然后为提高相位图的动态显示速度，对每块图像分别进行相位计算，将每块图像分配至cpu或gpu的核心中进行并行计算，则变形前的的相位分布为：
[0151][0152]
变形后的相位分布为：
[0153][0154]
从而在每个处理器核心中可求出变形引起的相位差图，也即干涉条纹图这些干涉条纹在互不干扰的情况下，快速完成计算，最后对这些干涉条纹图进行合并，并显示。
[0155]
需要说明的是，在第二个变形状态中，相机只需要采集当前状态的一幅散斑图像d5，并将其代替图像d1，用同样的并行计算方式得到该变形状态的相位差条纹图。同样，在下一个变形状态，只需要更新当前状态的一幅散斑图，并与最近时刻采集的三幅散斑图作为该变形状态的四步相移图参与计算，从而快速得到该变形状态的相位差条纹图。不断重复这个步骤，即可增加干涉条纹图的显示速度，其干涉条纹显示速率与计算机核心数有关，对于完整图像的干涉条纹图计算时间约需要100ms，也即相位图显示只能达到10fps，而对
于多核心并行计算算法(本实施例计算机核心数为8)，提出的方法能提高计算速率的7
‑
8倍，也即显示帧率能达到70
‑
80fps，真正实现了散斑干涉条纹图高精度快速稳定测量(实际测量条纹图如图4所示)。
[0156]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。