本發(fā)明涉及一種多波長振動探測系統(tǒng)，其實際是一種基于實時短相干多波長無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的大縱深振動檢測裝置。

背景技術：

數(shù)字全息作為一種光學全息術和數(shù)字圖像采集、數(shù)值化處理相結合的成像技術，近二十年來隨著數(shù)字技術的發(fā)展，其應用研究領域越來越廣泛。高速圖像傳感器和計算機技術的發(fā)展并在數(shù)字全息技術中的應用，使基于數(shù)字全息技術的振動檢測得到了快速發(fā)展。全息技術能夠將完整的物體信息以干涉強度場的形式記錄下來，數(shù)字全息技術將光電探測器記錄的干涉譜在計算機中通過數(shù)值化衍射再現(xiàn)和相關圖像處理同時獲得物體幅度和相位信息。由相位信息能夠獲得物體的各點的高度或厚度，當目標產(chǎn)生如振動等引起的軸向位移時，相位信息隨著光程差變化而產(chǎn)生變化，只需對兩次記錄的相位信息作差便能夠獲得全息圖上各點的振動量。

基于數(shù)字全息的振動測量技術，包括以下優(yōu)點：(1)以非接觸方式獲取物體復振幅信息、對觀測目標影響非常小、系統(tǒng)結構簡單；(2)數(shù)字全息技術后期的全數(shù)值化處理過程，使復雜的衍射過程在計算機中實現(xiàn)，并能方便地運用數(shù)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；(3)能夠量度沿光傳播方向與光波長尺度相聯(lián)系的光程差，因此，能夠準確量化的微小振動。

另一方面，目前基于數(shù)字全息成像的振動檢測技術仍存在以下缺點：①光電探測器件的圖像采集、傳輸速率是影響該方法的關鍵因素，振動頻率范圍較大，而較低的相機速率往往不能滿足高頻振動目標的檢測，因此這種方法通常被用于振動模態(tài)的檢測；②這是一種類面振動檢測方法，采樣點多，導致其后計算衍射和圖像處理過程較耗時，對頻率較高的振動不能實現(xiàn)實時檢測；③數(shù)字全息只能直接獲得不大于光波長的軸向振動幅度的檢測，而當振幅較大時，會引起相位跳變，需要進一步解包裹，增大計算量不利于實時檢測，且使檢測結果依賴于解包裹算法降低檢測結果的可靠性；④散斑是相干成像的固有噪聲，對小尺度測量和細節(jié)成像影響較大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明給出了一種基于多波長傅里葉變換數(shù)字全息的大幅度振動檢測裝置，系統(tǒng)采用雙波長數(shù)字全息光路。首先該系統(tǒng)同時由兩個激光器發(fā)出的光形成干涉場，干涉譜和解算得到的再現(xiàn)場對應著復合的光波長，有效復合光波長可以達到一百微米，能夠直接實現(xiàn)對較大振幅的振動量檢測，而無需復雜的解包裹過程，有利于系統(tǒng)對振動頻率較高的目標進行實時檢測和解算；其中一個的激光器波長固定，另一個激光器的波長范圍可調(diào)諧，可以通過選擇不同的可調(diào)諧波長獲得十幾到一百微米范圍復合波長，擴大了該系統(tǒng)的縱深檢測范圍，能夠實現(xiàn)不同尺度振動幅度的高精度檢測。其次，采用短相干的激光光源，光源相干性的降低能夠極大地降低成像中的散斑噪聲，從而提高成像質量和振動目標各點振動量的探測準確度，但是短相干光源的引入對參考光和物光光路的光程匹配提出了要求，因此系統(tǒng)在參考光路中設置了光程補償單元，調(diào)節(jié)參考光與物光光程差在相干長度范圍內(nèi)。再次，由于實際數(shù)字衍射再現(xiàn)過程計算較繁瑣，而傅里葉變換數(shù)字全息的計算最簡便，直接可以通過全息圖的一次傅里葉變換得到再現(xiàn)場，系統(tǒng)在參考光和物光中分別增設透鏡將參考光和物光成像，通過調(diào)節(jié)透鏡的位置使成像位置位于平行于相機光敏面的同一平面上，滿足無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的特點，因此再現(xiàn)過程可通過一次FFT算法實現(xiàn)再現(xiàn)場的快速輸出，使本發(fā)明能夠實現(xiàn)高頻大振幅的振動測量和實時解算。

本發(fā)明是一種基于多波長無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的大縱深振動幅度檢測裝置，該系統(tǒng)中的光學裝置包括光源、分光單元、準直單元、光路補償單元、成像透鏡、反射鏡、消偏振分光棱鏡、圖像采集裝置。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)能夠實現(xiàn)對應大縱深的振動幅度檢測，有效可測縱向振動位移范圍較大，可達十幾微米到近一百微米；

(2)采用短相干光源，有利于散斑噪聲的抑制，從而提高成像質量和振動檢測精度；

(3)采用透鏡對參考光和物光分別成像，使物光成像面與參考光會聚成的像點關于相機表面處于同一平面，形成無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息結構光路，因此數(shù)值再現(xiàn)過程無需復雜的衍射計算，而僅通過一次FFT實時快速的解算獲得位相信息，進而獲得相應的振動信息。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于多波長無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的振動檢測裝置結構流程圖。

圖2是本發(fā)明分光單元的光路傳輸結構圖。

圖3是本發(fā)明光路補償單元的結構和光路傳輸示意圖。

圖4是本發(fā)明本發(fā)明裝置的實施方式結構圖。

1 光源B 2 第一反射鏡 3 第一分光單元

4 第一準直擴束裝置 5 第一光程補償裝置 6 第一透鏡

7 第三反射鏡 8 消偏振分光棱鏡 9 光源A

10 第二反射鏡 11 第二分光單元 12 第二準直擴束裝置

13 第二光程補償裝置 14 第二透鏡 15 第四反射鏡

16 分光棱鏡 17 第三準直擴束裝置 18 第四反射鏡

19 振動目標 20 成像透鏡 21 合光棱鏡

22 CMOS相機

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1、圖4所示，本發(fā)明是一種基于多波長無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的振動探測系統(tǒng)，該裝置包括光源A、光源B、兩組分光單元、三組準直單元、兩組光路補償單元、三個成像透鏡、若干反射鏡、三個消偏振分光棱鏡和CMOS圖像采集裝置。

如圖1，本發(fā)明的光路連接及相關信息的形成過程為：

光源1和光源9發(fā)出光λ₁和λ₂先分別經(jīng)過反射鏡2和反射鏡9實現(xiàn)光束傳播方向90度偏轉，再經(jīng)過各自的分光單元3、11，分別形成偏振方向相互垂直的兩路光3a、3b和11a、11b；

透射光3a、11a被選作系統(tǒng)的參考光，分別經(jīng)過準直擴束裝置4和12形成均勻平行光4a和12a，然后經(jīng)過光程補償裝置5和13，保證參考光與物光在光源的相干長度范圍內(nèi)，再分別通過透鏡6和14，透射光6a還經(jīng)過了反射鏡7使光束傳播方向偏轉90度，透射光14a和7a分別先會聚于透鏡6和14的后焦點位置，然后參考光分別相當于由該兩焦點發(fā)射的球面波，兩束球面波經(jīng)由消偏振分光棱鏡8合成同軸光8a+8b，再經(jīng)過合光棱鏡21，最后到達CMOS相機22；

分光單元3和11分出的反射光3b、11b被選作物體的入射光，11b光束先經(jīng)過反射鏡15實現(xiàn)方向偏轉，反射光15a與3b由分光棱鏡16合成為同軸光16a+16b，經(jīng)過準直擴束裝置17調(diào)制為平行光17a，再由反射鏡18直接照射到振動目標19表面，振動目標的反射光19a為系統(tǒng)檢測的物光，物光經(jīng)過成像透鏡20在其后方成像，成像面后的物光可以看作是該成像面發(fā)出的空間光20a，成像面位置、透鏡6后焦點和透鏡14后焦點，三者與相機表面的距離相等，即相當于位于離相機表面距離相等的同一平面上，從而滿足無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的條件，物光經(jīng)過分光棱鏡21反射到CMOS相機22；

物光21b與參考光21a在CMOS相機22表面發(fā)生干涉，數(shù)字采集系統(tǒng)同時記錄和處理干涉圖。

(一)光源A、光源B

本發(fā)明包括兩個短相干激光光源，相干長度一般在幾十毫米。光源A產(chǎn)生單一波長的光1a；光源B應為波長連續(xù)可調(diào)諧的激光器。在本發(fā)明具體設計中，光源A提供中心波長為638nm的單縱模激光，可以選用法國Oxxius公司生產(chǎn)的型號為LBX-638的激光器。該激光光源是固體激光器，功率為100mw。光源B為中心波長范圍為635nm-682nm的可調(diào)諧激光器，可以選取韓國NANOBASE公司生產(chǎn)的型號為Xperay-TL-STD的激光器，本裝置的激光器能夠實現(xiàn)波長的連續(xù)可調(diào)，波長差可精確至0.001nm，理論上相應的合成波長可達幾十厘米，能有效提高縱向測量范圍。然而，較大復合波長對每個波長的穩(wěn)定性提出了很高的要求，波長很微小的偏移可能會導致合成波長產(chǎn)生較大誤差，因此在實際中需要根據(jù)光源選擇適當?shù)牟ㄩL差，一般的合成波長在十幾到一百微米范圍時得到的檢測結果較可靠。

(二)反射鏡2、7、10、15、18

反射鏡用于轉折光束，使光傳播方向發(fā)生偏轉，因此也稱為光束方向偏轉器。如空間光1a輸出至反射鏡2，反射光2a在空間上偏轉了90°。其余的反射鏡都與之相似。在本發(fā)明設計中反射鏡可選取北京大恒光電公司的GCC-102102型反射鏡。

(三)分光單元3、分光單元11

分光單元3和11組成結構相同，因此附圖僅給出了分光單元3的結構示意圖。如圖2所示，分光單元3包括可調(diào)衰減器3-1、半波片3-2、偏振分光棱鏡3-3、半波片3-4。分光單元3用于將光2a分為空間光3a和3b輸出，并可改變兩路光的光強比(一般為1:5～5:1)。其中調(diào)衰減器3-1用于調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的光強，半波片3-2實際是起偏器，偏振分光棱鏡3-3將光分為偏正方向不變的透射光3a和偏正方向與入射光方向正交的反射光3b，因此本設計中可以通過旋轉位于透射光路中的半波片3-4改變其與半波片3-2光軸的夾角，從而改變出射透射光3a光強，實際最終可調(diào)節(jié)進入?yún)⒖脊饴泛臀锕夤饴返墓鈴姳取?/p>

在本發(fā)明中，可調(diào)衰減器3-1可選取北京大恒光電公司的GCO-0701M型圓形可調(diào)衰減器；半波片3-2、3-4可選取北京大恒光電公司的GCL-060411型石英零級半波片；偏振分光棱鏡3-3可以選取北京大恒光電公司的GCC-402102型偏振分光棱鏡。

分光單元11與分光單元3結構和實施方式相同。

(四)準直裝置4、12、17

準直裝置用于擴束并產(chǎn)生光強均勻的平行光，在本發(fā)明中由焦距較小的顯微物鏡、空間濾波器和平凸透鏡組成；以準直裝置4為例，顯微物鏡將入射的空間光3a會聚于一點，而在該會聚點設置空間濾波器能消除雜散光使該點更接近理想的點光源，平凸鏡的前焦點與該點重合，使出射光4a為平行光。本發(fā)明中，對兩路參考光和合成物光都進行了準直擴束處理，準直裝置12、17組成設計與準直裝置4相同。本發(fā)明設計由北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCO-01M型空間濾波器和GCL-010147型平凸透鏡組合而成。

(五)光程補償單元5、13

光程補償單元也稱光路延遲裝置用于補償參考光路的光程以保證參考光和物光產(chǎn)生干涉。光程補償裝置5和13完全相同，以光程補償裝置5為例。如圖3所示為該單元的結構簡圖，本發(fā)明中該單元主要由兩個三角棱鏡5-1、5-2和兩個反射鏡5-3、5-4組成，其中三角棱鏡固定于一個三維精密平移臺上，由于三維平移臺較復雜在圖中未描述，平移臺上設置位移導軌，如圖中箭頭所示，三角棱鏡能沿箭頭方向移動，從而能夠通過調(diào)節(jié)棱鏡在位移導軌上的位置改變參考光光程，反射鏡用于轉折光傳播方向?？蛇x用北京北光世紀儀器有限公司生產(chǎn)的PTS101M型精密位移臺。

(六)成像透鏡6、14、20

成像透鏡6、14分別將入射的平行參考光5a、13a會聚于透鏡的后焦點上，出射光6a、14a為球面波。攜帶目標信息的入射光19a經(jīng)過成像透鏡20，透射光20a在透鏡后方形成物體的像，如圖4的光路結構示意圖中所示，參考光會點P1、P2和物體像面II’關于相機光敏面位置相匹配時，滿足無透鏡傅里葉變換全息的條件。在本發(fā)明中每個成像透鏡都安裝于一維位移導軌上，可沿光路方向精細調(diào)制位置。平移臺可選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCM-150101M型齒輪齒條移動臺。

(七)分光棱鏡8、16、21

分光棱鏡8、16、21在本發(fā)明中用于將傳播方向垂直的兩束光合成為一束同軸光。如分光棱鏡8將參考光7a和14a合成為8a+8b，而分光棱鏡21將參考光8a+8b和物光20a合成傳播方向相同的光束21a+21b。選取新加坡Edmund Optics Singapore Pte Ltd.公司生產(chǎn)的NT49-004型號消偏振分光棱鏡。

(八)CMOS相機22

CMOS相機9用于記錄數(shù)字全息圖，可以選取加拿大Lumenera公司的CMOS相機，其型號為LU125M-WOIR，分辨率為1280×1024像素，最高幀頻15fps，光敏面尺寸2/3英寸，數(shù)據(jù)接口為USB2.0。

本發(fā)明是一種基于實時多波長無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的大縱深低噪聲振動檢測裝置。在本發(fā)明設計中同時考慮了影響數(shù)字全息測振的縱深限制、數(shù)值衍射復雜耗時、散斑噪聲三方面問題。有效縱深范圍決定了系統(tǒng)能夠直接檢測的振幅范圍，通常由形成干涉場的有效波長決定，本發(fā)明采用多波長數(shù)字全息測振法，可通過選擇不同的光波長形成十幾微米到百微米的復合波長，擴大了縱向檢測范圍，能夠實現(xiàn)對該范圍內(nèi)振動幅度的實時檢測無需復雜的解包裹等過程；一般數(shù)字全息數(shù)值再現(xiàn)過程的計算復雜耗時且對振動信號檢測時需要處理的數(shù)據(jù)量龐大，這些都不利于實時振動檢測與解算，本發(fā)明對參考光和物光進行一次成像，成像位置關于CMOS處于同一面上，使系統(tǒng)同時具有無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息的特點，數(shù)值再現(xiàn)過程無需復雜的衍射傳輸，而只需經(jīng)過一次FFT獲得相應的信息，結解算簡單可實現(xiàn)實時檢測和實時解算；短相干光源的引入在一定程度上抑制散斑的產(chǎn)生，提高了成像質量和檢測精度。

本發(fā)明中雙波長數(shù)字全息測振系統(tǒng)中采用三個成像透鏡6、14、20分別對合光前的兩束參考光5a、13a和物光19a成像，三路光成像位置關于CMOS相機22表面處于同一位置，構成無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息光路結構，因此數(shù)值解算過程可通過單次FFT實現(xiàn)，而無需濾波、切趾、衍射傳輸?shù)葟碗s再現(xiàn)計算；系統(tǒng)為無透鏡傅里葉變換和多波長數(shù)字全息相結合的測振裝置。

本發(fā)明光路補償裝置5，13用于補償參考光和物光的光程，以光路補償裝置5為例，三角棱鏡5-1、5-2固定于三維精密位移臺上，光由三角棱鏡全反射輸出，結合采集到的干涉圖的特征精調(diào)三角棱鏡位置改變參考光的光程，使參考光和物光光程差在相干波長以內(nèi)，形成干涉性較好的干涉圖。

本發(fā)明成像透鏡6、14、20被安裝于一維平移導軌上，位置可沿光路方向精細調(diào)節(jié)，用于調(diào)節(jié)物光和參考光的像點位置匹配；調(diào)節(jié)過程同時結合牛頓成像公式和數(shù)值解算獲得的圖像效果調(diào)整透鏡的位置。