連續(xù)剪切干涉測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光測力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種連續(xù)剪切干設(shè)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相干梯度敏感干設(shè)方法（Coherent Gradient Sensing)簡稱CGS方法，其將原本 應(yīng)用于光路中微小相差的檢測手段引入力學(xué)測量領(lǐng)域，該技術(shù)利用了光柵具有的剪切分光 的原理，將試件表面反射或透明試件透射的光經(jīng)過兩個光柵的剪切作用，最終形成干設(shè)條 紋。干設(shè)條紋代表了面內(nèi)主應(yīng)力和梯度（透射情況下）與離面位移梯度（反射情況下）。在 斷裂力學(xué)和曲率測量中有著重要的應(yīng)用。然而CGS方法自提出W來，并沒有實現(xiàn)條紋場自 動分析的功能，現(xiàn)有的技術(shù)采用的方法為將CCD煙large-coupled Device電荷禪合元件） 采集到的條紋圖讀入計算機，通過數(shù)像素格所對應(yīng)的距離來確定某一點的位置，進而對條 紋進行細化和提取中屯、線的處理，全場線性插值得到某一點的相位值信息。該樣的方法無 疑會引入較大誤差，首先距離測量存在誤差，其次相位值的計算過程會出現(xiàn)大量誤差，包括 條紋二值化時闊值的選取，中屯、線提取過程中不可避免的人為因素，線性插值的可靠程度 等。
[0003] 為了解決CGS方法中W上的精度和自動化問題，馮雪等人于2013年提出了一種 多波長剪切干設(shè)方法，其原理是在CGS系統(tǒng)中使用不同的光源波長，進而根據(jù)CGS的控制 方程，得到不同波長對應(yīng)的分布位置不同的條紋場，進而增加插值點的個數(shù)，實現(xiàn)精度的提 高。然而，實際過程中很難使用超過=種波長的光源，且此方法對實驗系統(tǒng)搭建要求較高。 雖然增多了插值點的個數(shù)，但相位場計算的精度仍有較大的提升空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0005] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種連續(xù)剪切干設(shè)測量方法，該方法能實現(xiàn)條紋自 動處理，并且準確獲取相位場。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明一方面實施例提出了一種連續(xù)剪切干設(shè)測量方法，包括 W下步驟；通過相干梯度敏感干設(shè)方法CGS的方法設(shè)置光路，其中，所述光路包括第一光 柵、第二光柵、透鏡和光屏；在所述第一光柵和第二光柵之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺；在所述旋轉(zhuǎn)臺之 上設(shè)置預(yù)設(shè)厚度和折射率的透明介質(zhì)薄片；根據(jù)旋轉(zhuǎn)角與相移量的定量關(guān)系確定每次旋 轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)角度控制所述透明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)=次W保證每次相移步進量為 n/2;獲取所述透明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)之前的第一圖像，并獲取所述透明介質(zhì)薄片每次旋轉(zhuǎn)之 后的第二圖像至第四圖像；按照四步移相原理式對所述第一圖像至第四圖像進行灰度運算 W獲取包裹相位場；W及進行解包裹W獲取形貌、曲率和梯度場。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明實施例提出的連續(xù)剪切干設(shè)測量方法，通過在旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置一定厚度 和折射率的透明介質(zhì)薄片，其次根據(jù)旋轉(zhuǎn)角與相移量的定量關(guān)系確定每次選擇角度，并控 制薄片旋轉(zhuǎn)，從而根據(jù)旋轉(zhuǎn)之前與之后的圖像按照四步移相原理式獲取包裹相位場，并且 進行解包裹，w獲取形貌、曲率和梯度場，實現(xiàn)條紋圖的自動處理，并且準確獲取相位場，提 高測量精確度，更加有利于裂尖應(yīng)力場或微小曲率的測量，簡單便捷。
[000引另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的連續(xù)剪切干設(shè)測量方法還可W具有如下附加的技 術(shù)特征：
[0009] 進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，紅光和綠光的光程差為：
[0010] 5 S (x, y+ e ) - 5 S (x, y) =25 o + 5 S^- 5
[0011] 其中，5S(x，y+〇與5S(x，y)分別為試件表面y方向距離為e的兩個點所反 射的光線的光程，2 5 ?表示因試件離面位移所引起的光程差，5 Si與5 S2分別代表兩條光 線除卻離面位移影響之外的光程；和
[0012]
【主權(quán)項】
1. 一種連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 通過相干梯度敏感干涉方法CGS的方法設(shè)置光路，其中，所述光路包括第一光柵、第二 光柵、透鏡和光屏； 在所述第一光柵和第二光柵之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺； 在所述旋轉(zhuǎn)臺之上設(shè)置預(yù)設(shè)厚度和折射率的透明介質(zhì)薄片； 根據(jù)旋轉(zhuǎn)角與相移量的定量關(guān)系確定每次旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)角度控制所述透 明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)三次以保證每次相移步進量為Ji/2 ; 獲取所述透明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)之前的第一圖像，并獲取所述透明介質(zhì)薄片每次旋轉(zhuǎn)之后 的第二圖像至第四圖像； 按照四步移相原理式對所述第一圖像至第四圖像進行灰度運算以獲取包裹相位場；以 及 進行解包裹以獲取形貌、曲率和梯度場。
2. 如權(quán)利要求1所述的連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于，紅光和綠光的光程差為： 8S(x，y+e) - 8S(x，y) = 2 8 ? + 6S1- 8S2， 其中，SS(X，y+e)與SS(x，y)分別為試件表面y方向距離為e的兩個點所反射的 光線的光程，2S?表示因試件離面位移所引起的光程差，SS1與SS2分別代表兩條光線除 卻離面位移影響之外的光程；和
其中，d為平面介質(zhì)厚度，n為平面介質(zhì)的折射率的含義如圖所示。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于， 平面介質(zhì)中的光程差為：
平面介質(zhì)外的光程差為：
其中，Se為一過渡光程差量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所示的連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于，所述Se根據(jù)以下公式 獲取，所述公式為： 8e= (d3+d4)-(屯+似=(H「H2) ?tana0 其中，a為平面介質(zhì)旋轉(zhuǎn)角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所示的連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于，其中，
H「H2= d ? cos a ? (tan 9 3_tan 9 J〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所示的連續(xù)剪切干涉測量方法，其特征在于，所述包裹相位場 SJx，y)根據(jù)以下公式獲取，所述公式為：
其中，IpIi、12和13為所述第一圖像至第四圖像條紋圖的灰度場。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)剪切干涉測量方法，包括以下步驟：通過CGS的方法設(shè)置光路；在第一光柵和第二光柵之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺；在旋轉(zhuǎn)臺之上設(shè)置預(yù)設(shè)厚度和折射率的透明介質(zhì)薄片；確定每次旋轉(zhuǎn)角度，并控制透明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)三次以保證每次相移步進量為π/2；獲取透明介質(zhì)薄片旋轉(zhuǎn)之前的第一圖像，并獲取透明介質(zhì)薄片每次旋轉(zhuǎn)之后的第二圖像至第四圖像；按照四步移相原理式對圖像進行灰度運算以獲取包裹相位場；進行解包裹以獲取形貌、曲率和梯度場。發(fā)明實施例的方法，通過在旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置一定厚度和折射率的透明介質(zhì)薄片并控制薄片旋轉(zhuǎn)，從而根據(jù)旋轉(zhuǎn)之前與之后的圖像按照四步移相原理式獲取包裹相位場，并且進行解包裹，實現(xiàn)條紋圖的自動處理。
【IPC分類】G01B11-24, G01B11-26
【公開號】CN104567721
【申請?zhí)枴緾N201510035268
【發(fā)明人】馬康, 謝惠民
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月23日