电子散斑干涉技术及应用

电子散斑干涉技术（ＥＳＰＩ）是一种用来测量光学粗糙表面的位移与变形的干涉计量技术。它利用激光散斑场做为待测表面的信息载体，通过电子学手段记录、比较和处理散斑场信息，最后以散斑干涉条纹的形式在电视监视器上显示出试件表面位移或变形的等值线条纹，是一种集光学干涉计量学、电子学及计算机图象处理技术为一体的自动测试技术，可以用于离面位移、面内位移、位移偏导场的测量、振动分析及材料或构件的无损检测等方面。本文     

基于深度学习的激光剪切散斑干涉无损检测缺陷识别

剪切散斑干涉技术通过测量物体表面变形来推断其内部缺陷,具有高灵敏度、检测范围广、精度高等优点,是一种极具潜力的复合材料无损检测技术。目前缺陷识别主要采用人工方式,而人工识别不但检测效率低且受到专业性限制。为了提高剪切散斑干涉无损检测方法中的缺陷识别精度和效率,本文提出基于深度学习剪切散斑干涉缺陷识别方法。利用高精度四步相移技术获取剪切散斑相位条纹高质量成像;引入了应用广泛的YOLOv5和Faster R-CNN目标检测算法,通过实验采集了大量的缺陷图像,分别用YOLOv5和Faster R-CNN两种算法获得训练模型。然后将这两种模型分别应用于剪切散斑干涉无损检测中的复合材料缺陷检测。最后,实验从检测速率和检测精度方面对模型识别效果进行了对比分析。实验结果表明,激光剪切散斑干涉技术结合深度学习的方法能有效地实现剪切散斑干涉无损检测的缺陷自动识别,Faster R-CNN和YOLOv5的检测速率分别能达到11 f/s和50 f/s,并且两种深度学习算法的平均精度均能达到92%以上,验证了提出方法的可行性。     

基于激光自混合干涉的高精度角度测量方法

针对光学高精度角度测量技术的需求,基于激光自混合干涉技术提出一种高精度角度测量方法。建立了激光自混合干涉技术高精度测量角度的系统模型,利用干涉条纹计数法分析出目标物体具有角度变化时,外腔长度产生的变化量,并通过激光三角法测量原理计算出目标物体旋转的角度,从而构建出精确的角度测量系统。实验结果表明:该测量系统在±0.4°角度范围内测量精度可达(±3.1×10-3)°,具有精度高、速度快等显著优势,是对现有高精度角度测量技术的一种有益补充。     

双脉冲数字散斑干涉系统的实验研究

研究了一种基于脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光系统的数字散斑干涉技术．设计并实现了物体与脉冲激光触发以及ＣＣＤ图像获取的同步控制．这种双脉冲数字散斑干涉技术，可记录亚毫秒时间间隔的物体状态变化并可作定量分析．     

激光剪切干涉三维形貌测量

针对物体表面的三维形貌测量问题,提出了一种基于激光剪切干涉条纹的三维形貌测量方法。该方法利用激光剪切干涉原理产生密集的干涉条纹,将干涉条纹阵列照射到待测表面。利用四步相移法和解包裹算法求解被测物体表面的连续相位,进而获取曲面表面高度信息,最后建立被测物体三维形貌。本文对楔形薄片和木块进行了测试,初步实验结果证明了该方法原理的可行性。该方法可以与显微镜相配合,进一步发展可用来测量微结构3D形貌,在微测量领域具有很大的应用前景。     

激光三角法位移测量中数字散斑相关法的研究

在三角法位移测量中散斑是一种噪声,当成像光斑过弱而湮没于散斑中时,抑制散斑已没有意义;但散斑同样是位移信息的载体。为此针对激光三角法位移测量系统,研究数字散斑相关法;对强散射、粗糙界面的位移进行了实测,且进行了数据分析。结果表明,在激光三角法位移测量中运用数字散斑相关法对强散射、粗糙界面进行位移测量是可行的,测量范围可达微米级,测量误差小于2%。此法可改善三角法位移测量系统在强散射、粗糙界面的情形下传统测量方法的缺陷,有效提高了测量精度,并扩展了激光三角法位移测量的实用范围。     

电子散斑干涉载频调制形貌测量技术

提出了电子散斑干涉(ESPI)载频调制测量物体形貌的方法.在ESPI中,物体表面的微小偏转可引入包含物体高度信息的载波干涉条纹,具有灵敏度高的优点.用摄像机采集该载波条纹图,利用傅里叶变换法可解调出物体高度的位相信息,从而实现物体的形貌测量.     

基于激光的散斑干涉术及其测量中的应用

对电子散斑干涉技术用于测试离面和面内位移的原理和光路进行了详细阐述,并分析该方法的适用范围和灵敏度,给出了圆盘试件离面位移和金瓷试件面内位移的测试结果。表明基于激光技术的电子散斑干涉法适用于硬质材料位移和无损检测,结果以干涉条纹图形式给出,易于定性和定量分析研究对象位移。     

基于激光回馈干涉系统的PZT迟滞特性测量

压电陶瓷迟滞特性对精密控制系统的精度具有重要影响,目前PZT迟滞特性的测量方法精度较低或者测量系统复杂,难以实现高精度测量。总结分析了目前测量压电陶瓷特性的方法,并使用基于激光回馈干涉原理的微片激光回馈干涉测量系统,利用物体表面的散射光对压电陶瓷的迟滞特性进行测量和分析。该方法不需靶镜,对被测对象要求较低,测量便捷,测量精度达到纳米量级,对精密控制系统中压电陶瓷的校准测量具有重要意义。     

计算机辅助散斑干涉法的研究与改进

针对传统的加法模式的计算机辅助散斑干涉法抗噪声能力弱、信噪比低的缺点,提出了一种减法模式的计算机辅助散斑干涉法.实验上对强度型加、减法模式的计算机辅助散斑干涉法和振幅型加、减法模式的计算机辅助散斑干涉法做了比较分析,最后发现振幅型减法模式的计算机辅助散斑干涉法抗噪声能力最强,信噪比最高,测量精度极其精确.因此一般选择用振幅型减法模式的计算机辅助散斑干涉法来进行物体的变形测量.     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

白激光散斑图及其在测量物体内部变形中的应用

本文讨论了白光散斑图与单波长激光所产生的散斑图之差异。指出在散光散斑技术中,使用白激光器有很大的优越性。通过对掺有散射微粒的透明物体刚体位移的测量,不仅能得到清晰的散光散斑干涉图,而且能正确地对三维透明物体内部每一截面的变形进行定量分析。     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理,研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法,使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图,减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失,实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程,控制剪切散斑干涉图的精确定向平移,得到了4个干涉图,实现了数字四步相移,代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移,从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程,也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明,该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程,也提高了测试精度,其精度可达到1/10波长。     

基于数字散斑剪切干涉术的三维面型测试

基于数字散斑剪切干涉术的原理, 研究了物体面型的三维测试技术。使用倾斜反射镜的方法, 使物光束散斑场偏转,再由CCD记录偏转前和后物光束的散斑场。这种方法代替了传统的使用剪切元件空间上直接获得干涉条纹图, 减少了由于剪切元件分束引起的物光束的光能损失, 实现了数字散斑剪切干涉术测量物体面型。应用MATLAB软件编程, 控制剪切散斑干涉图的精确定向平移, 得到了4个干涉图, 实现了数字四步相移, 代替了传统的在参考光中利用位相控制器的机械相移, 从而实现了物体面型的三维测试。该方法不仅省去传统剪切散斑干涉术中需要对感光胶片进行化学湿处理的过程, 也省去了压电位移器等硬件。大量的实验表明, 该方法不仅简化了测试光学系统和实验的过程, 也提高了测试精度, 其精度可达到1/10波长。     

基于散斑图像的远程振动频率提取方法研究

为了得到远程物体的微米级振动的频率信息,采用基于散斑图像的远程振动频率提取方法,以波长为532nm连续激光器作为光源照射50m远处被测物体表面,通过高速摄像机记录物体表面反射空间内的散斑图样提取物体的微振动频率。采用激光散斑图像的数据处理方法,进行了研究分析和实验验证,利用长焦镜头对远程散斑图像进行适当散焦处理,然后提取视频散斑图像间互相关系数峰值点与原点之间的矢量大小来获取散斑的变化信息,同时对一定宽频率范围内的振动频率进行提取。结果表明,用该方法得到的激光散斑远程微振动频率的提取准确度达99.22%。该数据结果为激光散斑应用于远程频率振动检测提供了一定的论证依据。     

基于主成分分析的激光麦克风的语音信号提取

主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)法用于高速视觉的激光麦克风的音频信号重建,可从声场中轻质弹性物体表面的激光散斑动态变化中提取语音信息。将高速散斑视频中的一帧图像视为高维空间中的向量,顺序将视频图像堆栈成数据矩阵,利用PCA做特征提取,语音信息就存在于方差较大的主成分中,通常应用第一主成分就可以重建清晰的语音信号。实验表明,PCA对激光散斑颗粒尺度和灰度分布没有过多限制,即使在采样区域较小、反射物体材质不同的情况下,都可以重建人耳可分辨的语音信号。而且基于PCA的无监督机器学习算法特性,选取视频开始部分的帧图像做训练集,还可以提取含有音频信息的主成分的特征向量,作为后续视频图像向量的投影基,实现语音信号的快速提取。     

激光片光面内移动降低三维传感中散斑影响的方法

提出一种激光片光三维传感中降低散斑影响的方法:片光面内移动扫描法.通过向被测物体表面投射面内移动扫描的片状激光束,产生空间变化的动态散斑光场,这样的光场的时间平均效果降低了散斑的影响,明显地提高了测量精度.文中给出了激光片光面内移动对散斑影响的的理论分析和实验结果。     

Calculations of Infrared Laser Beam Scattering from Rough Dielectric Objects

The coherent and incoherent scattering cross sections of Infrared Laser Gaussian beam scattering from arbitrarily shaped convex dielectric objects with rough surfaces are investigated by using plane wave spectrum method and physical optics approximation. In the paper, the infrared laser scattering cross sections of rough sphere are calculated at 10.6 μm , and the influence of the beam size, permittivity, and polarization as well as roughness parameters is analyzed numerically. When the beam size is much larger than the size of object, the results in the paper can reduce to those of an incident plane wave. On the other hand, for the case of roughness statistical parameter close to zero, only the forward scattering has a parent difference compared with the result of gaussian beam scattering from smooth sphere.     

改进的激光散斑照相法实验研究

激光散斑照相法是实验力学中应用众多的光学测量技术中的一个分支.由于激光散斑照相技术不需要参考光即可实现物体表面形变的测量,与激光全息术相比具有特别的优点,但传统的激光散斑照相法对离面位移不敏感,一般只局限于对面内位移的测量.本文着重于激光散斑技术的应用领域的拓展和激光散斑照相过程的改进,提出一种改进的激光散斑照相方法,并用于对离面位移的测量,用实验验证了所提方法的可行性,将其与传统激光散斑照相法和激光离焦散斑照相法的结果比较,实验表明这种改进在测量微小离面位移方面是有效的且具有更高的精度和可靠性.