基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法

孙流星++于瀛洁

摘要：

提出了一种基于相移和颜色分光的电子散斑干涉（ESPI）瞬态三维变形测量方法，该方法包括一个彩色CCD和红绿蓝三种不同波长的激光器，可同时采集来自三路的散斑干涉图像。物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的散斑干涉图像信息通过颜色分光实现分离，并利用相移算法对散斑干涉条纹图进行分析处理，分别解调出水平、竖直及离面方向的变形场相位，实现三维变形场的测量。模拟及实验分析表明，此方法能同时实现物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的变形测量，可用于物体表面的三维瞬态变形测量，也可单独完成面内或离面的二维变形测量。

关键词：

电子散斑干涉； 颜色分光； 相移算法； 三维变形测量

中图分类号： TH 744.3 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.005

Transient 3D deformation measurement method by color splitting

based on phase shift and ESPI

SUN Liuxing1，2， YU Yingjie1

（1.Department of Precision Mechanical Engineering，Shanghai University， Shanghai 200072， China；

2.Shanghai INESA PhysicoOptical Instrument.Co.，Ltd.，Shanghai 201199， China ）

Abstract：

A transient method of threedimensional deformation measurement by color splitting based on phase shift and electronic speckle pattern interferometry（ESPI） is presented. The method takes red， green and blue wavelength lasers as the light sources. A color CCD is used to capture the speckle interference images from three paths. The color light is used to achieve the separation of the speckle interference image information from the inplane vertical direction， inplane horizontal direction and outofplane direction of the object. The phase shifting algorithm is applied to process the speckle interference fringe pattern to demodulate the deformation phase field in all directions separately and to obtain threedimensional deformation field. Computer simulation and experimental results are presented that the system can achieve the deformation measurements of an object′s vertical， horizontal and outofplane directions simultaneously， so that it is applied to measure transient threedimensional deformation of the object′s surface and to realize independent measurements of the inplane and outofplane twodimensional deformations.

Keywords： electronic speckle pattern interferometry（ESPI）； color splitting； phase shifting algorithm； threedimensional deformation measurement

引 言

在电子散斑干涉（ESPI）技术中[12]，相移算法是最主要的相位提取算法。由于相移算法精度高，计算简便，在绝大多数的非实时散斑干涉测量系统中普遍采用[36]。作为电子散斑干涉技术的进一步发展[711]，三维电子散斑技术都是分时采集各个分量的电子散斑干涉图，再通过数据处理获得物体三维变形信息。测量系统的环境和物体的变形对它的精度有比较大的影响，只能算是伪三维测量。针对已有三维电子散斑技术的不足，有人提出了基于电子散斑干涉技术的瞬态三维变形测量[1215]，但装置复杂，操作繁琐，而且研究较少。在位相求解算法方面，已有的ESPI瞬态三维变形系统中主要是利用傅里叶变换算法或小波变换算法[1619]进行相位求解，但精度受限，且需要载波，由于散斑干涉相干长度短，载波的引入会降低测量范围。本文提出了一种基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法。该方法由一个彩色CCD和红绿蓝三种波长的激光器组成，能同时采集来自三路的散斑干涉图像。彩色CCD的三原色与红绿蓝三种波长相对应，物体面内水平、竖直以及离面方向的散斑图像信息由三原色同时实现分离，在反射镜后面增加压电陶瓷（PZT）引入相移，并利用相移算法[2021]对得到的四幅散斑干涉图进行相位求解，同时求出物体面内水平、竖直以及离面方向的变形场相位，完成三维变形场的检测。