邵　嶽，胡　杰

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

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激光全息干涉測物體微小位移的研究

邵嶽1，胡杰2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

摘要：提出一種基于計算機(jī)、CCD和Image-Pro6.0軟件的雙曝光全息測微小位移的有效測量方法。通過CCD采集圖像和Matlab軟件的GUI用戶界面交互功能制作實驗參數(shù)可連續(xù)計算的平臺。結(jié)果證明，此平臺參數(shù)輸入靈活，運(yùn)算過程簡化，運(yùn)算速度加快，精確度提高。

關(guān)鍵詞：激光全息干涉；微小位移；CCD

激光全息干涉，是利用同一光束在不同時間的波前來進(jìn)行干涉，由于相干光束出自同一個系統(tǒng)，因而包圍介質(zhì)的欠缺引起的光程變化會自動消除，這種方法優(yōu)于其它干涉測量法，也稱為“全息干涉計量”技術(shù)。

文獻(xiàn)[1]研究了獲得激波流場的有限條紋全息干涉圖,利用圖象處理技術(shù)對干涉圖進(jìn)行了細(xì)化處理,再用人機(jī)交互的方式采集數(shù)據(jù)計算出條紋的位移量。文獻(xiàn)[2]利用CCD及自編的圖像處理軟硬件來測量干涉條紋間距,從而得出復(fù)合材料的微小形變量。

本文提出一種基于計算機(jī)、CCD攝像頭、視頻圖像采集卡、Image-Pro6.0軟件測量微小位移的有效方法，使激光全息干涉微小位移測量實現(xiàn)光學(xué)圖像數(shù)字化,以便更迅速準(zhǔn)確地分析光學(xué)干涉圖像的數(shù)據(jù)[3]。通過CCD采集圖像，利用Matlab軟件的GUI用戶界面交互功能制作實驗參數(shù)可連續(xù)計算的平臺，此平臺參數(shù)輸入靈活，運(yùn)算過程簡化，運(yùn)算速度快，提高了實驗結(jié)果的精確度。

1　激光全息干涉理論

激光全息干涉是全息干涉計量技術(shù)中測量物體微小位移變化或形變的一種常用方法。

本文以漫反射平板(鋼板尺)雙曝光全息為例，說明實驗過程，光路圖如圖1所示。由全息照相原理可知[4]，第一次曝光記錄的物光波

U1(x,y)=O0(x,y)exp[-jφ(x,y)]

(1)

第二次曝光記錄的物光波

U2(x，y)=O0(x，y)exp{-j[φ(x，y)+Δφ(x，y)]}

(2)

式中：U1、U2分別為兩次曝光的物光波函數(shù)；O0為物光波振幅；φ為物光波的相位；j為復(fù)函數(shù)的虛部；Δφ為相位差。

M1、M2為全反射鏡；L1、L2為擴(kuò)束鏡；BS為分束鏡

經(jīng)兩次曝光的全息圖，用原參考光照射，既再現(xiàn)出兩個原物光波，再現(xiàn)波的復(fù)振幅將和兩次曝光的物光波的和成正比，其光強(qiáng)分布為

I(x，y)=|U1(x，y)+U2(x，y)|2

=|O0exp[-jφ(x，y)]+O0(x，y)exp{-j[φ(x，y)+Δφ(x，y)]}|2

(3)

圖2　漫反射平板旋轉(zhuǎn)的雙曝光全息圖

由式(3)可知，在條紋定義域面上出現(xiàn)暗條紋的位置為

(4)

(5)

(6)

式中，k表示從零位移(固定點(diǎn))算起的暗條紋序數(shù)；dy為微小位移。由式(6)可知

(7)

2　實驗

2.1　角度測量

根據(jù)式(7)，計算微小位移需要知道物光波入射角θ1和散射角θ2。以往角度測量一般使用量角器，測量精度低，數(shù)據(jù)不確定度較大。本文利用計算機(jī)、CCD、白屏和Image-Pro6.0軟件進(jìn)行角度測量，提高了測量結(jié)果準(zhǔn)確度，測量裝置如圖3所示。

測量步驟如下:

(1)雙曝光全息圖獲取后，將載有實驗白板的元件移入，與待測物(鋼板尺)平面重合；

(2)將CCD移入上方，對準(zhǔn)映有兩條光線的白板，調(diào)焦直至電腦屏幕上兩條光線清晰可見；

(3)調(diào)用Image-Pro6.0軟件中的庫函數(shù)[6]，即可快速知道入射光和散射光與法線的夾角，即θ1、θ2。如圖4所示。

圖3　利用CCD采集激光夾角的實物圖

圖4　角度測量

圖5　Image-Pro6.0測量條紋間距圖

2.2　條紋間距測量

雙曝光全息圖獲取后，用CCD采集干涉圖像,記錄條紋序數(shù)，測量條紋間距，如圖5所示。若CCD測的條紋間距為x′，條紋實際間距為x，二者的關(guān)系可表示為

x=βx′

(8)

(9)

通過式(8)和式(9)，即可求出條紋的實際間距，再由式(7)求得待測物體的位移量，同時，可直觀分析條紋間距與形變大小之間的關(guān)系及準(zhǔn)確的記錄條紋的序數(shù)k，如圖5所示。再調(diào)用Image-Pro6.0軟件中的測量函數(shù)庫，找到測量工具模塊，量出距離x′，求得x。

2.3　數(shù)據(jù)處理

首先編寫GUI設(shè)計及.M文件代碼。根據(jù)設(shè)計步驟，建立坐標(biāo)軸對象、按鈕、面板及靜態(tài)文本標(biāo)簽等,并使用幾何位置排列工具進(jìn)行調(diào)整。在編輯器中布置控件，坐標(biāo)軸Axes 1 用來顯示實驗光路圖，Axes 2 用來顯示實驗照片，Axes3 用來顯示圖像的均化分析，圖文本框用來輸入相應(yīng)的參數(shù)，再設(shè)置控件的String和Tag等相關(guān)屬性,以便編輯、記憶和維護(hù)。

根據(jù)參數(shù)變化，設(shè)置相應(yīng)的默認(rèn)值，程序如下

set(handles.lam_edit1,′String′,632.8e-6);

set(handles.k_edit2,′String′,12);

set(handles.theta1_edit3,′String′,45);

set(handles.theta2_edit4,′String′,0);

…………

設(shè)計界面控件的回調(diào)函數(shù)的代碼，在界面中輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊界面執(zhí)行按鈕，得到雙曝光全息圖計算的GUI界面[7]。

然后調(diào)用pushbutton7_Callback(hObject,eventdata,handles)函數(shù)，執(zhí)行計算。

最后調(diào)用pushbutton4_Callback(hObject,eventdata,handles)函數(shù),結(jié)束程序關(guān)閉圖形。程序完成后，運(yùn)行程序的GUI界面如圖6所示。

圖6　GUI計算界面

3　結(jié)論

闡述激光全息干涉測量物體微小位移的方法,以雙曝光測量理論為基礎(chǔ)，利用CCD、matlab自編程序和Image-Pro6.0圖像處理軟件來獲得待測物體在定義域范圍產(chǎn)生的條紋序數(shù)、相干光的夾角及位移量的計算。測量結(jié)果能精確反映待測物體的變形情況,處理數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確，具有實際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建崗,苗興華,王國志，等.雙曝光全息干涉法用于風(fēng)洞中激波流場的研究[J].光子學(xué)報，1997，26(4)：373-378.

[2]俞曉磊，趙志敏，郭林峰.激光散斑干涉條紋的CCD分析技術(shù)研究[J].應(yīng)用激光，2007，27(5)：378-381.

[3]曹秒，劉暢，林韻，等.基于CCD成像自動對準(zhǔn)技術(shù)的玻璃折射率測量系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報，2013,34(11)：2555-2570.

[4]黃婉云，傅里葉.光學(xué)教程[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1986.

[5]熊秉衡，李俊昌.全息干涉計量—原理和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[6]暢想先鋒，Image-Pro6.0使用教程[DB/OL].http://wenku.it168.com/d_001178432.shtml.

[7]陳垚光,毛濤濤,王正林,等.精通MATLAB GUI 設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Measuring Micro-displacement of the Object by Laser Holographic Interferometry

SHAO Yue1,HU Jie2

(1.College of Electrical Engineering Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China；

2.Shenyang Ligong University,Shenyang 100159,China)

Abstract：A measurement and calculation method of tiny displacement using double exposure hologram based on computer,CCD and Image-Pro6.0 software is peresent.Images can be collected by CCD,and the experimental parameters can be calculated continuously using GUI user interface interaction function of Matlab software platform,thus the input parameters is flexible,operation process is simplified,the operation speed is accelerated,the accuracy of the experimental results is improved.

Key words：laser holographic interferomet ry；micro-deformation；CCD

中圖分類號：O438.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2015)01-0069-04

作者簡介：邵嶽(1973—)，男，工程師，研究方向：光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與應(yīng)用.

收稿日期：2014-06-04