羅天嬌，吳幸鍇，孫微微，侯麗華

(1.長春電子科技學(xué)院 光電科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130000 2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和工藝生產(chǎn)水平的不斷進(jìn)步，微小位移已在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中顯得格外重要。目前微小位移測量主要有兩種方法分別為接觸式測量和非接觸測量。接觸式測量方法在測量的過程中會(huì)對物體產(chǎn)生力的作用，從而影響測量結(jié)果，所以接觸式的微小位移測量很難實(shí)現(xiàn)高精度的檢測。而非接觸測量主要采用光學(xué)的方法，由其是非接觸、高精度、全場測量、對被測物體無影響等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛地應(yīng)用研究[1-3]。

傳統(tǒng)的非接觸微小位移測量中，通常采用邁克爾遜干涉法利用人眼觀察條紋變化的方法來計(jì)數(shù)，當(dāng)條紋變化數(shù)較多時(shí)，由于工作量較大與長時(shí)間的視覺集中，容易產(chǎn)生視覺疲勞，造成人工誤差，對微小位移測量精度產(chǎn)生影響[4]。本文根據(jù)邁克爾遜干涉儀原理，采用CCD對干涉條紋進(jìn)行采集，利用Matlab中 Waved Ruler(波尺)對干涉條紋進(jìn)行采集以及圖像處理，從而計(jì)算出微小位移量，為微小位移的實(shí)時(shí)自動(dòng)測量提供一種新的可行性方案。

1 邁克爾遜干涉儀原理

本實(shí)驗(yàn)基于邁克爾遜干涉儀原理如圖1 所示，激光源為能產(chǎn)生632.8 nm紅光的He-Ne激光器，激光通過分束鏡分為兩束相干光束后，光束1照射在固定平面鏡M1后折返，光束2照射在可移動(dòng)被測物體M2后折返，最終光匯聚在CCD上并形成明暗相間的同心圓環(huán)，再通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算并給出數(shù)據(jù)。當(dāng)被測物體每移動(dòng)半個(gè)波長，就有一個(gè)條紋在成像屏上出現(xiàn)或消失[5]。若條紋變化數(shù)為N，則物體移動(dòng)的距離為

圖1 邁克爾遜干涉系統(tǒng)原理圖

(1)

Δd為物體位移量；N為條紋變化數(shù)；λ為激光波長。干涉條紋通過高幀圖像傳感器實(shí)時(shí)將畫面數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)程序?qū)D像降噪處理、取條紋坐標(biāo)、并通過兩幀之間的條紋位移量實(shí)時(shí)給出被測物體的位移量。

為了以這樣的方式進(jìn)行計(jì)算，圖像傳感器選取的畫面應(yīng)為略偏離圓環(huán)圓心的位置，且使條紋在畫面中接近豎直狀態(tài)。使用這種原理制作的微小形變量測量裝置，其理論測量精度可達(dá)光波長數(shù)量級，相比機(jī)械、幾何等測量方法精度有本質(zhì)的提高。對條紋檢測這種方式也遠(yuǎn)比讀數(shù)等傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法更精確。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖2為截取的干涉圖像，圖3為對圖2直接取亮度平均值為閾值的二值化圖像，可以看到條紋清晰度不理想，不能直接用于計(jì)算，需要進(jìn)行處理后使用，為此所設(shè)計(jì)的程序給出四個(gè)處理步驟：

圖2 干涉圖像

圖3 亮度平均值為閾值的二值化圖像

2.1 除背景噪聲

圖2中除條紋外有明暗無規(guī)則的光斑，它們是由于分束鏡、平面反射鏡平面度不足、污染等因素產(chǎn)生的，而發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測物體形變時(shí)，背景的明暗無規(guī)則光斑不隨條紋移動(dòng)，且具有很好的穩(wěn)定性。因此在測量前可遮住與被測物體聯(lián)動(dòng)的平面鏡，記錄此畫面，將此畫面作為背景噪聲，通過接下來的圖像與背景噪聲相減來抵消這種噪聲。

圖4 背景噪聲圖像

圖5 去除背景噪聲后的圖像

2.2 縱向多重取樣

測量的數(shù)據(jù)區(qū)只取一個(gè)像素作為高度會(huì)受到噪聲的極大影響，如果取多個(gè)像素高度后取這些屬于同一列像素的平均值進(jìn)行計(jì)算，不均勻分布的噪聲就會(huì)被部分抵消。圖6為每一個(gè)像素都取其相鄰的20個(gè)像素的平均值并取適當(dāng)值二值化。

圖6 縱向多重取樣后二值化圖

2.3 除小噪聲

在畫面上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)處于二值化臨界值附近亮度構(gòu)成的區(qū)域，這樣的區(qū)域取二值化后就會(huì)出現(xiàn)零散的黑白像素點(diǎn)，會(huì)被誤認(rèn)為是條紋，除小噪聲就是設(shè)定一個(gè)閾值，任何條紋寬度小于該閾值的條紋都會(huì)被忽略。圖7為以上述方式處理后取適當(dāng)值二值化的圖像。

圖7 除小噪聲后二值化圖

2.4 條紋優(yōu)選

以上三種降噪方法都是在二值化之前進(jìn)行的處理，條紋優(yōu)選則是在計(jì)算時(shí)進(jìn)行的處理，由于條紋降噪后的效果不可能一直保持穩(wěn)定，程序?qū)l紋的識(shí)別也有可能出現(xiàn)部分失誤，而只要畫面中的多數(shù)條紋準(zhǔn)確地被識(shí)別位置，條紋優(yōu)選就能找到多數(shù)條紋的間距等特征，并排除偏離此特征的條紋，使被排除的條紋完全不影響計(jì)算結(jié)果。

以下圖像展示了數(shù)據(jù)區(qū)域坐標(biāo)-光強(qiáng)曲線，其中紅色空心圓點(diǎn)代表由程序識(shí)別的暗條紋所在的位置，而綠色點(diǎn)則代表?xiàng)l紋優(yōu)選所選擇的條紋，可以看到，某一點(diǎn)及與其相鄰的點(diǎn)被準(zhǔn)確識(shí)別時(shí)，條紋優(yōu)選都準(zhǔn)確的標(biāo)記了這個(gè)位置。

圖8 條紋優(yōu)選標(biāo)記圖

3 程序設(shè)計(jì)

程序Waved Ruler(波尺)是由針對此實(shí)驗(yàn)和設(shè)備獨(dú)立編寫的程序。采用MATLAB的App Designer工具編寫。Waved Ruler(波尺)由“參數(shù)設(shè)置”、“光學(xué)調(diào)試”、“開始測量”三個(gè)模塊組成?！皡?shù)設(shè)置”模塊進(jìn)行圖像傳感器準(zhǔn)備工作及簡單的參數(shù)設(shè)置。之前列舉的降噪方式在程序的“光學(xué)調(diào)試”模塊可進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)置并預(yù)覽降噪效果，在設(shè)置完畢后，可以使用此程序的“開始測量”模塊測量微小形變，并可以對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、導(dǎo)出等操作。

圖9 Waved Ruler界面圖

4 測量數(shù)據(jù)及誤差分析

由于干涉條紋不可區(qū)分，在計(jì)算時(shí)，若條紋在兩幀之間的相對移動(dòng)比例，就會(huì)有一個(gè)新的條紋更接近移動(dòng)前的該條紋。計(jì)算機(jī)無法對這樣的情況加以判斷，所以為了限制這種情況的發(fā)生，給出了達(dá)到這種臨界狀態(tài)的物體位移速度

(2)

以作為最大位移速度，其中f為相機(jī)的幀率，這也解釋了選擇較高波長的光，以及使用高幀攝像頭的原因。在本裝置中，理論速度最大值為52 μm/s，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序檢測到位移速度達(dá)到該值的80%以上時(shí)，程序便會(huì)給予提示。

由于邁克爾遜干涉儀是非常精確的光學(xué)儀器，在使用時(shí)對環(huán)境振動(dòng)有著十分靈敏的響應(yīng)，在被測物體不發(fā)生形變時(shí)，也能觀察到干涉圖像的抖動(dòng)，通過程序測量無位移的物體，可以得到環(huán)境振動(dòng)引發(fā)的測量誤差。

在實(shí)驗(yàn)室中環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生的速度幅度峰值大約為10 μm/s(這個(gè)值并不代表環(huán)境振動(dòng)的速度最大值為10 μm/s)，這會(huì)對可測量的最大速度產(chǎn)生影響，在考慮到這種情況下，裝置所能測量的最大形變速度約為42 μm/s。而可以看到環(huán)境振動(dòng)只在平衡位置上下附近振動(dòng)、且振幅小于測量精度，因而不會(huì)對測量精度產(chǎn)生影響，在不超過速度限制時(shí)，不會(huì)引起測量誤差。

在實(shí)驗(yàn)室中，通過調(diào)節(jié)光學(xué)調(diào)整架的位移，模擬物體形變，對比調(diào)整架上的標(biāo)尺讀數(shù)與程序的測量結(jié)果。從表1中看出可以對10.00 μm的微小位移精確測量，且相對的誤差值最大為1.7%。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析

5 結(jié) 語

基于邁克爾遜干涉測量系統(tǒng)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用CCD獲取干涉條紋，并利用MATLAB中 Waved Ruler(波尺)來提高干涉條紋的采集精度和靈敏度。根據(jù)Waved Ruler(波尺)中干涉條紋的變化，對條紋進(jìn)行優(yōu)化，最后對條紋進(jìn)行計(jì)算得到位移量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出實(shí)現(xiàn)了10.00 μm微小位移的精確測量，且測量最小誤差可達(dá)到0.4%，相比于傳統(tǒng)微小位移的測量，本實(shí)驗(yàn)精度高、成本低、信號采集過程中噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，為在以后的干涉測量繼續(xù)提高精度中提供了借鑒。