激光全场光衍射测量

　　1　引　言

　　传统的激光衍射计量在现代工业测量里已经得到了广泛的应用。其主要是用于测量物体与标准件之间的一个微小间距或者确定小孔直径等。现在提出了一种新的激光衍射应用——激光全场衍射测量。它可以用于测量被测物体整个表面的变形量,从几个角度测量则能得到全场测量。在工业制造当中,工件表面的变形测量;材料力学实验中,材料受压变形以后形变的测量;土工三轴实验[1]土样的形变测量都是典型的样例。这些当中有些对精度要求很高,传统测量达不到要求,提出一些新方法也存在着很多不足。如果同时引入激光全场衍射测量方法和数字图像处理技术,就可以在一定程度上解决这些不足。

　　2　理论模型

　　下面介绍一下激光全场衍射的概念模型。图1是全场测量的理论模型。

　　由图可以看出全场衍射的平面计算模型[2]类似于单缝衍射的计算模型。不采用CCD的全场衍射计量的做法是利用衍射条纹来形成莫尔条纹,方法就是先摄取没有承载的图片,然后再得到承载以后的图片,用其中一块作为已知光栅和另外一块叠加,得到衍射情况下的莫尔条纹。其计算变形量δ:

　　,其中wt、wm分别为最后缝宽与中间缝宽。中间缝宽是形成莫尔条纹的那张负片摄取时的缝宽,R为摄取屏的距离;s为莫尔条纹间距。

按定义,其值:这都是对n=1即一级衍射条纹而言。

　　这种方法的优点是测量精度比较高,缺点是测量范围小,测量过程不具有连续性且观察性差。提到的利用CCD提取全场衍射条纹可以改善这些不足。下面就介绍这套系统结构及原理(详见图2)。

　　3　理论计算及精度分析

　　衍射的几何理论是光的几何理论的拓展。全场衍射和单缝衍射都是基于衍射几何理论上并且都是衍射狭缝都是长远大于宽,全场衍射几何理论是单缝衍射的拓展。由于CCD可以实时地监控条纹的变形,可以现场了解形变的位置,故这样就可以实时地稍微调整参考边的移动及尺寸(首先设计好的可调标准刀口);同时由于CCD的接收表面并不是很大,所以CCD的支架也必须是可以上下调节的标准件。下面分析一下全场衍射具体计算模型[3]。

　　在观察平面上P点的复振幅为:

　　其中M约为300μm,y1约为3000μm。也就是说光学信号放大量约为10倍(其实应该说是大于,因为y1可以大于3mm)。在后面数据接受阶段,CCD接受面为1/3英寸的,像素680,就是说每个mm上约有100个像素,即接收面的精度约为10μm级的。总之,系统的测量精度约为μm级。如果需要更高精度,可以用到图像处理算法:(1)先腐蚀后膨胀[4](开运算)去除图像中的一些毛刺对图像进行优化处理。(2)采用轮廓提取,比如亚像素插值运算(该方法可以提高测量精度,但是现并没有采取这个方法)。