浅谈现代光学测量技术

浅谈现代光学测量技术
摘要：本文主要提到了现代光测力学技术的发展以及如今光测技术的分类，并对其中的数字图像相关测量技术以及数字散斑相关方法发表了自己的观点，在光学测量仪器上提到了光电跟踪测量仪。

最后阐述现代光学测量技术的优点以及其重要应用。

关键词：数字图像相关测量技术，光电跟踪测量仪，现代光学测量技术
正文：在10月25号的晚上，我有幸和室友一起听取了何小元教授关于先进力学测试技术及其在现代工业与工程测量中的应用的讲座，讲座主要介绍了现代光测力学技术中的几种全场变形测量方法以及数字图像相关测量技术和剪切电子散斑干涉测量技术的特点和应用领域。

在听完讲座后，我获益匪浅。

现在我就根据自己所搜集的资料，粗略的谈一下自己对现代光学测量技术的认识。

现代光测力学技术包括：相位检测技术、图像处理技术、全息干涉技术、散斑计量技术、云纹测试技术、光测弹性技术等技术。

每个技术都有一段各自的发展历程。

例如，数字散斑相关方法是在上世纪80年代初由日本山口一郎和美国南卡罗来纳大学的W．H．Peter和W．F．Ranson等人同时独立提出的。

前者着重于研究一维变形场的测量，并进行相应的仪器化工作，而后者则限于对局部变形场的算法进行研究和改进，并应用于一些实际测量问题中。

山口一郎在研究物体小变形时，采用测量物体变形前后光强的互相关函数峰值来导出物体的位移。

他采用双光束照明，并在照明点法线方向放置图像传感器，推导了物体变形与在衍射场中散斑位移的关系，利用这个关系导出了与表面应交有关的项，因而提出一种测量表面应变的激光应变计。

与此同时，美国南卡罗来纳大学的W．H．Peter和W．F．Ranson则采用电视摄像机记录被测物体加载前后的激光散斑图，经过模数转换得到数字灰度场，并进行相关迭代运算，得到相关系数的全场分布矩阵，找出相关系数的极值而得到物体对应的位移和应变，它是一个二维位移场的测量问题。

提到光学测量，就不得不提到它所采用的仪器。

其中，光电跟踪测量仪器集合了光机电技术于一体，主要应用于航空航天观测设备、武器制导及靶场光电测量仪器等领域。

光电跟踪测量仪的光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。

其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

目前光电跟踪测量仪的一个重要应用就是作为机载、舰载或星载设备实时跟踪定位目标，精确测量目标的位置、距离、姿态、目标特性等。

美国与西欧一些军事强国在这领域拥有较先进成熟的技术，我国近二三十年在这一领域发展迅速，已经形成了一套较完备的研发应用系统，但由于制造工艺与精度的限制，在跟踪测量精度与误差控制等方面与西方发达国家仍有一些差距。

数字图像相关测量方法是现代数字图像处理技术与光测力学结合的产物。

近年来，这种测量方法已经成为现代光测力学领域引人瞩目的测试方法。

其在工程应用中具有很大的优越性，而且应用面十分广阔。

首先，也是最主要的应用实在结构力学领域。

对于其他光测力学方法可以
测量的东西，数字图像相关测量方法基本都能测量，并且它还能应用于电镀材料变形测量和稀土陶瓷材料的力学性能研究。

操作也很简单，灵敏度很高。

为解决飞机座舱、机翼蒙皮表面划痕的准确测量问题，有一种基于数字图像处理技术的表面划痕测量系统。

测量系统将物体表面划痕成像在CCD上，通过对划痕图像进行分割、变换、拟合等处理，最后得到划痕深度。

这种方法较人眼瞄准方法减少了人员测量误差，提高了测量准确度和测量效率。

通过对标准划痕的重复测量，实验标准差可达0.5μm，能够满足工程测量的需要。

在分析传统液膜厚度测量技术的基础上，有一种基于CCD图像的液膜厚度非接触测量的方法。

在自行设计并搭建的实验台上，测定了不同雷诺数下平均液膜厚度和雷诺数间的实验关联式，并与其它测量数据进行对比。

结果表明：实验数据与其它学者的趋势相同，CCD摄像设备的分辨率越高，测量精度将越高。

另外，四川大学的一项研究突破了点测量和机械探头传感器等传统的掺气浓度测量方法，采用非接触测量法，首次将计算机图像处理技术应用于水流掺气浓度的实测。

基于水和气体对光的反射特性的不同，提出了一种自动识别水气二相流中的气泡的数字图像处理方法，并进一步给出计算二维、瞬时掺气浓度场的算法。

他们流场试验结果表明：这种方法完全可应用于水流掺气浓度场的实测，且效果较好。

采用激光片光源和影视灯照明，采用逐行扫描数字CCD摄像机获取气泡的流动图像；根据气泡和水对光的反射特性不同，提出采用阈值法识别图像中的气泡和水，从而为进一步计算掺气浓度打下坚实的基础。

除了这些以外，数字图像相关法也是一种可广泛应用于生物材料力学测试的光学非接触方法。

该方法可应用于牛心动脉(生物软组织材料)应力应变测试；也可用于测量牙本质(生物硬组织材料)断裂韧性和在微观尺度上测量牙本质的收缩变形。

数字散斑相关方法是现代数字图像处理技术与光测力学结合的产物。

传统的光测力学方法，如光弹、云纹、全息、散斑干涉，一般都需要对被测物体表面作预处理，如涂散射涂层、刻画网格与栅线，甚至需要做成模型，然后通过特定的光学或几何干涉形成条纹，再从条纹中提取所需的信息。

因此，光测方法的测量环境要求比较高，一般只能在实验室条件下进行，至于在一般工程现场中的应用，则几乎是不可能的。

上世纪八十年代发展起来的电子散斑干涉技术，尽管用光学电子元件代替了传统的照相干板，但其仍然以干涉条纹作为测量基础，对测量环境仍有相当要求，因而应用领域与其它光测方法基本相同——只能在实验室进行。

其实，物体表面自然或人工形成的随机斑点，包括物理的表面微观结构和光学的表面散斑场，本身就是信息的载体，它们在物体变形过程中发生相应的变化，因而包含了变形过程的大量信息。

传统的光测方法是通过光学干涉形成的条纹来提取变形信息，需要特定的测量环境，从而难以在工程现场应用，而且其应用领域也受到与干涉条纹有关的一系列限制。

如能避开条纹而直接从这些信息载体中提取变形信息，变形测量同样得以实现。

数字散斑相关方法正是这样一种从物体表面的随机分布的斑点或伪随机分布的人工散斑场中直接提取变形信息的全场、非接触的光测方法。

从上面对数字散斑相关方法的论述中，我们就能发现其作为现代光测技术的优点。

首先，它对于测量环境要求不是很高，不用老呆在实验室才能完成测量；其次，它的测量方法直接利落，中间不需要多余操作；最后，它是全场、非接触的光测方法，外界影响小。

正因为现代光学测量技术的诸多优点，使人们对它的重视度越来越大，也
得到了越来越广泛的应用。

一、成为工业测量和无损检测的重要手段。

电子散斑不仅可以测量变形，也可以用来测量物体的形状。

由于采用了数字图象处理技术，传统云纹法根据等高线测量物体形状的方法也被直接测量畸变栅线位相的方法所代替。

为了进一步提高干涉测量的灵敏度，各种位相检测技术成了研究的热门课题，诸如变换，光战波，相移技术以及光外差技术等。

二、光测力学应用面十分广阔。

光测力学的发展与科学技术的进步是密切相关的，也只有为科学技术的进步和经济发展服务才是光测力学发展的真正动力。

现代工业生产过程的高度自动化和产品的高度集成化对光测力学提出新的要求，同时也给予光测力学一个新的发展机遇。

现代光测力学以各种尺度的变形和形状测量为主要研究对象，集成化的结果使被测对象的几何尺寸越来越小，而自动化的结果则要求检测设备能满足在线测量的需要。

工业设备的寿命估计、材料的残余应力和微裂纹的非破坏检查是能源、化工、交通、冶金等工业领域的重要课题，这些都需要光测力学技术。

参考文献：
1、世纪期刊《面向现代工业的光侧力学发展趋势》作者：何小元
2、浙江大学硕士学位论文《数字散斑相关技术在估摸测试中的应用》
作者：吴斌
3、长春理工大学学报《光电跟踪测量仪器的设计及研究现状》
4、光学学报《高精度数字图像相关测量系统及其技术研究》。