【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字全息，尤其是涉及一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法。
技术介绍
1、在数字全息术领域，现有的技术在测量曲面漫反射物体的三维形状和位移时面临着一些挑战。数字全息术(dh)作为一种非接触式全场测量技术，能够在纳米级精度上测量物体的离面位移。然而，传统的dh技术在应用中存在以下几个主要问题：
2、1、三维位移测量的局限性：单一的dh设置无法实现完整的三维位移测量。由于dh只能测量与灵敏度矢量方向一致的位移，对于垂直于灵敏度矢量的其他两个方向的位移无法直接测量。为了实现同时的三维位移测量，通常需要使用三个不同方向的dh设置，这就导致了多次拍摄和复杂的光学系统。
3、2、离面位移测量范围的限制：传统dh的离面位移测量范围通常限制在数十微米内。在刚体运动中，由于干涉测量中的2π相位模糊问题，这一范围可能进一步缩小到激光波长的四分之一(λ/4)。这极大地限制了dh技术在大位移测量中的应用。
4、3、对曲面漫反射物体的三维形状测量能力不足：由于漫反射物体表面的粗糙度通常大于激光波长，导致相位模糊问题，传统dh难以重建出这些物体的三维形状。而对于分析面内和离面变形，了解物体的三维形状是至关重要的。
5、为了解决上述问题，研究者们提出了双波长数字全息术(dwdh)，利用两种波长生成的合成波长可以大大增加离面位移的测量范围。同时，由于漫反射物体的表面粗糙度小于合成波长，dwdh还可以用于测量曲面漫反射物体的三维形状。然而，dwdh仍未能通过简单光学实验装置解决
6、现有的解决方法虽有所改进，但仍然存在系统复杂、测量范围有限等缺点。因此，当前的技术需要进一步创新，以解决这些问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了提供一种基于数字图像相关(dic)辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，能够在保持系统简洁的同时，实现曲面漫反射物体的三维形状和位移的同时测量。通过频谱复用技术，可以在单次拍摄中记录双波长的全息图，从而简化了系统，并扩大了位移测量范围。这一技术创新不仅提高了测量范围，还减少了系统的复杂性，使其更适用于动态测量和大位移测量等实际应用场景。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，包括以下步骤：
4、全息图获取：获取双波长数字全息系统单次拍摄的包含双波长信息的全息图；
5、相位图像重建：对全息图进行处理，重建物理波的空间域相位图像，并计算强度图像；
6、重建三维形状：基于双波长的合成波长和重建的相位图像重建不同状态下物体的三维形状；
7、位移测量：使用2d-dic算法处理不同状态下的强度图像，以获取x和y方向的位移场，通过在各状态下匹配重建的三维形状，计算出z方向的位移场，完成三维位移测量。
8、所述双波长数字全息系统采用离轴频谱复用设置，包括双波长激光器、光纤分束器、光纤耦合器、透镜、待测物体、成像模块和相机，双波长激光器发出双波长激光束，通过光纤分束器分为两束物体照明波和两束参考波，所述物体照明波通过光纤耦合器合成为单一的物体照明波，通过透镜准直后照射到待测物体上，待测物体反射的物体波通过成像模块传输到相机，光纤分束器和光纤耦合器确保两个波长的光束在同一路径上传播；所述参考波经过透镜准直后以不同角度传输进入相机，与物体波发生干涉。
9、所述成像模块采用4f成像，由同轴放置的两个透镜和光阑组成，其中，光阑位于两个透镜中间。
10、所述全息图表示为：ih＝|o1+rc1|2+|o2+rc2|2，其中，ih为记录的全息图，包含了物体在两个波长下的全息信息，o1、o2表示不同波长下由物体反射的物体波，rc1、rc2表示不同波长的参考波，|*|2表示求模的平方。
11、所述相位图像重建具体为：对记录的全息图进行处理，将不同波长的物体波的频谱信息分离，得到两个波长的物体波光场分布o1、o2，然后通过滤波和傅里叶逆变换，计算得到相位图像，其中，初始状态下的相位图像为：
12、
13、其中，re表示取复数实部，im表示取复数虚部，上角标*表示复数共轭；
14、同时，计算第一波长的物体波光场分布的强度图像a1＝|o1|。
15、所述重建三维形状包括以下步骤：
16、基于初始状态下的相位图像和双波长的合成波长计算初始三维形状；
17、计算相邻状态下的相位差，基于相位差计算每个状态之间的高度差；
18、基于初始三维形状和各个状态之间的高度差实现不同状态下的三维形状重建。
19、所述初始三维形状的计算方法为：
20、
21、其中，h0表示初始状态的三维高度，φ0为初始状态下的相位图像，λ为双波长的合成波长：
22、
23、其中，λ1、λ2分别表示第一波长和第二波长。
24、计算相邻状态下的相位差，基于相位差计算每个状态之间的高度差，具体为：
25、基于各个状态下的相位图像，计算相邻状态下的相位差δφi：δφi＝φi-φi-1；
26、基于相位差计算每个状态之间的高度差δhi：
27、
28、其中，λ为双波长的合成波长。
29、所述不同状态下的三维形状重建的计算方法为：
30、
31、其中，i表示状态数量，h0表示初始状态的三维高度，δhj表示状态之间的高度差，hi表示第i个状态下的三维形状。
32、所述位移测量具体为：
33、使用2d-dic算法处理不同状态下的强度图像a1，计算获得每个状态相比原始状态下的x和y方向的位移场u和v；
34、根据位移场u、v获得各状态下的三维形状hi与初始状态下的形状h0的点对点对应关系，其中，由于位移场u、v具有亚像素精度，对各状态下的三维形状hi进行插值，获得与初始状态下的形状h0上各点对应的当前位置的高度；
35、将与初始状态下的形状h0上各点对应的当前位置的高度hi与h0的高度相减，计算出z方向的位移场w。
36、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
37、(1)实现了同时测量三维形状和位移
38、通过采用单次拍摄的数字图像相关(dic)辅助双波长数字全息术(dwdh)，能够在单次拍摄中同时测量曲面漫反射物体的三维形状和位移。使用频谱复用技术，使得双波长全息图可以在一次曝光中记录，从而在不增加系统复杂性的前提下，实现了三维形状和位移的同步测量。这一设计简化了测量过程，并大大提高了测量效率。
39、(2)扩展了测量本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述双波长数字全息系统采用离轴频谱复用设置，包括双波长激光器、光纤分束器、光纤耦合器、透镜、待测物体、成像模块和相机，双波长激光器发出双波长激光束，通过光纤分束器分为两束物体照明波和两束参考波，所述物体照明波通过光纤耦合器合成为单一的物体照明波，通过透镜准直后照射到待测物体上，待测物体反射的物体波通过成像模块传输到相机，光纤分束器和光纤耦合器确保两个波长的光束在同一路径上传播；所述参考波经过透镜准直后以不同角度传输进入相机，与物体波发生干涉。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述成像模块采用4F成像，由同轴放置的两个透镜和光阑组成，其中，光阑位于两个透镜中间。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述全息图表示为：IH＝|O1+R
5.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述相位图像重建具体为：对记录的全息图进行处理，将不同波长的物体波的频谱信息分离，得到两个波长的物体波光场分布O1、O2，然后通过滤波和傅里叶逆变换，计算得到相位图像，其中，初始状态下的相位图像为：
6.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述重建三维形状包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述初始三维形状的计算方法为：
8.根据权利要求6所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述计算相邻状态下的相位差，基于相位差计算每个状态之间的高度差，具体为：
9.根据权利要求6所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述不同状态下的三维形状重建的计算方法为：
10.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述位移测量具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述双波长数字全息系统采用离轴频谱复用设置，包括双波长激光器、光纤分束器、光纤耦合器、透镜、待测物体、成像模块和相机，双波长激光器发出双波长激光束，通过光纤分束器分为两束物体照明波和两束参考波，所述物体照明波通过光纤耦合器合成为单一的物体照明波，通过透镜准直后照射到待测物体上，待测物体反射的物体波通过成像模块传输到相机，光纤分束器和光纤耦合器确保两个波长的光束在同一路径上传播；所述参考波经过透镜准直后以不同角度传输进入相机，与物体波发生干涉。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述成像模块采用4f成像，由同轴放置的两个透镜和光阑组成，其中，光阑位于两个透镜中间。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关辅助的双波长全息三维位移单次曝光测量方法，其特征在于，所述全息图表示为：ih＝|o1+rc1|2+|o2+rc2|2，其中，ih为记录的全息图，包含了物体在两个波长下的全息信息，o1、o2表示不同波长下由物体反射的物体波，...
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