羅天嬌，吳幸鍇，孫微微，侯麗華

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

隨著科學技術的不斷發(fā)展和工藝生產水平的不斷進步，微小位移已在眾多應用領域中顯得格外重要。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對物體產生力的作用，從而影響測量結果，所以接觸式的微小位移測量很難實現高精度的檢測。而非接觸測量主要采用光學的方法，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，目前被廣泛地應用研究[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數，當條紋變化數較多時，由于工作量較大與長時間的視覺集中，容易產生視覺疲勞，造成人工誤差，對微小位移測量精度產生影響[4]。本文根據邁克爾遜干涉儀原理，采用CCD對干涉條紋進行采集，利用Matlab中 Waved Ruler(波尺)對干涉條紋進行采集以及圖像處理，從而計算出微小位移量，為微小位移的實時自動測量提供一種新的可行性方案。

1 邁克爾遜干涉儀原理

本實驗基于邁克爾遜干涉儀原理如圖1 所示，激光源為能產生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)，再通過計算機實時計算并給出數據。當被測物體每移動半個波長，就有一個條紋在成像屏上出現或消失[5]。若條紋變化數為N，則物體移動的距離為

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；λ為激光波長。干涉條紋通過高幀圖像傳感器實時將畫面數據傳輸到計算機，計算機程序對圖像降噪處理、取條紋坐標、并通過兩幀之間的條紋位移量實時給出被測物體的位移量。

為了以這樣的方式進行計算，圖像傳感器選取的畫面應為略偏離圓環(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光波長數量級，相比機械、幾何等測量方法精度有本質的提高。對條紋檢測這種方式也遠比讀數等傳統(tǒng)統(tǒng)計方法更精確。

2 實驗內容

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，不能直接用于計算，需要進行處理后使用，為此所設計的程序給出四個處理步驟：

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、污染等因素產生的，而發(fā)現，當被測物體形變時，背景的明暗無規(guī)則光斑不隨條紋移動，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動的平面鏡，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

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

圖6 縱向多重取樣后二值化圖

2.3 除小噪聲

在畫面上經常會出現處于二值化臨界值附近亮度構成的區(qū)域，這樣的區(qū)域取二值化后就會出現零散的黑白像素點，會被誤認為是條紋，除小噪聲就是設定一個閾值，任何條紋寬度小于該閾值的條紋都會被忽略。圖7為以上述方式處理后取適當值二值化的圖像。

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行的處理，條紋優(yōu)選則是在計算時進行的處理，由于條紋降噪后的效果不可能一直保持穩(wěn)定，程序對條紋的識別也有可能出現部分失誤，而只要畫面中的多數條紋準確地被識別位置，條紋優(yōu)選就能找到多數條紋的間距等特征，并排除偏離此特征的條紋，使被排除的條紋完全不影響計算結果。

以下圖像展示了數據區(qū)域坐標-光強曲線，其中紅色空心圓點代表由程序識別的暗條紋所在的位置，而綠色點則代表條紋優(yōu)選所選擇的條紋，可以看到，某一點及與其相鄰的點被準確識別時，條紋優(yōu)選都準確的標記了這個位置。

圖8 條紋優(yōu)選標記圖

3 程序設計

程序Waved Ruler(波尺)是由針對此實驗和設備獨立編寫的程序。采用MATLAB的App Designer工具編寫。Waved Ruler(波尺)由“參數設置”、“光學調試”、“開始測量”三個模塊組成?！皡翟O置”模塊進行圖像傳感器準備工作及簡單的參數設置。之前列舉的降噪方式在程序的“光學調試”模塊可進行對應的設置并預覽降噪效果，在設置完畢后，可以使用此程序的“開始測量”模塊測量微小形變，并可以對計算結果進行數據可視化、導出等操作。

圖9 Waved Ruler界面圖

4 測量數據及誤差分析

由于干涉條紋不可區(qū)分，在計算時，若條紋在兩幀之間的相對移動比例，就會有一個新的條紋更接近移動前的該條紋。計算機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，當計算機程序檢測到位移速度達到該值的80%以上時，程序便會給予提示。

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

在實驗室中環(huán)境振動產生的速度幅度峰值大約為10 μm/s(這個值并不代表環(huán)境振動的速度最大值為10 μm/s)，這會對可測量的最大速度產生影響，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)境振動只在平衡位置上下附近振動、且振幅小于測量精度，因而不會對測量精度產生影響，在不超過速度限制時，不會引起測量誤差。

在實驗室中，通過調節(jié)光學調整架的位移，模擬物體形變，對比調整架上的標尺讀數與程序的測量結果。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 實驗結果誤差分析

5 結 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Waved Ruler(波尺)中干涉條紋的變化，對條紋進行優(yōu)化，最后對條紋進行計算得到位移量。從實驗結果可以看出實現了10.00 μm微小位移的精確測量，且測量最小誤差可達到0.4%，相比于傳統(tǒng)微小位移的測量，本實驗精度高、成本低、信號采集過程中噪聲小等優(yōu)點，為在以后的干涉測量繼續(xù)提高精度中提供了借鑒。