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原文传递固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法

专利名称：	固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法
摘要：	本发明公开了一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法，该装置包括检测连续激光源、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、固体材料样品、数字微镜阵列、光阑、工业相机CCD、光电探测器、计算机、示波器。方法为：首先将一束连续检测激光聚焦于样品表面，使用数字微镜阵列搜集并均分反射的散射光斑；然后将声扰动引起的样品表面质点振动，转化为散射光斑在数字微镜上的移动；接着使用光电探测器接收数字微镜反射光斑的功率变化，最终实现粗糙表面声扰动的光学检测。本发明可实现对沿粗糙固体材料表面声扰动的非接触式检测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京理工大学
发明人：	倪辰荫;阿雷克塞·罗莫诺索;钱嘉树;应恺宁;王曦彬;王昕悦;沈中华
专利状态：	有效
申请日期：	2017-11-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-24T00:00:00+0800
申请号：	CN201711146119.X
公开号：	CN109799191A
代理机构：	南京理工大学专利中心
代理人：	薛云燕
分类号：	G01N21/17(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫200号
主权项：	1.一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置，其特征在于，包括检测连续激光源(1)、第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(3)、第三聚焦透镜(4)、第四聚焦透镜(5)、固体材料样品(6)、数字微镜阵列(7)、光阑(8)、工业相机CCD(9)、光电探测器(10)、计算机(11)、示波器(12)；其中数字微镜阵列(7)与计算机(11)连接，工业相机CCD(9)连接计算机(11)以获取图像；所述检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)照射在固体材料样品(6)表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，照射在数字微镜阵列(7)表面：当数字微镜阵列(7)打开时，反射的散射光斑在微镜阵列表面反射形成多个规则排列的衍射光斑，通过第三聚焦透镜(4)聚焦，并利用光阑(8)选取其中亮度最高的衍射光斑，入射至工业相机CCD(9)光敏面，计算机(11)完成取像；当数字微镜阵列(7)关闭时，向上的反射光经第四聚焦透镜(5)聚焦后，入射至光电探测器(10)的光敏面，转换为电信号在示波器(12)中以波形显示，并传输至计算机(11)记录。 2.根据权利要求1所述的固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置，其特征在于，所述数字微镜阵列(7)有两个工作位置，一个沿正向翻转设定角度，定义为on，另一个沿负向翻转相同角度，定义为off；所述数字微镜阵列(7)中单个微镜面积需至少小于入射散斑平均面积的1/2。 3.一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、系统初始化，确定工业相机CCD(9)和数字微镜阵列(7)的相对空间关系；步骤2、检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)照射在固体材料样品(6)表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，照射在数字微镜阵列(7)表面；步骤2、将数字微镜阵列(7)打开，反射的散射光斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑(8)选取亮度最高的衍射光斑入射工业相机CCD(9)的光敏面，记录散射光斑图；步骤3、使用计算机分析散射光斑图位置及亮度变化：分析散射光斑静止时，数字微镜阵列(7)表面散射光斑的亮度变化，将散射光斑亮度增加部分对应的数字微镜阵列(7)关闭，实现所有散射光斑的均分处理；步骤4、使用第四聚焦透镜(5)搜集关闭的数字微镜阵列(7)反射方向上的所有散射光斑，并入射至光电探测器(10)的光敏面，转换为电信号在示波器(12)中以波形显示，并传输至计算机(11)记录；步骤5、由声扰动引起的样品表面质点振动转化为散射光斑在数字微镜阵列(7)上的移动，从而引起数字微镜阵列(7)反射光斑的功率变化，最终被光电探测器(10)接收，实现沿粗糙表面传播声扰动的光学检测；若检测位置固定，则每次检测重复步骤4～5；若检测位置发生移动，则需重复进行步骤2～5。 4.根据权利要求3所述的固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，其特征在于，步骤1所述的系统初始化，确定工业相机CCD(9)和数字微镜阵列(7)的相对空间关系，具体如下： 1)检测连续激光源(1)发出的检测激光经过第一聚焦透镜(2)聚焦成点光斑，照射固体材料样品(6)表面的检测位置； 2)样品表面的反射散斑经过第二聚焦透镜(3)聚焦后，完全照射在数字微镜阵列(7)表面，保证数字微镜阵列(7)搜集到完整的反射散斑； 3)将数字微镜阵列(7)的所有微镜打开，经数字微镜阵列(7)的反射散斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑(8)选取亮度最高的衍射光斑入射至工业相机CCD(9)光敏面，使用计算机(11)取像记为Figure_0； 4)确定数字微镜阵列(7)中心列在工业相机CCD(9)上的投影位置，将数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列的偏转方向设置为关闭，使用计算机(11)获取此时工业相机CCD(9)的图像，记为Figure_n； 5)将Figure_n与Figure_0各对应点信号作差，获得图像Dn，然后通过Dn计算获得数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列在工业相机CCD(9)上的对应位置N列； 6)首先以数字微镜阵列(7)正中第n列微镜列为基准，同时将n-i、n+i列微镜阵列偏转方向设置为关闭，i＝5，然后每隔5列将一列微镜阵列偏转方向设置为关闭，直至微镜阵列边缘；设这些微镜阵列的关闭列为s5序列，通过工业相机CCD(9)获得图像记为Figure_s5，再将Figure_s5与Figure_0各对应点信号作差，获得图像Ds5，通过Ds5计算获得数字微镜阵列(7)中s5序列各列在工业相机CCD(9)上的对应位置S5序列，最后将关闭的微镜复原至打开； 7)分别设定步骤6)中i＝4,3,2,1，此时微镜阵列的关闭列序列为s4、s3、s2和s1，按步骤6)分别获得数字微镜阵列(7)中s4,s3,s2和s1序列各列在工业相机CCD(9)上的对应位置S4、S3、S2、S1序列，最后将关闭的微镜复原至打开； 8)综合S1、S2、S3、S4和S5序列，获得数字微镜阵列(7)所有列在工业相机CCD(9)上的投影位置； 9)对行操作重复步骤4)～8)，获得数字微镜阵列(7)所有行在工业相机CCD(9)上的投影位置； 10)结合行、列信息，获得数字微镜阵列(7)上所有微镜在工业相机CCD(9)上的投影位置。
所属类别：	发明专利