技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于彩色相机的高精度光学引伸计及测量方法，属于光学测量及
无损检测领域。
背景技术
[0002] 应变测量一向是材料性能检测、结构失效分析、工业
变形监测等领域的重要目标之一，传统的应变测量技术主要包括
接触式和非接触式测量技术。
[0003] 接触式测量技术如
电阻应变片、光纤应变计或机械式引伸计等方法不仅给被测样品添加了附加
质量，还有可能由于粘结剂的使用在一定程度上对样品起到了强化作用，使得这些测量方式在快速发展的
生物材料、
薄膜材料等样品的检测方面难以被接受。
[0004] 非接触测量技术中，全场测量的二维和三维数字图像相关技术对于应变的检测精度还有待提高，目前也已经出现了越来越多基于光学方法的视频引伸计，如Instron公司已商品化的视频引伸计，应变测量精度也不能满足实际应用的需要。更重要的是，实际实验条件下样品必然会由于各种原因产生一定的离面位移，在常规针孔成像模型条件下离面位移会在成像系统的像面上产生虚假位移和虚假应变，极大地干扰应变测量结果的精度和
分辨率。
[0005] 针对该问题白鹏翔等人在2015年提出了一种应变修正方法，需要额外附加修正片来保证较高的精度，有学者提出使用远心镜头或者多个相机来规避针孔成像模型，高昂的成本限制了其在实际工程中的应用。
发明内容
[0006] 为了克服
现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于彩色相机的高精度光学引伸计及测量方法。使用该光学引伸计和测量方法进行均匀应变检测，可以在较低成本的
基础上有效消除由于被测样品离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，提高均匀应变测量的精度和分辨率。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 本发明提供一种基于彩色相机的高精度光学引伸计，包括一台彩色数字相机、一个长焦距镜头、一个分光棱镜、一个蓝色滤色片、一个红色滤色片、第一至第三反射镜以及
数据处理装置；其中：
[0009] 蓝色滤色片和红色滤色片分别
覆盖在分光棱镜的两个相邻表面，蓝色滤色片和红色滤色片对从两个方向入射到分光棱镜的光场分别进行蓝色和红色的
颜色过滤，经过颜色过滤的两个光场通过分光棱镜合成为一个红蓝两色
叠加的光场；
[0010] 第一反射镜对应于被测样品表面的第一目标点，将第一目标点的漫射光场反射到分光棱镜中覆盖了滤色片的其中一个表面；第二和第三反射镜均对应于被测样品的第二目标点，将第二目标点的漫射光场反射到分光棱镜中覆盖了滤色片的另外一个表面；
[0011] 彩色数字相机通过长焦距镜头接收从分光棱镜出射的红蓝两色叠加的光场，并进行成像，形成彩色数字图像传输至数据处理装置；
[0012] 数据处理装置包括颜色通道分离模
块、相关运算模块和后处理模块，颜色通道分离模块对接收到的彩色数字图像进行红绿蓝三通道分离，分离出红色和蓝色通道的数字图像；相关运算模块根据颜色通道分离模块分离出的红色和蓝色通道的数字图像，获取第一和第二目标点沿着测量方向的位移信息；后处理模块利用相关运算模块获取的位移信息，结合第一和第二目标点的间距信息，获得被测样本表面的均匀应变信息。
[0013] 作为本发明的进一步技术方案，红色滤色片和蓝色滤色片的
位置能够互换。
[0014] 作为本发明的进一步技术方案，被测表面的均匀应变大小为(x2-x1)/s，x1和x2分别为第一和第二目标点沿着测量方向的位移，s为第一和第二目标点的间距。
[0015] 本发明还提供一种基于如上任一所述的基于彩色相机的高精度光学引伸计的均匀应变测量方法，包括如下步骤：
[0016] (1)在被测样品表面选取两个目标点作为测量点，两目标点的连线方向为测量方向，在目标点人工生成随机散斑或利用被测样品表面纹理，作为变形信息的载体；
[0017] (2)固定安装长焦距镜头和彩色数字相机，使长焦距镜头的光轴与被测样品表面垂直；
[0018] (3)在长焦距镜头与被测样品之间放置分光棱镜，使分光棱镜对准长焦距镜头且其中一个表面与长焦距镜头的光轴垂直；
[0019] (4)在分光棱镜的相邻两个表面分别覆盖上蓝色和红色滤色片，使这两个表面分别能够对各自的入射光线进行滤色处理；
[0020] (5)安装第一个反射镜，使被测样品表面的第一个目标点能够通过第一个反射镜入射到覆盖有滤色片的分光棱镜其中一个表面；安装剩余两个反射镜，使被测样品表面的第二个目标点能够通过剩余两个反射镜入射到覆盖有滤色片的分光棱镜另外一个表面；调整三个反光镜的位置，使两个目标点上的漫射光场经过反射进入长焦距镜头的光程相等；
[0021] (6)利用彩色数字相机通过长焦距镜头采集彩色数字图像，并对采集到的彩色数字图像进行颜色通道分离，分离出红色和蓝色通道的数字图像；
[0022] (7)根据分离出的红色和蓝色通道的数字图像，分别得到两个目标点沿着测量方向产生的位移为x1和x2，结合两个目标点的间距s，计算被测表面的均匀应变大小为(x2-x1)/s。
[0023] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0024] (1)被测样品表面无损：与工业领域中以应变片为代表的传统接触式测量技术相比，本发明采用了光学测量技术，不需要与样品表面直接接触，无附加质量，对样品没有损伤，不会限制样品变形；
[0025] (2)消除了样品表面离面位移的影响：分光棱镜和反射镜的使用使两个目标点均能够以垂直入射的方式在图像芯片中心成像，而且数字相机采用的是长焦距镜头，使得目标点一定程度的离面位移并不会在数字相机的像面上产生虚假位移，根据位移计算的应变也不包含虚假应变，因而消除了测量过程中由于样品不可避免产生的离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，为测量精度的提高提供了基础；
[0026] (3)应变测量精度提高：相对于基于针孔成像模型单相机的均匀应变测量来说测量精度有了极大的提高；单相机测量中视场和分辨率是一对矛盾的因素，浪费了视场范围，限制了测量标距，使得均匀应变测量精度有限，而彩色相机和分光棱镜以及反光镜的采用使目标点的选取更加灵活，同时每个目标点都能在满画幅的图像芯片上成像，增加了空间分辨率，在保证位移测量精度的同时，测量标距也不再受到限制，因而极大提升了均匀应变的测量精度；
[0027] (4)成本较低：仅使用一个彩色相机，避免了多个相机之间
软件和
硬件的同步步骤，降低了成本；与基于远心镜头的单相机应变测量相比，增加棱镜和反射镜的代价远比不上昂贵的远心镜头，且能够得到更高的测量精度，既降低了成本又提高了测量效果。
附图说明
[0028] 图1是本发明涉及的光学引伸计测量示意图。
[0029] 图中：1-被测样品，2-第一个目标点，3-第二个目标点，4-第一个反射镜，5-第二个反射镜，6-第三个反射镜，7-分光棱镜，8-蓝色滤色片，9-红色滤色片，10-长焦距镜头，11-彩色数字相机。
[0030] 图2为本发明方法中消除离面位移原理示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0032] 如图1所示，本发明
实施例公开的一种基于彩色相机的高精度光学引伸计，包括一台彩色数字相机11、一个长焦距镜头10、一个分光棱镜7、一个蓝色滤色片8、一个红色滤色片9、第一个反射镜4、第二个反射镜5、第三个反射镜6及数据处理装置。
[0033] 蓝色滤色片8和红色滤色片9分别覆盖在分光棱镜7的两个相邻表面上，具体来说，分光棱镜7包含四个表面(两个与长焦距镜头10的光轴平行的表面，两个与长焦距镜头10的光轴垂直的表面)，红色滤色片9则位于与长焦距镜头10的光轴垂直的两表面中距离长焦距镜头10较远的一个表面上，蓝色滤色片8所在的表面则与红色滤色片9和分光棱镜的内部反射面相交于一点。
[0034] 被测样品1的第一个目标点2的光场经过反射镜4射向蓝色滤色片8，经过滤色之后仅保留蓝色分量进入分光棱镜7，通过分光棱镜7的内部反射面射向长焦距镜头10；被测样品1的第二个目标点3的光场经过反射镜6和反射镜5的两次反射，射向红色滤色片9，经过滤色后仅保留红色分量进入分光棱镜7，透射过分光棱镜7的内部反射面后直接射向长焦距镜头10；此时，目标点2的蓝色光场和目标点3的红色光场离开分光棱镜7后产生叠加，生成了彩色光场共同射向长焦距镜头10，并在彩色数字相机11的像面上成像，生成彩色的数字图像。
[0035] 蓝色滤色片8和红色滤色片9可以交换位置，交换位置后对测量结果不产生任何影响。
[0036] 调整彩色数字相机11、长焦距镜头10和分光棱镜7的位置，使长焦距镜头10的光轴与分光棱镜7的四个表面成平行或垂直的
姿态；微调反射镜4、5、6和分光棱镜7的位置，使目标点2和3经过多次反射进入长焦距镜头10的光程相等；微调反射镜4、5、6，使目标点2和3入射到反射镜4和6的光线与被测样品1的表面垂直。
[0037] 利用彩色数字相机11分别采集被测样品1变形前后的数字图像，首先利用数据处理装置中的颜色通道分离模块对采集到的彩色数字图像进行红绿蓝三通道分离，将分离出红色和蓝色通道的数字图像，其中蓝色通道字图像仅包含目标点2变形前后的光场信息，红色通道数字图像仅包含目标点3变形前后的光场信息；然后利用数据处理装置的相关运算模块处理分离出来的蓝色和红色通道数字图像，分别获取目标点2和3沿着测量方向的位移信息；最后利用数据处理装置的后处理模块对位移信息进行处理，结合两目标点2和3的间距信息，获得被测样品1表面的均匀应变信息。
[0038] 本发明实施例公开的一种基于彩色相机的高精度光学引伸计及测量方法，能够消除由于被测样品表面产生离面位移而导致测量结果中包含的虚假位移和虚假应变，虚假位移和应变产生原理如图2所示。不使用远心镜头的普通相机和镜头在成像时普遍遵循针孔成像模型，如图2中如果将目标点设定为被测样品表面上远离光轴的一点A，经过镜头会在像面上的a点成像。当被测样品表面产生一定程度的离面位移使A点移动到了B点，根据针孔成像模型将会在像面上与a点存在一定距离的b点成像。在被测样品并未产生变形的条件下，仅仅由于被测样品表面产生离面位移而使同一个点在像面上所成的像点产生了位移，位移的大小为a点和b点的间距，根据位移数据能够计算出相应的应变数据，这就是由离面位移导致的虚假位移和虚假应变。当把目标点设定在被测样品表面与光轴的交点C，在像面上的c点成像。随着被测样品表面的离面位移C点移动到了D点，此时在像面上d点成像。不难发现，c点和d点其实是重合的，即目标点在像面上并未产生位移，也就意味着离面位移并不会导致虚假位移以及后续的虚假应变。如图1中目标点2和3的光场由于垂直射向反射镜4和6，且大致通过长焦距镜头10的
光心进行成像，因而目标点2和3轻微的离面位移并不会引起虚假位移和虚假应变，测量精度自然能够得到提高。
[0039] 本发明实施例公开的一种基于彩色相机的高精度光学引伸计及测量方法，目标点2和3及其附近区域均能够在彩色数字相机11的整个图像芯片上进行成像而不是仅占据图像芯片的一部分，增大了目标点2和3成像的放大倍数，有利于提高位移和应变测量精度。
[0040] 本发明实施例公开的一种基于上述光学引伸计的均匀应变测量方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤1、在被测样品表面选取两个目标点作为测量点，两目标点的连线方向为测量方向，在目标点人工生成随机散斑或利用样品表面纹理，作为变形信息的载体；
[0042] 步骤2、固定安装长焦距镜头和彩色数字相机，使长焦距镜头的光轴尽量与被测样品表面垂直；
[0043] 步骤3、在长焦距镜头与被测样品之间放置分光棱镜，使分光棱镜对准镜头且其中一个侧面与长焦距镜头的光轴垂直；
[0044] 步骤4、在分光棱镜的相邻两个侧面分别覆盖上蓝色和红色滤色片，使两个侧面分别能够对各自的入射光线进行滤色处理；
[0045] 步骤5、安装第一个反射镜，使被测样品表面第一个目标点能够通过第一个反射镜入射到覆盖有滤色片的分光棱镜其中一个侧面，安装剩余两个反射镜，使被测样品表面第二个目标点能够通过剩余两个反射镜入射到覆盖有滤色片的分光棱镜另外一个侧面；调整反光镜的位置，使两路光线的光程相等；
[0046] 步骤6、利用彩色数字相机采集彩色数字图像，并对采集到的图像进行颜色通道分离，分离出蓝色分量数字图像和红色分量数字图像；
[0047] 步骤7、利用数字图像相关技术对分离出的数字图像进行相关运算，追踪两目标点的位移，分别得到两目标点沿着测量方向产生的位移为x1和x2，结合两目标点的间距s，可以计算被测表面的均匀应变大小为(x2-x1)/s。
[0048] 在步骤7中，数字图像相关
算法为现有技术。例如，期刊名称为《光学学报》，2013年04期，公开了名称为《使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统》的文章中公开了数字图像相关算法。
[0049] 本发明使用彩色相机和分光棱镜以及反射镜作为
图像采集设备，与传统的单相机相比，两个目标点的间距即应变测量标距是根据实际需求可调的，具有更高的灵活性。两目标点间距与应变测量精度有着直接的联系，间距的增大可以扩大应变测量标距，在相对位移精度固定不变的情况下，也能极大增加应变测量的精度和分辨率。
[0050] 本发明使用彩色相机以不同颜色通道的方式同时满画幅记录了两个目标点的光场信息，提高了两个目标点数字图像的空间分辨率，间接提高了位移和应变的测量精度和分辨率。
[0051] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
