基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統的製作方法
2023-08-08 20:37:41
基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，該系統包括雷射器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴束鏡、第二擴束鏡、放大系統以及CCD攝像機。本實用新型的優點是：能夠給出雷射加工過程中的瞬態三維位移，並且其時間和空間的分辨能力會隨著高速攝影系統和長距離顯微鏡的進一步發展而獲得提高；將電子散斑幹涉和數字散斑相關有機結合併利用了它們各自的優勢，方便測量，為研究雷射加工所需的微尺度瞬態三維熱變形提供了有效、實用的實驗手段。
【專利說明】
基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種光學測試技術，更具體地說，本實用新型涉及一種用於測量微尺度瞬態三維位移場的雙光路高速顯微散斑幹涉系統。
【背景技術】
[0002]目前，光學測試技術已經成為當今科學研究的重要手段並滲透於各個研究領域，為工程技術領域提供所需的特殊測量技術和方法及實現光學測試技術信息的高精度快速提取，一直是測試領域和實驗固體力學的重要課題和努力目標。
[0003]由於雷射加工技術的快速發展，對非接觸式微尺度瞬態三維熱變形測量技術的需要隨之與日倶增。雷射加工技術擁有可精確控制微觀過程、生產效率高、加工成本低等諸多優點，並因此廣泛應用於微電子學、光子晶體器件、微機械加工以及微細醫療器件的製作和細胞生物工程等領域。然而，在雷射加工過程中往往產生熱變形，而過度的熱變形常常是限制被加工器件速度、壽命及輸出功率等性能的主要因素。所以，研究雷射加工中微尺度瞬態三維熱變形是控制被加工器件的質量、掌握被加工器件的熱量產生與傳輸及提高器件設計能力的關鍵，也是相關研究者關注的熱點課題，國內外在理論研究、實驗研究和數值分析研究三方面都在為解決這一難題而努力。但是，相對於微尺度條件下的理論研究和數值模擬，微尺度實驗技術在需要完整、清晰的基本原理和理論的同時，還需要藉助基本的檢測技術和檢測平臺，但目前這兩方面的發展卻非常有限，而且雷射加工中瞬態熱變形的測量環境較差(照射時間短，被測區域小，溫度高)，因此，在現有的條件下，研究和發展具有時間和空間分辨功能的有效的微尺度瞬態三維熱變形實驗測試技術，是急需解決的並具有挑戰性的問題，有著重要的科學意義和工程實際價值。
[0004]當前，電子散斑幹涉和數字散斑相關法均已廣泛地應用於位移場測量，最具代表性的是德國Dantec Dynamics company開發的三維電子散斑幹涉儀(3D ESPI System Q-300)和三維數字散斑相關測試系統(Digital 3D Image Correlat1n System Q-400)，但他們的三維電子散斑幹涉儀需用4光路，三維數字散斑相關測試系統需要兩個CCD攝像系統。中國船舶重工集團公司第七一一研究所張熹等開發了 3光路三維散斑幹涉儀，該幹涉儀利用一組分光鏡將電子散斑幹涉和數字散斑相關法有機結合，建立了雙光路三維散斑幹涉系統，但結構複雜。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的就是克服以上現有技術的缺點，並為此提供一種結構簡單且具有較高精度和實用性的基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統。
[0006]本實用新型的技術方案是:
[0007]—種基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，包括雷射器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴束鏡、第二擴束鏡、放大系統以及CCD攝像機。
[0008]本實用新型用於微尺度瞬態三維位移場的測量時，所述雷射器發出的光路主線傳遞到第一分光鏡後，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡；
[0009]從第二分光鏡分出的光路一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡；從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經第一擴束鏡到被測物;第三全反鏡的光經第二擴束鏡到被測物，經第一、第二擴束鏡的光作用在被測物後返回到第五分光鏡並通過第五分光鏡到放大系統，最終由CCD攝像機記錄下來，完成面內位移的測量；
[0010]從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測物，與經第一、第二擴束鏡的光作用在被測物後返回第五分光鏡並通過第五分光鏡到放大系統，最終由CCD攝像機記錄下來，完成離面位移的測量。
[0011 ]面內位移測量光路和離面位移測量光路的雷射能量由能量衰減器控制；
[0012]在離面位移測量光路中若加入相移器可實現相移電子散斑幹涉測量。
[0013]所述的CXD攝像機採用高速攝像機和長距離顯微鏡。
[0014]本實用新型的有益效果是:
[0015](I)結構簡單，測量方便，能夠給出雷射加工過程中的瞬態三維位移，並且其時間和空間的分辨能力會隨著高速攝影系統和長距離顯微鏡的進一步發展而獲得提高。
[0016](2)將電子散斑幹涉和數字散斑相關有機結合併利用了它們各自的優勢，為研究雷射加工所需的微尺度瞬態三維熱變形提供了有效、實用的實驗手段。
【附圖說明】
[0017]附圖是本實用新型系統的示意圖；
[00?8]圖中標記:1-雷射器，2-第一全反鏡，3-第一分光鏡，4-第二分光鏡，5-第三分光鏡，6-第四分光鏡，7-第四全反鏡，8-第五分光鏡，9-放大系統，10-CXD攝像機，11-第二全反鏡，12-第一擴束鏡，13-被測物，14-第二擴束鏡，15-第三全反鏡。
【具體實施方式】
[0019]本領域技術人員了解，電子散斑幹涉術(ESPI)和數字散斑相關方法(DSCM)(這裡將ESPI和DSCM統稱為散斑幹涉術)都是非接觸式全場測試技術，數字散斑相關法(DSCM)在面內位移測量方面有著獨特的優勢，它與其它幹涉計量法相比具有光路簡單、要求測量環境低、可以是人工散斑或者某些自然紋理等優點，在測量範圍上也可自由變化，大至宏觀尺度小至納米變形測量，對於大變形或微變形的測量尤為有利，並且應用DSCM測量面內位移，比用ESPI測量面內位移少一種光路布置。但DISC對離面位移的測量較為困難，電子散斑幹涉(ESPI)可實現離面位移的測量。儘管這兩種技術有著本質的不同，但他們都是利用變形前後的散斑圖來獲得被測物理量。所以，本實用新型技術利用一組分光鏡將電子散斑幹涉和數字散斑相關有機地結合起來，使其發揮各自的優勢，建立器一個雙光路布置的三維散斑幹涉系統，再藉助高速攝影系統和長距離顯微鏡建立一套用於雷射加工中瞬態面內位移和離面位移的測量系統。
[0020]為了使本實用新型更容易被清楚理解，下面結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案作以詳細說明。
[0021]參照附圖，本實用新型基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，包括雷射器1、第一全反鏡2，第一分光鏡3，第二分光鏡4，第三分光鏡5，第四分光鏡6，第四全反鏡7，第五分光鏡8，放大系統9，CXD攝像機1，第二全反鏡11，第一擴束鏡12，被測物13，第二擴束鏡14，第三全反鏡15。
[0022]附圖示出的本實用新型系統用於測量微尺度瞬態三維位移場，其中與被測物13斜入射的兩條光線構成的光路，用於面內位移測量;其中一條斜入射光線和一條垂直入射光線構成的光路，用於離面位移測量。具體測量方法如下:
[0023]從所述雷射器I發出的光路主線傳遞到第一分光鏡3，從第一分光鏡3分出的光路一部分到第一全反鏡2，另一部分到第二分光鏡4;
[0024]從第二分光鏡4分出的光路一部分到第二全反鏡n，另一部分到第三分光鏡5;從第三分光鏡5分出的光路到第四分光鏡6;從第四分光鏡6分出的光路一部分經第二分光鏡4到第二全反鏡11，另一部分到第三全反鏡15;第二全反鏡11的光經第一擴束鏡12到被測物13;第三全反鏡15的光經第二擴束鏡14到被測物13，經第一擴束鏡12和第二擴束鏡14的光作用在被測物13後返回到第五分光鏡8並通過第五分光鏡8到放大系統9，最終由CXD攝像機10記錄下來，完成面內位移的測量；
[0025]從第一全反鏡2反出的光到第四全反鏡7，再由第四全反鏡7反射到第五分光鏡8，從第五分光鏡8分出的一路光到被測物13，與經第一擴束鏡12和第二擴束鏡14的光作用返回第五分光鏡8並通過第五分光鏡8到放大系統9，最終由CCD攝像機10記錄下來，完成離面位移的測量。
[0026]以上兩種光路所需要的雷射能量可以由能量衰減器控制，在離面位移測量光路中，若加入相移器，還可以實現相移電子散斑幹涉測量。
[0027]由於雷射加工的時間很短且被測區域較小，故其中的CCD攝像機10最好採用高速攝像機和長距離顯微鏡，利用高速顯微數字散斑相關法測量雷射加工中不同時刻的面內位移，並利用高速顯微電子散斑幹涉法測量雷射加工中不同時刻的離面位移。
[0028]以上參照附圖和實施例對本實用新型的技術方案進行了示意性描述，該描述沒有限制性。本領域的技術人員應能理解，在實際應用中，本實用新型中各個技術特徵的設置方式均可能發生某些變化，而其他人員在其啟示下也可能做出相似設計。特別需要指出的是:只要不脫離本實用新型的設計宗旨，所有顯而易見的細節變化或相似設計，均包含在本實用新型的保護範圍之內。
【主權項】
1.一種基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，包括雷射器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴束鏡、第二擴束鏡、放大系統以及CCD攝像機，其特徵在於: 所述雷射器發出的光路主線傳遞到第一分光鏡後，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡； 從第二分光鏡分出的光路，一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡;從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經第一擴束鏡到被測物;第三全反鏡的光經第二擴束鏡到被測物，經第一、第二擴束鏡的光作用在被測物後返回到第五分光鏡並通過第五分光鏡到放大系統，最終由CCD攝像機記錄下來，完成面內位移的測量； 從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測物，與經第一、第二擴束鏡的光作用在被測物後返回第五分光鏡並通過第五分光鏡到放大系統，最終由CCD攝像機記錄下來，完成離面位移的測量。2.根據權利要求1所述的基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，其特徵在於:面內位移測量光路和離面位移測量光路的雷射能量由能量衰減器控制。3.根據權利要求1所述的基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，其特徵在於:在離面位移測量光路中加入相移器，實現相移電子散斑幹涉測量。4.根據權利要求1所述的基於分光鏡的雙光路三維散斑幹涉系統，其特徵在於:所述的CCD攝像機採用高速攝像機和長距離顯微鏡。
【文檔編號】G01B9/02GK205691063SQ201620573101
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月12日 公開號201620573101.2, CN 201620573101, CN 205691063 U, CN 205691063U, CN-U-205691063, CN201620573101, CN201620573101.2, CN205691063 U, CN205691063U
【發明人】唐晨, 陳明明, 蘇永鋼, 李碧原
【申請人】天津大學