雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀的製作方法
2023-10-18 19:11:59 1
專利名稱：雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電子儀器，特別涉及一種雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀。
背景技術：
電子散斑幹涉(Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI)，是計算機圖像處理、雷射及幹涉相結合的一種綜合技術。
電子散斑幹涉儀在光測力學領域應用、研究和教學實驗中用途廣泛，非接觸測量可獲得被測物面內場位移場(U、V場)的條紋，為有限元提供可靠的邊界條件。可用於結構優化，能應用在細觀力學、殘餘應力測量、複合材料研究。尤其在結構分析及非破壞性檢測上應用廣泛。通過必要的後處理獲得設計者所需要的信息(數位化)。並且不需要像傳統光力學研究那樣配備暗房、進行顯定影溼處理、繁複搭建光路等，節省了大量工作。
目前國內尚無類似的電子散斑幹涉儀，國外生產的電子散斑幹涉儀主要有以下兩種。
一種是Steibichler公司生產的三維電子散斑幹涉儀，其光路圖如圖1所示。圖中標號，111為雷射器A，112為雷射器B，113為雷射器C，114為攝像機，115為參考物，116為被測物。由圖1可見，該儀器採用三束雷射照射，雷射A和B位於xoy平面內，和z軸的夾角分別為α、β。A、B照射可以解得U、W場位移。另一雷射束C位於xoz平面內，和z軸的夾角為γ，結果反映V和W的方程，通過聯立方程求出U、V和W場的位移，且U場和V場不是同時得到的。這種通過程序求解的方法，必然帶來較大的誤差。
另一種是Ettemeyer公司生產的三維電子散斑幹涉儀，其光路圖如圖2所示。圖中標號，121為照相機，122為全反射鏡，123為雷射器，124為被測物。由圖2可見，該儀器可以直接獨立得到U場和V場，但是，U場和V場也不是同時得到的。
上述兩公司的三維電子散斑幹涉儀使用的光源都是一個雷射光源，均不能直接得到獨立的U、V的幹涉條紋，必須通過解聯立方程來間接求得U場和V場。這樣勢必帶來較大的誤差，使其實用性和工程價值大為降低。
發明內容
本發明的目的，在於解決現有技術電子散斑幹涉儀存在的上述問題，提供一種可以直接、同時獲得純粹U、V場的幹涉條紋，並可以實現條紋數位化的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀。
本發明採用的技術方案是一種雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，包括儀器框架和安裝在框架上的光學儀器，所述的儀器框架包括主體框架和呈正交叉分布與主體框架連接的四個延伸手臂，主體框架由一塊豎隔板分隔成左右兩腔；所述的光學儀器包括兩組雷射照射機構、幹涉接收機構、四組雷射反射機構和空間相移機構；兩組雷射照射機構分別設置在主體框架的左腔，幹涉接收機構設置在主體框架的右腔，四組雷射反射機構分別安裝在四個延伸手臂上，空間相移機構安裝在主體框架的外側並與幹涉接收機構適配相鄰；所述的兩組雷射照射機構為泵浦紅雷射照射機構和泵浦綠雷射照射機構；所述的四組雷射反射機構包括設置在儀器主體框架相對兩側的兩個延伸手臂上的兩組紅雷射反射機構和設置在儀器主體框架另外兩個延伸手臂上的兩組綠雷射反射機構。
所述的泵浦紅雷射照射機構包括泵浦紅雷射器、設置在泵浦紅雷射器光路上的分光稜鏡和設置在分光稜鏡反射光路上的一個光路變向反射鏡；所述的泵浦綠雷射照射機構包括泵浦綠雷射器、設置在泵浦綠雷射器光路上的分光稜鏡、設置在分光稜鏡透射光路上的一個光路變向反射鏡和設置在分光稜鏡反射光路上的兩個光路變向反射鏡。
所述的兩組紅雷射反射機構和兩組綠雷射反射機構各由一個擴束鏡和一個全反射鏡組成。
所述的幹涉接收機構包括方稜鏡、設置在方稜鏡透射光路上的紅光濾光片和紅光接收機構以及設置在方稜鏡反射光路上的綠光濾光片和綠光接收機構。
所述的空間相移機構包括固定在主體框架上的支架、安裝在支架上的步進電機、載波片及其框架，步進電機與載波片框架傳動相連。
所述的各擴束鏡均為小直徑高折射率的過球面擴束鏡。
所述的紅光接收機構和綠光接收機構均由成像物鏡和CCD電耦合元件螺紋連接組成。
所述的主體框架下設有四根支撐座，各支撐座下分別連接有磁力表座。
本發明雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀由於採用了以上技術方案，使其與現有技術相比，有以下的優點和特點1、利用雷射波長不同不幹涉的原理，同時採用兩個不同的雷射器(雙波長)作為光源，即644.6nm泵浦紅雷射器和532nm泵浦綠雷射器，分別對應得到U場和V場，具有體積小、功率大、重量輕、單模輸出、相干長度長、便於攜帶的優點，適用於現場使用，並可裝在防振臺上工作；2、由於採用了不同波長通過的幹涉濾光片，使得三維變形中的U場和V場可獨立分離出來；3、具有非接觸、高靈敏度、不用暗房和顯定影溼處理，甚至可直接用於現場，便於後處理；4、可以通過空間相移器(偏轉載波片)實現條紋的數位化，不但可以得到變形條紋，知道應力集中區域，更能完全了解變形量的大小，即不但可以得到直觀的條紋，而且可以得到所需的數值量；5、由於採用了小直徑、高折射率的過球面擴束鏡，可使雷射擴散面積較大，在1m處的測量面積為Φ300mm。
6、可以直接、同時獲得純粹U場和V場的幹涉條紋，加上空間相移功能，實現了條紋的數位化；所用軟體可以實現計算機自動採集、計算及圖像後處理；7、可以解決工程中的靜態、準動態及動態問題，應用前景廣闊；8、可以用於教學，使光測實驗力學和物理光學專業的學生對計算機在電子幹涉中的作用有深入的認識，並可以作為碩士和博士研究生從事相關研究的有力工具；9、為FEM(有限元)計算的邊界條件獲得提供了一種有效方法。
圖1為Steibichler公司生產的三維電子散斑幹涉儀的光路圖；圖2為Ettemeyer公司生產的三維電子散斑幹涉儀的光路圖；圖3為本發明雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀的正面結構示意圖；圖4為本發明雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀的側面結構示意圖；圖5為本發明的泵浦紅雷射照射光路(U場)圖；圖6為本發明的泵浦綠雷射照射光路(V場)圖；圖7為本發明的泵浦紅雷射和泵浦綠雷射(U、V場)測量光路圖。
具體實施例方式
參見圖3、圖4，配合參見圖5、圖6、圖7。本發明雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，包括儀器框架1和安裝在框架上的兩組雷射照射機構2(配合參見圖5)、3(配合參見圖6)、幹涉接收機構4、四組雷射反射機構5、6、7、8和空間相移機構9。
儀器框架1包括主體框架11和呈正交叉分布與主體框架連接的四個延伸手臂12，主體框架1下設有四根支撐座13，各支撐座下分別連接有磁力表座14，主體框架1由一塊豎隔板15分隔成左右兩腔。
配合參見圖5、圖6。兩組雷射照射機構2、3為泵浦紅雷射照射機構2和泵浦綠雷射照射機構3，其分別設置在主體框架的左腔，每個光學元件都安裝在豎隔板上，保證中心在同一平面上。泵浦紅雷射照射機構2包括泵浦紅雷射器21、設置在泵浦紅雷射器光路上的分光稜鏡22和設置在分光稜鏡反射光路上的一個光路變向反射鏡23，從分光稜鏡22出來的透射光射向紅雷射反射機構5，經反射鏡23反射出來的反射光射向紅雷射反射機構6。泵浦綠雷射照射機構3包括泵浦綠雷射器31、設置在泵浦綠雷射器光路上的分光稜鏡32、設置在分光稜鏡透射光路上的一個光路變向反射鏡33和設置在分光稜鏡反射光路上的兩個光路變向反射鏡34、35，經反射鏡33反射出來的反射光射向綠雷射反射機構7，經反射鏡35反射出來的反射光射向綠雷射反射機構8。
參見圖4，配合參見圖7。幹涉接收機構4設置在主體框架11的右腔，包括方稜鏡41、設置在方稜鏡透射光路上的644.6nm紅光濾光片42和紅光接收機構43(接收U場)以及設置在方稜鏡反射光路上的532nm綠光濾光片44和綠光接收機構45(接收V場)。紅光接收機構43由成像物鏡431和CCD電耦合元件432螺紋連接組成。綠光接收機構45由成像物鏡451和CCD電耦合元件452螺紋連接組成。
參見圖3，配合參見圖5、圖6。四組雷射反射機構5、6、7、8分別安裝在四個延伸手臂12上，分別代表雙光束u場和雙光束v場。包括兩組紅雷射反射機構5、6(U場)和兩組綠雷射反射機構7、8(V場)。兩組紅雷射反射機構5、6分別設置在儀器主體框架相對兩側的兩個延伸手臂上，紅雷射反射機構5包括擴束鏡51和全反射鏡52，紅雷射反射機構6包括擴束鏡61和全反射鏡62。兩組綠雷射反射機構7、8分別設置在儀器主體框架另外相對兩側的兩個延伸手臂上，綠雷射反射機構7包括擴束鏡71和全反射鏡72，綠雷射反射機構8包括擴束鏡81和全反射鏡82。各反射機構中的擴束鏡均為小直徑高折射率的過球面擴束鏡，分別安裝在各雷射照射光路上，各全反射鏡的反射光都射向被測物方向。
配合參見圖4，空間相移機構9安裝在主體框架11的外側並與幹涉接收機構4適配相鄰，在空間相移機構9與幹涉接收機構4之間的主體框架11上開有接收窗口。空間相移機構9包括固定在主體框架11上的支架91、安裝在支架上的步進電機92、載波片及其框架93，步進電機92與載波片框架傳動相連。
儀器接收光路及原理結合圖7說明如下644.6nm泵浦紅雷射器(對應U場)和532nm泵浦綠雷射器(對應V場)各分出兩束光同時照射在被測物10的表面，由被測物反射到空間相移機構，通過載波片93和幹涉接收機構4中的方稜鏡41，穿過方稜鏡41的透射光和反射光在不同波長濾光片(644.6nm濾光片和532nm濾光片)的作用下，選擇不同波長的光通過，實現同時u和v場的條紋採集，條紋是面內直線性條紋，從而條紋穩定易於調節。載波片93可在步進電機92的作用下轉動產生均勻的空間載波，實現條紋的數位化，不但可以得到變形條紋，知道應力集中區域，更能完全了解變形量的大小，即不但可以得到直觀的條紋，而且可以得到數值量。
權利要求
1.一種雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，包括儀器框架和安裝在框架上的光學儀器，其特徵在於所述的儀器框架包括主體框架和呈正交叉分布與主體框架連接的四個延伸手臂，主體框架由一塊豎隔板分隔成左右兩腔；所述的光學儀器包括兩組雷射照射機構、幹涉接收機構、四組雷射反射機構和空間相移機構；兩組雷射照射機構分別設置在主體框架的左腔，幹涉接收機構設置在主體框架的右腔，四組雷射反射機構分別安裝在四個延伸手臂上，空間相移機構安裝在主體框架的外側並與幹涉接收機構適配相鄰；所述的兩組雷射照射機構為泵浦紅雷射照射機構和泵浦綠雷射照射機構；所述的四組雷射反射機構包括設置在儀器主體框架相對兩側的兩個延伸手臂上的兩組紅雷射反射機構和設置在儀器主體框架另外兩個延伸手臂上的兩組綠雷射反射機構。
2.如權利要求1所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的泵浦紅雷射照射機構包括泵浦紅雷射器、設置在泵浦紅雷射器光路上的分光稜鏡和設置在分光稜鏡反射光路上的一個光路變向反射鏡；所述的泵浦綠雷射照射機構包括泵浦綠雷射器、設置在泵浦綠雷射器光路上的分光稜鏡、設置在分光稜鏡透射光路上的一個光路變向反射鏡和設置在分光稜鏡反射光路上的兩個光路變向反射鏡。
3.如權利要求1所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的兩組紅雷射反射機構和兩組綠雷射反射機構各由一個擴束鏡和一個全反射鏡組成。
4.如權利要求1所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的幹涉接收機構包括方稜鏡、設置在方稜鏡透射光路上的紅光濾光片和紅光接收機構以及設置在方稜鏡反射光路上的綠光濾光片和綠光接收機構。
5.如權利要求1所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的空間相移機構包括固定在主體框架上的支架、安裝在支架上的步進電機、載波片及其框架，步進電機與載波片框架傳動相連。
6.如權利要求3所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的各擴束鏡均為小直徑高折射率的過球面擴束鏡。
7.如權利要求4所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的紅光接收機構和綠光接收機構均由成像物鏡和CCD電耦合元件螺紋連接組成。
8.如權利要求1所述的雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的主體框架下設有四根支撐座，各支撐座下分別連接有磁力表座。
全文摘要
一種雙波長二維空間相移電子散斑幹涉儀，它主要包括兩組雷射照射機構、幹涉接收機構、四組雷射反射機構和空間相移機構。兩組雷射照射機構為泵浦紅雷射照射機構和泵浦綠雷射照射機構。本發明同時採用644.6nm泵浦紅雷射器和532nm泵浦綠雷射器作為光源，分別對應得到U場和V場；採用不同波長通過的幹涉濾光片，使得三維變形中的U場和V場可獨立分離出來；並通過空間相移器(偏轉載波片)實現條紋的數位化，可以直接、同時獲得純粹U場和V場的幹涉條紋，加上空間相移功能，實現了條紋的數位化。
文檔編號G01B9/02GK1670468SQ200510025029
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月13日 優先權日2005年4月13日
發明者張熹, 陸鵬, 吳君毅, 夏遠富 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所