具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀的製作方法

2023-06-03 15:25:11 3

專利名稱：具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光測力學儀器，尤其涉及一種對物體變形後表面微位移量精確測量的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀。
背景技術：
現有技術對物體變形後的檢測主要有以下兩種技術一種是雷射全息幹涉技術，其方法是，先布置好全息光路，對被測物體受力前後進行兩次曝光，然後對全息幹版進行顯定影處理，最後通過雷射實現再現。雷射全息幹涉技術進行變形位移的缺陷是工序較多，即必須經過先進行繁雜的顯定影溼處理，還要經過一再現的過程，以上的工作必須嚴格在暗房中進行；並且若要用全息幹涉技術實現實時檢測，必須使全息幹版精確復位，方法更為複雜，因此該技術在實際推廣應用中受到限制；另一種是電子散斑幹涉技術，電子散斑幹涉(ESPI)(全稱ElectronicSpeckle Pattern Interferometry)是計算機圖像處理、雷射及全息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全場位移；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、結構分析及非破壞性檢測上，還可以研究衝擊、動態和振動問題，通過必要的後處理獲得設計者所需要的信息。
目前國外有類似產品，如Steibichler及Ettemeyer公司有電子散斑幹涉儀產品，但是上述公司的電子散斑幹涉儀均不能直接得到獨立的U、V及W場的幹涉條紋，必須通過解聯立方程，間接求得U場、V場和W場。因此在實際應用過程中，勢必帶來較大的誤差，由此其實用性和工程價值則大為降低。
請參見圖1所示，這是Steibichler公司生產的三維電子散斑幹涉儀中光路的結構示意圖。從圖1光路結構可見，Steibichler公司採用三束雷射照射，雷射束A和雷射束B位於xoy平面內，和z軸的夾角分別為α、β。雷射A和雷射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。由此可見，通過程序求解，必然帶來較大誤差。
請參見圖2所示，這是Ettemeyer公司生產的三維電子散斑幹涉儀中光路的結構示意圖。圖2中，當光束1和光束2照射時得到獨立的U、V場，即面內位移，此時光束3應遮掉；當光束2和光束3照射時得到含有U、V分量的W場，此時W場有誤差，且誤差與光束2和被測物表面法線夾角α的大小有關，α角越大，誤差越大，反之則相反；此時光束3須遮掉。從圖2光路結構可見，Ettemeyer公司生產的三維電子散斑幹涉儀可以直接獨立得到U和V場，但是W場只能利用非垂直入射的光作為物光，再引人參考光，即W場不是獨立的，其中必然包括U場分量，這樣W場分量有誤差，而W場是測量中很重要的分量，因此上述三維電子散斑幹涉儀存在測量誤差較大的缺陷。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，它能獲得W場條紋的直接和純粹測量，從而獲得精確的測量數據。
本實用新型的目的是這樣實現的一種具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，用於對物體變形後表面微位移量的精確測量，包括三隻固體綠雷射器，以及用於處理數據的計算機部件，在所述的三隻固體綠雷射器後分別光連接設置W場光路、U場光路和V場光路；其特點是所述的W光路包括一隻固體綠雷射器，該雷射器發射出一束雷射，與雷射器光連接且接收雷射束的是一全反射鏡，與全反射鏡光連接的是一擴束鏡；與擴束鏡光連接的是一分光器件，該分光器件接收擴束鏡送來的一擴束雷射並將該擴束雷射一分為二，其中，一擴束雷射反射至位於分光器件b側的被測物上，另一擴束雷射透射過分光器件照射在位於分光器件c側的一漫反射器件上；在分光器件的d側即與被測物相向一側設置一成像裝置，與成像裝置的另一側相向設置一攝像頭，攝像頭將成像裝置中所被成像的被測物的位置狀況拍攝下來並將該信息送至計算機；與漫反射器件光連接的是一相移器，該相移器由計算機控制輸出的電壓推動產生微小光程變化使漫反射器件產生微小平移，漫射光通過分光器件反射至成像裝置，由攝像頭接收後輸入計算機；所述的U場光路和V場光路相同，包括一雷射器，該雷射器發射出一束雷射，與雷射器光連接且接收雷射束的是一分光稜鏡；該分光稜鏡分出兩路光，分光稜鏡分出的一路光經三個全反射鏡送至擴束鏡，再由全反射鏡射向被測物，分光稜鏡分出的另一路光經兩個全反射鏡送至擴束鏡，再由全反射鏡射向被測物；在被測物的相對位置設置一成像裝置，與成像裝置相對設置的攝像頭，該攝像頭將成像裝置中被測物的位置狀況拍攝下來並將該信息送至計算機中；在全反射鏡的另側設置一相移器，該相移器由計算機輸出電壓控制產生微小平移，以使光程也相應變化。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的雷射器均採用的是雷射波長為532納米的泵浦固體綠雷射器。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的設置在W光路中的漫反射器件由毛麵塑料製成，形成漫反射面。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的兩相移器由PZT壓電陶瓷製成。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的設置在W光路中相移器直接安裝在作為參考光的漫反射器件上。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的設置在U場光路和V場光路中相移器直接安裝在對稱入射光之一的一全反射鏡上。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的設置在U場光路和V場光路中的分光稜鏡採用的是能消除偏光且使雷射能量得以充分利用的消偏光分光稜鏡。
在上述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中，其中，所述的各全反射鏡是使雷射能量得以充分利用的電子槍硬膜高能的全反射鏡。
本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀由於採用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果1.本實用新型由於採用上述的技術方案，因此可以不用暗房和顯定影溼處理，甚至可直接用於現場，並便於後處理，為工程結構位移場的測量提供有非接觸和高靈敏度儀器；2.本實用新型由於在W場光路中光線垂直入射垂直接收，因此能得到純粹的W場；在U、V場光路中，由於光線對稱入射，並且W場的信息因被抵銷而不反映出來，因此U場或V場也是獨立的，即直接獲得純粹U、V、W場的幹涉條紋，為精確獲得測量數據提供測量條件且獲得高精度的測量結果；3.本實用新型由於採用了體積小、功率大、重量輕、單模輸出、相干長度長、便於攜帶的532nm泵浦雷射器，不僅使測量的靈敏度得到提高，並且使整臺儀器結構更為緊湊；4.本實用新型由於採用PZT壓電陶瓷作為相移器，不僅使本三維電子散斑幹涉儀具有相移功能，並且提高測量精度，可以實現手動和計算機自動控制相移。
5.本實用新型由於充分利用532nm雷射器相干長度長的優點，將相移器直接安裝在參考光的漫射器上，從而獲得W場條紋的直接和純粹的測量，提高了測量精度；6.本實用新型由於採用消除偏光的分光稜鏡及電子槍硬膜高能全反射鏡，從而可使寶貴的雷射能量充分得以利用；7.本實用新型由於設置了延伸臂，從而可利用延伸臂使整臺儀器在測量U和V場時的靈敏度可以調節，因此能適合各種場合使用。
8.本實用新型可以用於教學，使學生對計算機在電子散斑幹涉中的作用有深入的認識，並可以作為力學及光學專業的碩士和博士研究生從事相關研究的有力工具；9.本實用新型整臺儀器輕型化、緊湊化，剛度高，便於攜帶而且可以進行現場測量工作。


通過以下對本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本實用新型的目的、具體結構特徵和優點。其中，附圖為圖1是現有技術三維電子散斑幹涉儀的光路圖；圖2是現有技術三維電子散斑幹涉儀的光路圖；圖3是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀的主體結構示意圖；圖4是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀W、U、V場的結構示意圖；圖5是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中W場光路的結構示意圖；圖6是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中U、V場光路的結構示意圖。
具體實施方式
請參見圖3所示，圖3是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀的主體結構示意圖。圖3中，M1和M1』雙光束測量V場位移，M2和M2』雙光束測量U場位移，ZOOM鏡頭上套裝分光器件14(參見圖5)用以測量W場位移。
當須精確測量V場位移時，在M1上換上相移器，由相移器電源加上電壓推動產生微小光程變化，通過軟體計算求得精確的位移；當須精確測量U場位移時，在M2上換上相移器，由相移器電源加上電壓推動產生微小光程變化，通過軟體計算求得精確的位移；當須精確測量W場位移時，在ZOOM鏡頭上套裝分光器件14上加裝相移器15，其由相移器電源加上電壓推動產生微小光程變化，通過軟體計算求得精確位移。
請結合圖3參見圖4所示，圖4是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀W、U、V場的結構示意圖。本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀用於對物體變形後結構微位移量的精確測量，三維電子散斑幹涉儀包括三隻固體綠雷射器，與三隻固體綠雷射器分別光連接的是W場光路10、U場光路和V場光路20，在W場光路10、U場光路和V場光路20中還設置有用於處理數據的計算機部件。在本實用新型中，三隻固體綠雷射器均採用雷射波長為532納米泵浦固體綠雷射器，532nm泵浦固體綠雷射器的優點是，波長短(532納米比一般633納米的氨一氖雷射波長短100nm)、靈敏度高(可以使測量的靈敏度提高2M)，並且，還具有體積小、功率大、重量輕、單模輸出、相干長度長、便於攜帶適用於現場的優點，從而可以使整臺儀器結構更為緊湊；同時利用延伸臂使整臺儀器在測量U和V場時的靈敏度可以調節，從而更加適合各種場合使用。
請結合圖4參見圖5所示，圖5是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中W場光路的結構示意圖。該W光路10包括一隻固體綠雷射器11，該雷射器11發射出一束雷射111，與雷射器11光連接且接收雷射束111的是一全反射鏡12，該全反射鏡12採用使雷射能量得以充分利用的電子槍硬膜高能的全反射鏡，與全反射鏡12光連接的是一擴束鏡13，擴束鏡13將全反射鏡12送來的一束雷射111擴束成一束擴束雷射，並將擴束後的擴束雷射送至與擴束鏡13光連接的分光器件14；該分光器件14接收擴束鏡13送來的擴束雷射，並將該擴束雷射一分為二，其中，一擴束雷射反射至位於分光器件14b側的被測物B上，另一擴束雷射透射過分光器件14照射在位於分光器件14c側的一漫反射器件15上，在本實施例中，漫反射器件15由毛麵塑料製成，形成漫反射面，作為參考光的特殊的漫反射器件；在分光器件14的d側即與被測物B相向一側設置一成像裝置17，與成像裝置17的另一側相向設置一攝像頭18；被測物B的反射光透過分光器件14後形成被測物反射光，漫反射器件15的反射光在分光器件14後表面再反射後形成漫反射器反射光，上述兩束光均通過成像裝置17，並在攝像頭18的耙面上進行幹涉；攝像頭18將成像裝置17中所被成像的被測物B的位置狀況拍攝下來並將該信息送至計算機19中；與漫反射器件15光連接的是一相移器16，該相移器16由PZT壓電陶瓷製成，在本實施例中，充分利用532nm雷射器相干長度長的優點，將相移器16直接安裝在漫反射器件15上，相移器16由計算機19控制輸出的電壓而推動並產生微小光程變化，相移器16的位移變化使漫反射器件15也產生微小平移，漫射光通過分光器件14的反射，又通過成像裝置17，最後由攝像頭18接收後輸入計算機19。
上述W場光路的工作原理是雷射器11發射出的一束雷射111由擴束鏡13擴束成一排擴束雷射，該排擴束光經分光器件14後垂直入射至被測物B，被測物B垂直接收，並在被測物B表面產生漫射反射光即物光，該被測物B的反射光透過分光器件14後形成被測物反射光，與此同時，漫反射器件15的反射光在分光器件14後表面再反射後形成漫反射器反射光，即為參考光；上述的被測物反射光再次透過分光器件14，漫反射器反射光在分光器件14的d側反射，然後兩束光均通過成像裝置17，並在攝像頭18的耙面上進行幹涉；在漫反射器15上設置PZT相移器16，用相移器電源產生的電壓推動參考光產生極其微小的光程變化，該微小的光程變化與攝像頭18幹涉數據一起送入計算機19，通過計算程序求出位移，從而可實現測量數位化並取得全場位移的精確定量。
請結合圖4參見圖6所示，圖6是本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀中U、V場光路的結構示意圖。U場光路和V場光路20相同，均包括一雷射器21，該雷射器21發射出一束雷射211，與雷射器21光連接且接收雷射束211的是一分光稜鏡24；該分光稜鏡24採用的是能消除偏光且使雷射能量得以充分利用的消偏光分光稜鏡，分光稜鏡24分出兩路光，其中，分光稜鏡22分出的一路光經三個全反射鏡221、222、223送至擴束鏡231，擴束鏡231將全反射鏡223送來的一束雷射211擴束成一排擴束雷射，再由全反射鏡224射向被測物B；分光稜鏡22分出的另一路光經全反射鏡225和全反射鏡226送至擴束鏡232，擴束鏡232將全反射鏡226送來的一束雷射211擴束成一排擴束雷射，再由全反射鏡227射向被測物B，在本實施例中，上述的各全反射鏡採用使雷射能量得以充分利用的電子槍硬膜高能的全反射鏡。在被測物B的相對位置設置一成像裝置27，與成像裝置27相向設置在是一攝像頭28，該攝像頭28將成像裝置27中所被成像的位於相對一側的被測物B的位置狀況拍攝下來，並將該該被測物B的位置信息送至計算機29中；在U場光路和V場光路20中還設置一相移器26，該相移器26直接安裝在對稱入射光之一的全反射鏡227的另側上，相移器16由PZT壓電陶瓷製成，相移器26由計算機29輸出電壓控制產生微小平移，以使光程也相應變化。
上述U場光路和V場光路20的工作原理是
雷射器21發射出的一束雷射111，由分光稜鏡24分出兩路光，分別由擴束鏡231和232擴束成兩排擴束雷射對稱入射至被測物B，被測物B同時接收上述兩排擴束雷射，並在被測物B表面產生漫射反射光，ZOOM鏡頭27接收上述兩漫射反射光，並在CCD攝像頭28的靶面上幹涉，並將被測物B位置信息送至計算機29中；與此同時，設置在全反射鏡227另側的相移器26通過相移器電源產生的電壓推動參考光產生極其微小的光程變化也送入計算機29，通過計算程序求出位移，從而可實現測量數位化並取得全場位移的精確定量。
綜上所述，本實用新型具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，由於在W場光路中光線垂直入射垂直接收，得到純粹的W場；在U、V場光路中光線對稱入射，並且W場的信息因相抵銷而不反映，因此獲得純粹U、V、W場的幹涉條紋，與其他類似的測量儀器相比其測量精度得到提高，為工程中測量結構位移場提供了一種高靈敏度、非接觸、全場、數位化的工具，它不僅可直接用於現場，並便於後處理，為工程結構位移場的測量提供有非接觸和高靈敏度的測量儀器，並且為光測實驗力學和物理光學專業的本科、碩士和博士研究生提供了一種開闊思維的新儀器和新方法，並可以利用這一儀器進行有關實驗研究，因此極為實用。
權利要求1.一種具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，用於對物體變形後表面微位移量的精確測量，包括三隻固體綠雷射器，以及用於處理數據的計算機部件，在所述的三隻固體綠雷射器後分別光連接設置W場光路(10)、U場光路和V場光路(20)；其特徵在於所述的W光路(10)包括一隻固體綠雷射器(11)，該雷射器(11)發射出一束雷射(111)，與雷射器(11)光連接且接收雷射束(111)的是一全反射鏡(12)，與全反射鏡(12)光連接的是一擴束鏡(13)；與擴束鏡(13)光連接的是一分光器件(14)，該分光器件(14)接收擴束鏡(13)送來的一擴束雷射(111)並將該擴束雷射一分為二，其中，一擴束雷射反射至位於分光器件(14)b側的被測物(B)上，另一擴束雷射透射過分光器件(14)照射在位於分光器件(14)c側的一漫反射器件(15)上；在分光器件(14)的d側即與被測物(B)相向一側設置一成像裝置(17)，與成像裝置(17)的另一側相向設置一攝像頭(18)，攝像頭(18)將成像裝置(17)中所被成像的被測物(B)的位置狀況拍攝下來並將該信息送至計算機(19)；與漫反射器件(15)光連接的是一相移器(16)，該相移器(16)由計算機(19)控制輸出的電壓推動產生微小光程變化使漫反射器件(15)產生微小平移，漫射光通過分光器件(14)反射至成像裝置(17)，由攝像頭(18)接收後輸入計算機(19)；所述的U場光路和V場光路(20)相同，包括一雷射器(21)，該雷射器(21)發射出一束雷射(211)，與雷射器(21)光連接且接收雷射束(211)的是一分光稜鏡(22)；該分光稜鏡(22)分出兩路光，分光稜鏡(24)分出的一路光經三個全反射鏡(221、222、223)送至擴束鏡(231)，再由全反射鏡(224)射向被測物(B)，分光稜鏡(22)分出的另一路光經兩個全反射鏡(225、226)送至擴束鏡(231)，再由全反射鏡(227)射向被測物(B)；在被測物(B)的相對位置設置一成像裝置(27)，與成像裝置(27)相對設置的攝像頭(28)，該攝像頭(28)將成像裝置(27)中被測物(B)的位置狀況拍攝下來並將該信息送至計算機(29)中；在全反射鏡(227)的另側設置一相移器(26)，該相移器(26)由計算機(29)輸出電壓控制產生微小平移，以使光程也相應變化。
2.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的雷射器(11、21)均採用的是雷射波長為532納米的泵浦固體綠雷射器。
3.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的設置在W光路(10)中的漫反射器件(15)由毛麵塑料製成，形成漫反射面。
4.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的兩相移器(16)和(26)由壓電陶瓷製成。
5.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的設置在W光路(10)中相移器(16)直接安裝在作為參考光的漫反射器件(15)上。
6.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的設置在U場光路和V場光路(20)中相移器(26)直接安裝在對稱入射光之一的一全反射鏡(227)上。
7.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的設置在U場光路和V場光路(20)中的分光稜鏡(24)採用的是能消除偏光且使雷射能量得以充分利用的消偏光分光稜鏡。
8.如權利要求1所述的具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，其特徵在於所述的各全反射鏡是使雷射能量得以充分利用的電子槍硬膜高能的全反射鏡。
專利摘要本實用新型涉及一種具有相移功能的三維電子散斑幹涉儀，包括三綠雷射器及其W、U、V場光路；其特點是所述的W光路包括雷射器、全反射鏡、擴束鏡、分光器件；分光器件將一擴束光反射至被測物上，另一擴束光照射在漫反射器件上；分光器件d側依次設置成像裝置與攝像頭，攝像頭將拍攝的信息送至計算機；與漫反射器件光連接的是一受計算機控制的相移器；所述的U、V場光路包括雷射器與分光稜鏡；分光稜鏡將一路光經三個全反射鏡送至擴束鏡，由全反射鏡射向被測物，另一路光經兩個全反射鏡送至擴束鏡，由全反射鏡射向被測物；被測物相對位置依次設置成像裝置與攝像頭，攝像頭將拍攝的信息送至計算機；全反射鏡另側設置受計算機控制的相移器。
文檔編號G01N21/41GK2651745SQ200320109179
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月24日 優先權日2003年10月24日
發明者張熹, 吳君毅, 夏遠富, 陸鵬, 李利平 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所