专利名称：具有相移功能的三维电子散斑干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光测力学仪器，尤其涉及一种对物体变形后表面微位移量精确测量的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪。
背景技术：
现有技术对物体变形后的检测主要有以下两种技术一种是激光全息干涉技术，其方法是，先布置好全息光路，对被测物体受力前后进行两次曝光，然后对全息干版进行显定影处理，最后通过激光实现再现。激光全息干涉技术进行变形位移的缺陷是工序较多，即必须经过先进行繁杂的显定影湿处理，还要经过一再现的过程，以上的工作必须严格在暗房中进行；并且若要用全息干涉技术实现实时检测，必须使全息干版精确复位，方法更为复杂，因此该技术在实际推广应用中受到限制；另一种是电子散斑干涉技术，电子散斑干涉(ESPI) (全称ElectronicSpeckle Pattern Interferometry)是计算机图像处理、激光及全息干涉相结合的一种综合技术。
电子散斑干涉仪在光测力学领域应用、研究和教学实验中用途广泛，非接触测量可获得被测物全场位移；为有限元提供可靠的边界条件；可用于结构优化；能应用在细观力学、残余应力测量、复合材料研究、结构分析及非破坏性检测上，还可以研究冲击、动态和振动问题，通过必要的后处理获得设计者所需要的信息。
目前国外有类似产品，如Steibichler及Ettemeyer公司有电子散斑干涉仪产品，但是上述公司的电子散斑干涉仪均不能直接得到独立的U、V及W场的干涉条纹，必须通过解联立方程，间接求得U场、V场和W场。因此在实际应用过程中，势必带来较大的误差，由此其实用性和工程价值则大为降低。
请参见图1所示，这是Steibichler公司生产的三维电子散斑干涉仪中光路的结构示意图。从图1光路结构可见，Steibichler公司采用三束激光照射，激光束A和激光束B位于xoy平面内，和z轴的夹角分别为α、β。激光A和激光B照射可以解得U、W场位移；另一激光束C位于xoz平面内，和Z轴的夹角为γ，结果反映V和W的方程，通过联立方程求出U、V和W场的位移。由此可见，通过程序求解，必然带来较大误差。
请参见图2所示，这是Ettemeyer公司生产的三维电子散斑干涉仪中光路的结构示意图。图2中，当光束1和光束2照射时得到独立的U、V场，即面内位移，此时光束3应遮掉；当光束2和光束3照射时得到含有U、V分量的W场，此时W场有误差，且误差与光束2和被测物表面法线夹角α的大小有关，α角越大，误差越大，反之则相反；此时光束3须遮掉。从图2光路结构可见，Ettemeyer公司生产的三维电子散斑干涉仪可以直接独立得到U和V场，但是W场只能利用非垂直入射的光作为物光，再引人参考光，即W场不是独立的，其中必然包括U场分量，这样W场分量有误差，而W场是测量中很重要的分量，因此上述三维电子散斑干涉仪存在测量误差较大的缺陷。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，它能获得W场条纹的直接和纯粹测量，从而获得精确的测量数据。
本发明的目的是这样实现的一种具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，用于对物体变形后表面微位移量的精确测量，包括三只固体绿激光器，以及用于处理数据的计算机部件，在所述的三只固体绿激光器后分别光连接设置W场光路、U场光路和V场光路；其特点是所述的W光路包括一只固体绿激光器，该激光器发射出一束激光，与激光器光连接且接收激光束的是一全反射镜，与全反射镜光连接的是一扩束镜；与扩束镜光连接的是一分光器件，该分光器件接收扩束镜送来的一扩束激光并将该扩束激光一分为二，其中，一扩束激光反射至位于分光器件b侧的被测物上，另一扩束激光透射过分光器件照射在位于分光器件c侧的一漫反射器件上；在分光器件的d侧即与被测物相向一侧设置一成像装置，与成像装置的另一侧相向设置一摄像头，摄像头将成像装置中所被成像的被测物的位置状况拍摄下来并将该信息送至计算机；与漫反射器件光连接的是一相移器，该相移器由计算机控制输出的电压推动产生微小光程变化使漫反射器件产生微小平移，漫射光通过分光器件反射至成像装置，由摄像头接收后输入计算机；所述的U场光路和V场光路相同，包括一激光器，该激光器发射出一束激光，与激光器光连接且接收激光束的是一分光棱镜；该分光棱镜分出两路光，分光棱镜分出的一路光经三个全反射镜送至扩束镜，再由全反射镜射向被测物，分光棱镜分出的另一路光经两个全反射镜送至扩束镜，再由全反射镜射向被测物；在被测物的相对位置设置一成像装置，与成像装置相对设置的摄像头，该摄像头将成像装置中被测物的位置状况拍摄下来并将该信息送至计算机中；在全反射镜的另侧设置一相移器，该相移器由计算机输出电压控制产生微小平移，以使光程也相应变化。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的激光器均采用的是激光波长为532纳米的泵浦固体绿激光器。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的设置在W光路中的漫反射器件由毛面塑料制成，形成漫反射面。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的两相移器由PZT压电陶瓷制成。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的设置在W光路中相移器直接安装在作为参考光的漫反射器件上。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的设置在U场光路和V场光路中相移器直接安装在对称入射光之一的一全反射镜上。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的设置在U场光路和V场光路中的分光棱镜采用的是能消除偏光且使激光能量得以充分利用的消偏光分光棱镜。
在上述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中，其中，所述的各全反射镜是使激光能量得以充分利用的电子枪硬膜高能的全反射镜。
本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果1.本发明由于采用上述的技术方案，因此可以不用暗房和显定影湿处理，甚至可直接用于现场，并便于后处理，为工程结构位移场的测量提供有非接触和高灵敏度仪器；2.本发明由于在W场光路中光线垂直入射垂直接收，因此能得到纯粹的W场；在U、V场光路中，由于光线对称入射，并且W场的信息因被抵销而不反映出来，因此U场或V场也是独立的，即直接获得纯粹U、V、W场的干涉条纹，为精确获得测量数据提供测量条件且获得高精度的测量结果；3.本发明由于采用了体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带的532nm泵浦激光器，不仅使测量的灵敏度得到提高，并且使整台仪器结构更为紧凑；4.本发明由于采用PZT压电陶瓷作为相移器，不仅使本三维电子散斑干涉仪具有相移功能，并且提高测量精度，可以实现手动和计算机自动控制相移。
5.本发明由于充分利用532nm激光器相干长度长的优点，将相移器直接安装在参考光的漫射器上，从而获得W场条纹的直接和纯粹的测量，提高了测量精度；6.本发明由于采用消除偏光的分光棱镜及电子枪硬膜高能全反射镜，从而可使宝贵的激光能量充分得以利用；7.本发明由于设置了延伸臂，从而可利用延伸臂使整台仪器在测量U和V场时的灵敏度可以调节，因此能适合各种场合使用。
8.本发明可以用于教学，使学生对计算机在电子散斑干涉中的作用有深入的认识，并可以作为力学及光学专业的硕士和博士研究生从事相关研究的有力工具；9.本发明整台仪器轻型化、紧凑化，刚度高，便于携带而且可以进行现场测量工作。


通过以下对本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1是现有技术三维电子散斑干涉仪的光路图；图2是现有技术三维电子散斑干涉仪的光路图；图3是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪的主体结构示意图；图4是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪W、U、V场的结构示意图；图5是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中W场光路的结构示意图；图6是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中U、V场光路的结构示意图。
具体实施例方式
请参见图3所示，图3是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪的主体结构示意图。图3中，M1和M1’双光束测量V场位移，M2和M2’双光束测量U场位移，ZOOM镜头上套装分光器件14(参见图5)用以测量W场位移。
当须精确测量V场位移时，在M1上换上相移器，由相移器电源加上电压推动产生微小光程变化，通过软件计算求得精确的位移；当须精确测量U场位移时，在M2上换上相移器，由相移器电源加上电压推动产生微小光程变化，通过软件计算求得精确的位移；当须精确测量W场位移时，在ZOOM镜头上套装分光器件14上加装相移器15，其由相移器电源加上电压推动产生微小光程变化，通过软件计算求得精确位移。
请结合图3参见图4所示，图4是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪W、U、V场的结构示意图。本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪用于对物体变形后结构微位移量的精确测量，三维电子散斑干涉仪包括三只固体绿激光器，与三只固体绿激光器分别光连接的是W场光路10、U场光路和V场光路20，在W场光路10、U场光路和V场光路20中还设置有用于处理数据的计算机部件。在本发明中，三只固体绿激光器均采用激光波长为532纳米泵浦固体绿激光器，532nm泵浦固体绿激光器的优点是，波长短(532纳米比一般633纳米的氨一氖激光波长短100nm)、灵敏度高(可以使测量的灵敏度提高2M)，并且，还具有体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带适用于现场的优点，从而可以使整台仪器结构更为紧凑；同时利用延伸臂使整台仪器在测量U和V场时的灵敏度可以调节，从而更加适合各种场合使用。
请结合图4参见图5所示，图5是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中W场光路的结构示意图。该W光路10包括一只固体绿激光器11，该激光器11发射出一束激光111，与激光器11光连接且接收激光束111的是一全反射镜12，该全反射镜12采用使激光能量得以充分利用的电子枪硬膜高能的全反射镜，与全反射镜12光连接的是一扩束镜13，扩束镜13将全反射镜12送来的一束激光111扩束成一束扩束激光，并将扩束后的扩束激光送至与扩束镜13光连接的分光器件14；该分光器件14接收扩束镜13送来的扩束激光，并将该扩束激光一分为二，其中，一扩束激光反射至位于分光器件14b侧的被测物B上，另一扩束激光透射过分光器件14照射在位于分光器件14c侧的一漫反射器件15上，在本实施例中，漫反射器件15由毛面塑料制成，形成漫反射面，作为参考光的特殊的漫反射器件；在分光器件14的d侧即与被测物B相向一侧设置一成像装置17，与成像装置17的另一侧相向设置一摄像头18；被测物B的反射光透过分光器件14后形成被测物反射光，漫反射器件15的反射光在分光器件14后表面再反射后形成漫反射器反射光，上述两束光均通过成像装置17，并在摄像头18的耙面上进行干涉；摄像头18将成像装置17中所被成像的被测物B的位置状况拍摄下来并将该信息送至计算机19中；与漫反射器件15光连接的是一相移器16，该相移器16由PZT压电陶瓷制成，在本实施例中，充分利用532nm激光器相干长度长的优点，将相移器16直接安装在漫反射器件15上，相移器16由计算机19控制输出的电压而推动并产生微小光程变化，相移器16的位移变化使漫反射器件15也产生微小平移，漫射光通过分光器件14的反射，又通过成像装置17，最后由摄像头18接收后输入计算机19。
上述W场光路的工作原理是
激光器11发射出的一束激光111由扩束镜13扩束成一排扩束激光，该排扩束光经分光器件14后垂直入射至被测物B，被测物B垂直接收，并在被测物B表面产生漫射反射光即物光，该被测物B的反射光透过分光器件14后形成被测物反射光，与此同时，漫反射器件15的反射光在分光器件14后表面再反射后形成漫反射器反射光，即为参考光；上述的被测物反射光再次透过分光器件14，漫反射器反射光在分光器件14的d侧反射，然后两束光均通过成像装置17，并在摄像头18的耙面上进行干涉；在漫反射器15上设置PZT相移器16，用相移器电源产生的电压推动参考光产生极其微小的光程变化，该微小的光程变化与摄像头18干涉数据一起送入计算机19，通过计算程序求出位移，从而可实现测量数字化并取得全场位移的精确定量。
请结合图4参见图6所示，图6是本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪中U、V场光路的结构示意图。U场光路和V场光路20相同，均包括一激光器21，该激光器21发射出一束激光211，与激光器21光连接且接收激光束211的是一分光棱镜24；该分光棱镜24采用的是能消除偏光且使激光能量得以充分利用的消偏光分光棱镜，分光棱镜24分出两路光，其中，分光棱镜22分出的一路光经三个全反射镜221、222、223送至扩束镜231，扩束镜231将全反射镜223送来的一束激光211扩束成一排扩束激光，再由全反射镜224射向被测物B；分光棱镜22分出的另一路光经全反射镜225和全反射镜226送至扩束镜232，扩束镜232将全反射镜226送来的一束激光211扩束成一排扩束激光，再由全反射镜227射向被测物B，在本实施例中，上述的各全反射镜采用使激光能量得以充分利用的电子枪硬膜高能的全反射镜。在被测物B的相对位置设置一成像装置27，与成像装置27相向设置在是一摄像头28，该摄像头28将成像装置27中所被成像的位于相对一侧的被测物B的位置状况拍摄下来，并将该该被测物B的位置信息送至计算机29中；在U场光路和V场光路20中还设置一相移器26，该相移器26直接安装在对称入射光之一的全反射镜227的另侧上，相移器16由PZT压电陶瓷制成，相移器26由计算机29输出电压控制产生微小平移，以使光程也相应变化。
上述U场光路和V场光路20的工作原理是激光器21发射出的一束激光111，由分光棱镜24分出两路光，分别由扩束镜231和232扩束成两排扩束激光对称入射至被测物B，被测物B同时接收上述两排扩束激光，并在被测物B表面产生漫射反射光，ZOOM镜头27接收上述两漫射反射光，并在CCD摄像头28的靶面上干涉，并将被测物B位置信息送至计算机29中；与此同时，设置在全反射镜227另侧的相移器26通过相移器电源产生的电压推动参考光产生极其微小的光程变化也送入计算机29，通过计算程序求出位移，从而可实现测量数字化并取得全场位移的精确定量。
综上所述，本发明具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，由于在W场光路中光线垂直入射垂直接收，得到纯粹的W场；在U、V场光路中光线对称入射，并且W场的信息因相抵销而不反映，因此获得纯粹U、V、W场的干涉条纹，与其他类似的测量仪器相比其测量精度得到提高，为工程中测量结构位移场提供了一种高灵敏度、非接触、全场、数字化的工具，它不仅可直接用于现场，并便于后处理，为工程结构位移场的测量提供有非接触和高灵敏度的测量仪器，并且为光测实验力学和物理光学专业的本科、硕士和博士研究生提供了一种开阔思维的新仪器和新方法，并可以利用这一仪器进行有关实验研究，因此极为实用。
权利要求
1.一种具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，用于对物体变形后表面微位移量的精确测量，包括三只固体绿激光器，以及用于处理数据的计算机部件，在所述的三只固体绿激光器后分别光连接设置W场光路(10)、U场光路和V场光路(20)；其特征在于所述的W光路(10)包括一只固体绿激光器(11)，该激光器(11)发射出一束激光(111)，与激光器(11)光连接且接收激光束(111)的是一全反射镜(12)，与全反射镜(12)光连接的是一扩束镜(13)；与扩束镜(13)光连接的是一分光器件(14)，该分光器件(14)接收扩束镜(13)送来的一扩束激光(111)并将该扩束激光一分为二，其中，一扩束激光反射至位于分光器件(14)b侧的被测物(B)上，另一扩束激光透射过分光器件(14)照射在位于分光器件(14)c侧的一漫反射器件(15)上；在分光器件(14)的d侧即与被测物(B)相向一侧设置一成像装置(17)，与成像装置(17)的另一侧相向设置一摄像头(18)，摄像头(18)将成像装置(17)中所被成像的被测物(B)的位置状况拍摄下来并将该信息送至计算机(19)；与漫反射器件(15)光连接的是一相移器(16)，该相移器(16)由计算机(19)控制输出的电压推动产生微小光程变化使漫反射器件(15)产生微小平移，漫射光通过分光器件(14)反射至成像装置(17)，由摄像头(18)接收后输入计算机(19)；所述的U场光路和V场光路(20)相同，包括一激光器(21)，该激光器(21)发射出一束激光(211)，与激光器(21)光连接且接收激光束(211)的是一分光棱镜(22)；该分光棱镜(22)分出两路光，分光棱镜(24)分出的一路光经三个全反射镜(221、222、223)送至扩束镜(231)，再由全反射镜(224)射向被测物(B)，分光棱镜(22)分出的另一路光经两个全反射镜(225、226)送至扩束镜(231)，再由全反射镜(227)射向被测物(B)；在被测物(B)的相对位置设置一成像装置(27)，与成像装置(27)相对设置的摄像头(28)，该摄像头(28)将成像装置(27)中被测物(B)的位置状况拍摄下来并将该信息送至计算机(29)中；在全反射镜(227)的另侧设置一相移器(26)，该相移器(26)由计算机(29)输出电压控制产生微小平移，以使光程也相应变化。
2.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的激光器(11、21)均采用的是激光波长为532纳米的泵浦固体绿激光器。
3.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的设置在W光路(10)中的漫反射器件(15)由毛面塑料制成，形成漫反射面。
4.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的两相移器(16)和(26)由压电陶瓷制成。
5.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的设置在W光路(10)中相移器(16)直接安装在作为参考光的漫反射器件(15)上。
6.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的设置在U场光路和V场光路(20)中相移器(26)直接安装在对称入射光之一的一全反射镜(227)上。
7.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的设置在U场光路和V场光路(20)中的分光棱镜(24)采用的是能消除偏光且使激光能量得以充分利用的消偏光分光棱镜。
8.如权利要求1所述的具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，其特征在于所述的各全反射镜是使激光能量得以充分利用的电子枪硬膜高能的全反射镜。
全文摘要
本发明涉及一种具有相移功能的三维电子散斑干涉仪，包括三绿激光器及其W、U、V场光路；其特点是所述的W光路包括激光器、全反射镜、扩束镜、分光器件；分光器件将一扩束光反射至被测物上，另一扩束光照射在漫反射器件上；分光器件d侧依次设置成像装置与摄像头，摄像头将拍摄的信息送至计算机；与漫反射器件光连接的是一受计算机控制的相移器；所述的U、V场光路包括激光器与分光棱镜；分光棱镜将一路光经三个全反射镜送至扩束镜，由全反射镜射向被测物，另一路光经两个全反射镜送至扩束镜，由全反射镜射向被测物；被测物相对位置依次设置成像装置与摄像头，摄像头将拍摄的信息送至计算机；全反射镜另侧设置受计算机控制的相移器。
文档编号G01N21/45GK1609599SQ200310108158
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年10月24日
发明者张熹, 吴君毅, 夏远富, 陆鹏, 李利平 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所