專利名稱：基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學三維變形測量系統(tǒng)，特別是一種基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)。
背景技術：
隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對材料受力后，產(chǎn)生的變形、應力、應變等性能參數(shù)的研究要求也不斷提高。從過去的只能應用于物體點測量的金屬應力量表到可以測量物體面區(qū)域的散斑技術的應用。利用散斑技術對物體進行兩維或三維的變形測量的硬件系統(tǒng)和變形處理等算法處理方面已經(jīng)有許多方法。
在國內(nèi)目前的文獻記載中，電子散斑干涉技術測量物體表面三維變形系統(tǒng)的技術為采用三個激光器從三個不同的方向照射以提供照射光源，照射被測物體和它的旁側(cè)放置的參考物。用一個PZT相移器推動粘貼在參考物上面的三個反射鏡，用于提供對應三束物光相干涉的參考光并引入相移。在CCD攝像機前放置大錯位棱鏡，使物體表面信息和參考物上的信息都進入CCD中，結(jié)合四步相移技術，三個激光器依次分別照射被測物，對所采集的散斑圖進行運算并分離可獲得三個獨立的變形場。但這種系統(tǒng)由于激光器的數(shù)量多，結(jié)構(gòu)龐大，參考物上的三個平面鏡方向調(diào)整困難，且由于大錯位棱鏡的分離效果可能影響散斑圖像質(zhì)量，并且此系統(tǒng)不能單獨進行一維或二維的測量。
在專利US 6188483 B1中，測量三維物體表面變形的系統(tǒng)中，利用一個激光器提供光源，利用分光鏡和反光鏡特性，進行分光、傳光。將兩個雙光束電子散班干涉系統(tǒng)和一個離面變形檢測系統(tǒng)結(jié)合到一個系統(tǒng)中，分別依靠出射的四束激光束完成面內(nèi)變形檢測，并利用四束激光中的一束和內(nèi)部另一束光束構(gòu)成離面變形檢測系統(tǒng)。將變形前后獲得的電子散斑圖運用直接相減算法進行處理后，得到三維變形數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可以單獨進行一維、二維或三維變形的測量。缺點是采用分立的元件進行分光、傳光，光學器件繁多，光學器件位置放置精度要求高，系統(tǒng)調(diào)試要求精度高，調(diào)整操作困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術中存在的缺陷，提供一種改進的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并能保證測量精度。
為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
本發(fā)明主要針對硬件系統(tǒng)進行了改進和創(chuàng)新，采用一根一分五型光纖進行分光、傳光，取其中四束分支光纖構(gòu)成兩對面內(nèi)變形檢測，通過光纖出射端口發(fā)散角參數(shù)的預定，可以直接得到滿足系統(tǒng)要求的發(fā)散光束，無需擴束器件。為了提高變形測量精度，仍采用四步相移算法，采用傳統(tǒng)的引入相移方法，在上述兩對相干光束中，分別選擇其中一束分支光纖出射端口位置分別粘貼一個PZT相移器，通過PZT相移器的推動帶動分支光纖微動，便可在此光束中引入相移。共用其中一束引入相移的光束，結(jié)合第五束分支光纖，獲得滿足系統(tǒng)要求的相干光束。因此，系統(tǒng)整體由于光纖的采用，結(jié)構(gòu)大大簡化，調(diào)試操作方便，由于遮擋開關的使用，此系統(tǒng)可以單獨進行一維、二維或三維變形的測量，并使對圖像后期處理的軟件結(jié)構(gòu)簡單，并保證了測量精度。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術方案一種基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，由一個提供光源的激光器、一個帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)和一個分光傳光及相移系統(tǒng)組成，其特征在于所述的分光傳光及相移系統(tǒng)是一個一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)。
上述的一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器來的主光纖經(jīng)一個光纖調(diào)整架連接一個一分五的光纖耦合器輸入端口，光纖耦合器的輸出端口連接五束光纖分支進行分光和傳光一束分支光纖連接所述的帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)，四束分支光束的輸出端口各放置一個遮擋開關，四束分支光纖的輸出端口分別對準被測物體，其中兩個分支光纖通過相移系統(tǒng)固定，相移系統(tǒng)中各粘貼一個PZT相移器，通過PZT相移器的膨脹移動，帶動其粘貼的分支光纖移動，將相移引入光束內(nèi)。
上述的相移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是分支光纖固定在一個L型光纖固定塊上，L型光纖固定塊與PZT相移器粘貼成剛性連接，然后，PZT相移器與光纖支撐架粘貼成剛性連接。分支光纖與光纖支撐架和PZT相移器不連接。PZT相移器受電壓驅(qū)動推動L型光纖固定塊向前移動，從而使L型光纖固定塊帶動分支光纖沿光纖軸向移動，將相移引入分支光纖中。
上述的無相移光纖固定結(jié)構(gòu)是將分支光纖直接固定在光纖支撐架上。
上述的帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器出射光束經(jīng)一個顯微鏡和光纖調(diào)整架，由分支光纖傳光，光束經(jīng)護束準直鏡、遮擋開關后由分光鏡分光，分光鏡置于CCD攝像機與CCD鏡頭之間。
上述的CCD攝像機連接一個計算機。
本發(fā)明與現(xiàn)有三維電子散斑變形檢測系統(tǒng)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明系統(tǒng)中采用了一分五型光纖分光、傳光；共用一束光束；通過兩個PZT相移器得到滿足實驗要求的兩束可以引入相移的激光分支光束。通過光纖的分光，便可得到系統(tǒng)所需的三對相干光束。本發(fā)明所需光學器件少，結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的準實時三維變形測量。


圖1是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1示例中的一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2示例中的無相移分支光束固定結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖2示例中的相移分支光束固定結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖1示例中的采集裝置的調(diào)整原理圖。
圖6是兩鉛垂線共面調(diào)整示意圖。
圖7是豎直方向兩分支光束調(diào)整共面的投影共面原理示意圖。
圖8是豎直方向兩分支光纖出射端口空間位置示意圖。
圖9是兩水平線共面調(diào)整示意圖。
圖10是水平方向兩分支光束調(diào)整共面的投影共面原理示意圖。
圖11是豎直方向和水平方向四束分支光纖出射端口空間位置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是參見圖1，本基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)由一個提供光源的激光器1、一個帶CCD攝像機6的圖像接收系統(tǒng)和一個分光傳光及相移系統(tǒng)組成，所述的分光、傳光及相移系統(tǒng)是一個一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)。
上述的一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器1來的主光纖經(jīng)一個光纖調(diào)整架3連接一個一分五的光纖耦合器4輸入端口，光纖耦合器4的輸出端口連接五束光纖分支11、12、13、14、15進行分光和傳光一束分支光纖11連接所述的帶CCD攝像機6的圖像接收系統(tǒng)，四束分支光束12、13、14、15的輸出端口各有一個遮擋開關20、21、19、18，該四束分支光束的輸出端口分別對準被測物體22，其中分支光纖14和15出射端口通過L型光纖固定塊25粘貼在結(jié)構(gòu)相同的相移系統(tǒng)23、24上。通過PZT相移器17、16的膨脹移動，帶動分支光束14、15移動，將相移引入光束內(nèi)。
上述的相移系統(tǒng)23、24的結(jié)構(gòu)是分支光纖14、15固定在一個L型光纖固定塊25上，L型光纖固定塊25與PZT相移器16、17粘貼成剛性連接，然后，PZT相移器16、17與光纖支撐架26粘貼成剛性連接。光纖與光纖支撐架26和PZT相移器16、17不連接。PZT相移器16、17受電壓驅(qū)動推動L型光纖固定塊25向前移動，從而使L型光纖固定塊25帶動分支光纖14、15沿光纖軸向移動，將相移引入光纖14、15中。
上述的帶CCD攝像機6的圖像接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器1出射光束經(jīng)一個顯微鏡2和光纖調(diào)整架3，由分支光纖11傳光，光束經(jīng)擴束準直鏡10、遮擋開關9后由分光鏡7分光，分光鏡7置于CCD攝像機6與CCD鏡頭8之間。
上述的CCD攝像機6連接一個計算機5。
上述的激光器1、帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)和一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)的所有組成元器件安裝在一塊底板27上。
上述的光纖耦合器4又稱分歧器，是將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中的元件，我們主要應用它在系統(tǒng)中進行分光、傳光。本系統(tǒng)中，采用星狀/樹狀光纖耦合器，通過燒結(jié)方式的制作法，將五條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用。通過調(diào)整拉錐的長度，以及對燒結(jié)溫度的控制，實現(xiàn)光纖分光的能量比例，以達到本系統(tǒng)對五束分支光束能量的比例接近均等的要求。
系統(tǒng)調(diào)整過程調(diào)整的目的主要有三點1.保證面內(nèi)水平方向兩束分支光束關于樣本表面中心法線對稱；2.保證面內(nèi)豎直方向兩束分支光束關于樣本表面中心法線對稱；3.獲取四束分支光束空間需要的尺寸用于入射角度的標定。
1.圖像采集裝置的調(diào)整假定CCD鏡頭8中軸線方向為Z軸，通過CCD鏡頭8中軸線的橫切水平面和縱切豎直面分別為X軸和Y軸。
采用如圖5(a)所示的調(diào)整方法，進行修正CCD鏡頭8的采集方向以及鏡頭與CCD攝像機6的相對位置，目的是達到照射區(qū)域與采集區(qū)域的一致性，使CCD鏡頭8的采集方向沿Z軸方向。
圖5(b)中，選用樣本28作為調(diào)整輔助器件，樣本28正面中心畫有參考十字架，其以十字架中心為圓心，至少畫有一個直徑與CCD鏡頭外圍直徑相等的圓，在樣本表面寫有文字(調(diào)節(jié)樣本成像位置，即物距)。
將分光鏡7用夾塊29固定于CCD攝像機6的靶面前大約兩毫米處，且使分光鏡7側(cè)面與CCD攝像機6的靶面平行。然后放置CCD鏡頭8，使CCD鏡頭8的中心與CCD攝像機6的中心在同一水平線上。將樣本28放置于位置a處，且參考十字架的中心空間位置調(diào)整至與CCD鏡頭8的中心基本吻合。將樣本28沿CCD鏡頭8的軸向慢慢遠離鏡頭，移至可以在顯示器內(nèi)看到清晰的樣本A上的文字的像為止，即位置b處，并保證CCD鏡頭8的采集方向與樣本28的表面法線平行。然后微調(diào)CCD攝像機6的空間(高度和水平面內(nèi)與CCD鏡頭8的角度)位置，使參考十字架的成像位置在監(jiān)視器的中心。
這樣，即可完成采集裝置的調(diào)整，使照射區(qū)域與采集區(qū)域的一致性，并使采集方向位于豎直平面(y-z)內(nèi)。
2.豎直方向照射光束的調(diào)整圖像采集裝置調(diào)整完畢后，為了保證豎直方向的兩個分支光纖13和15出射端口以對稱于被測物體表面法線的角度照射被測物體的表面，本裝置采用兩條直線構(gòu)成一個平面原理、投影原理和等三角形的幾何原理作為調(diào)整數(shù)學模型，將豎直方向的兩照射光束13和15調(diào)整到準確的位置。在此，分步講述調(diào)整過程。
第一步、兩根鉛垂線的共面(處于y-z面內(nèi))調(diào)整；采用如圖6所示原理(兩直線構(gòu)成一個平面原理)調(diào)整，目的是調(diào)整兩根鉛垂線使其共面，并在y-z面內(nèi)。
圖6中，將兩根線通過重錘分別懸空掛在重錘支架32上，這里要保證兩根線自由垂直，形成鉛垂線30和31。兩鉛垂線30、31要在樣本28表面與CCD鏡頭8之間且鉛垂線30離樣本28表面大約5毫米，鉛垂線30、31間隔不宜過大，以便能得到兩鉛垂線清晰的成像。
因為在圖像采集裝置調(diào)整完畢后，保證了CCD鏡頭沿其軸向采集圖像，則只要保證兩鉛垂線30和31的像能夠重合，即可保證兩鉛垂線30、31共面。
利用燈光33照射，使鉛垂線30和31成像在顯示屏幕上，通過調(diào)整支架32的位置使鉛垂線30和31的像重合，則完成其共面(y-z面內(nèi))調(diào)整。
第二步、豎直方向上位于下端的分支光纖13出射端口光束的調(diào)整；將如圖6中的燈光33關閉，開啟豎直方向上位于下端的分支光纖13，使分支光纖13的出射激光光束照射兩根鉛垂線30、31。目的是調(diào)整分支光纖13出射激光光束的照射方向位于y-z面內(nèi)。
采用如圖7所示的原理(投影原理)，因為兩鉛垂線30、31已經(jīng)共面，只要使兩鉛垂線30、31的兩投影同時落在y-z面內(nèi)，則分支光纖13的出射激光光束的照射方向便落在y-z面內(nèi)。
首先，觀察兩根鉛垂線30、31的投影在顯示器上面的成像位置，根據(jù)它們的投影成像在參考十字架豎直線附近的位置，調(diào)整分支光纖13的出射端口的空間位置，使兩根鉛垂線30、31的投影成像位于同一條直線并且落在樣本28的表面上的參考十字架的豎直線的成像位置上。兩條鉛垂線30、31經(jīng)分支光纖13的出射激光光束照射后的投影成像處于同一直線上，表明出射激光光束的照射方向位于y-z面內(nèi)。
其次，調(diào)整分支光纖13的照射角度(光束在豎直方向上與Z軸方向的夾角)，使光束中心與參考十字架交點重合。
最后，測量下端分支光纖13的出射端口與CCD鏡頭8的中軸線以及樣本28的表面距離，分別記錄為L1和C1。
第三步、豎直方向上位于上端的分支光纖15的出射端口光束的調(diào)整；仍然采用分支光纖13調(diào)整原理，目的是使分支光纖15的出射端口光束照射方向在y-z面內(nèi)，并與分支光纖13的光束照射方向關于Z軸對稱。
首先，通過遮擋開關21關閉分支光纖13，通過遮擋開關18，打開分支光纖15的出射激光光束，使光纖15的出射激光光束照射兩根鉛垂線30、31。
其次，觀察兩根鉛垂線30、31的投影在顯示器上面的成像位置，根據(jù)它們的投影成像在參考十字架豎直線附近的位置，調(diào)整分支光纖15出射端口與CCD鏡頭中軸線和參考物表面的距離分別為L1和C1，使光束中心與參考十字架交點重合，并使兩根鉛垂線30、31的投影成像位于同一條直線且落在參照物表面上的參考十字架的豎直線的成像位置上。兩條鉛垂線30、31經(jīng)分支光纖15的出射激光光束照射后的投影成像處于同一直線上，表明分支光纖15的出射激光光束的照射方向位于y-z面內(nèi)。
至此，豎直方向上下端兩端分支光纖13和15的出射端口空間位置如圖8所示。
第四步、驗證分支光纖13和15的出射激光光束同在y-z面內(nèi)。
通過遮擋開關21和18同時開啟分支光纖13和15的出射激光光束，觀察兩鉛垂線30、31經(jīng)分支光纖13和15同時照射后的投影在顯示器上的成像位置，仍在參考十字架的豎直線成像位置處，驗證調(diào)整正確。
3.水平方向照射光束的調(diào)整圖像采集裝置和豎直方向分支光纖13和15的出射激光光束調(diào)整完畢后，為了保證水平方向的兩個分支光纖12和14的出射端口以對稱于被測物體表面法線的角度照射被測物體的表面，本實驗仍然采用兩條直線構(gòu)成一個平面原理、投影原理和等三角形的幾何原理作為調(diào)整數(shù)學模型，將水平方向的兩分支光纖13和15的出射激光光束調(diào)整到準確的位置。在此，仍分步講述調(diào)整過程。
第一步、兩根水平線的共面(處于x-z面內(nèi))調(diào)整；采用如圖9所示原理(兩直線構(gòu)成一個平面原理)調(diào)整，目的是調(diào)整兩根水平線使其共面，并在x-z面內(nèi)。
圖9中，水平支架34和35處于同一高度，將兩根線通過重錘分別懸空掛在水平支架34和35上，這里要保證兩根線繃緊，形成兩水平線36和37。兩水平線36、37同樣要在樣本28表面與CCD鏡頭8之間且保證水平線36和37在顯示器中都有清晰的成像。
圖像采集裝置調(diào)整完畢后，保證了CCD鏡頭沿其軸向采集圖像，只要保證兩水平線36和37的像能夠重合，即可保證兩水平線共面。
采用分支光纖13和15的相同的調(diào)整原理，只要支架34和35的水平性得到保證，則水平線36和37的像必然重合，調(diào)整支架34和35的高度，使水平線36和37的成像處于參考十字架的水平線上，完成其共面(x-z面內(nèi))調(diào)整。
第二步、水平方向上位于左端(面向被測樣本)的分支光纖14的出射激光光束的調(diào)整；采用如圖9中的燈光33關閉，通過遮擋開關19開啟水平方向上位于左端的分支光纖14，使分支光纖14的出射激光光束照射兩根水平線36、37，目的是調(diào)整分支光纖14的出射激光光束的照射方向位于x-z面內(nèi)。
采用如圖10所示的原理(投影原理)，因為兩水平線36、37已經(jīng)共面，只要使兩水平線36、37的兩投影同時落在x-z面內(nèi)，分支光纖14的出射激光光束的照射方向便在x-z面內(nèi)。
首先，觀察兩根水平線36、37的投影在顯示器上面的成像位置，根據(jù)它們的投影成像在參考十字架水平線附近的位置，調(diào)整分支光纖14的出射端口的空間位置，使兩根水平線36、37的投影成像位于同一條直線并且落在樣本28的表面上的參考十字架的水平線的成像位置上。兩條水平線36、37經(jīng)分支光纖14的出射激光光束照射后的投影成像處于同一直線上，表明分支光纖14的出射激光光束的照射方向位于x-z面內(nèi)。
其次，調(diào)整分支光纖14的照射角度(光束在水平方向上與Z軸方向的夾角)，使光束中心與參考十字架交點重合。
最后，測量分支光纖14的出射端口與CCD鏡頭8的中軸線以及樣本28的表面的距離，分別記錄為L2和C2。
第三步、水平方向上位于右端的分支光纖12的出射激光光束的調(diào)整；采用分支光纖14的調(diào)整原理，目的是使水平方向上位于右端的分支光纖12的出射激光光束的照射方向在x-z面內(nèi)，并與分支光纖14的出射激光光束的照射方向關于Z軸對稱。
首先，通過遮擋開關19關閉分支光纖14的出射激光光束，通過遮擋開關20打開水平方向上位于右端的分支光纖12的出射激光光束，使分支光纖12的出射激光光束照射兩根水平線36、37。
其次，觀察兩根水平線36、37的投影在顯示器上面的成像位置，根據(jù)它們的投影成像在參考十字架水平線附近的位置，調(diào)整分支光纖12的出射端口與CCD鏡頭8的中軸線和樣本28的表面的距離分別為L2和C2，使光束中心與參考十字架交點重合，并使兩根水平線36、37的投影成像位于同一條直線且落在樣本28的表面上的參考十字架的水平線的成像位置上。兩條水平線36、37經(jīng)分支光纖12的出射激光光束照射后的投影成像處于同一直線上，表明分支光纖12的出射激光光束的照射方向位于x-z面內(nèi)。
第四步、驗證分支光纖12和14的出射激光光束同在y-z面內(nèi)。
通過遮擋開關20和19同時開啟分支光纖12和14的出射激光光束，觀察兩水平線36、37經(jīng)分支光纖12和14同時照射后的投影在顯示器上的成像位置，仍在參考十字架的水平線成像位置處，驗證調(diào)整正確。
至此，水平和豎直方向上四束分支光纖12、14、13、15的出射端口空間位置如圖11所示。
4.離面方向參考光束的調(diào)整將分支光纖11的出射端口位置放于分光鏡7的側(cè)面，使其出射光束經(jīng)過擴束準直鏡10和遮擋開關9進入分光鏡7，經(jīng)反射后進入CCD攝像機6的接收靶面，與分支光纖14的出射激光光束組成離面變形檢測系統(tǒng)，微調(diào)分支光纖11的出射端口的空間位置，直到在顯示器中央?yún)^(qū)域看到散斑。
至此，系統(tǒng)五束分支光纖11、12、13、14、15的空間位置全部調(diào)整完畢。分支光束照射角度標定根據(jù)四束分支光纖12、13、14、15的調(diào)整結(jié)果得到的空間尺寸數(shù)據(jù)，進行照射角度的標定。
豎直方向上，因為分支光纖13、15的出射端口關于Z軸對稱照射被測樣本28的表面，根據(jù)圖8所示的幾何關系，可知其照射角度α相等，即α=arctan(L1C1)---(1)]]>水平方向上，因為分支光纖12、14的出射端口關于Z軸對稱照射被測樣本28的表面，根據(jù)圖11所示的幾何關系，可知其照射角度θ相等，即θ=arctan(L1C1)---(2)]]>本發(fā)明的工作原理如圖1所示，激光器1提供激光光源，激光光束經(jīng)過顯微鏡2聚焦后，通過光纖調(diào)整架3的調(diào)整使光束進入一分五光纖耦合器4的主光纖，獲得11、12、13、14、15五束光束。光束11由擴束準直器10擴束準直后通過遮擋開關9進入分光鏡7；光束12和14被放置在水平面內(nèi)并關于物體表面法線對稱照射被測樣本22，其中光束14的輸出端口粘貼有PZT相移器17以便將相移引入光束14內(nèi)，構(gòu)成面內(nèi)水平方向變形檢測系統(tǒng)；光束13和15被放置在豎直面內(nèi)并關于物體表面法線對稱照射被測樣本22，其中光束15的輸出端口粘貼有PZT相移器16以便將相移引入光束15內(nèi)，構(gòu)成面內(nèi)垂直方向變形檢測系統(tǒng)。在光束12、13、14、15的輸出端位置分別有遮擋開關20、21、19、18，控制變形檢測的順序執(zhí)行。
上述系統(tǒng)中，在分支光束12、13、14、15出射光束后分別經(jīng)過遮擋開關20、21、19、18后照射到被測物體上。分支光束11、12、13分別如圖3所示固定，分支光纖14、15分別如圖4所示結(jié)構(gòu)固定。
上述系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集操作步驟為首先，進行面內(nèi)豎直方向(Y軸方向)變形檢測，開啟遮擋開關18、21，關閉遮擋開關9和遮擋開關19、20，使分支光纖13和15的出射激光光束構(gòu)成面內(nèi)豎直方向變形檢測系統(tǒng)；利用面內(nèi)豎直方向變形檢測系統(tǒng)采集變形前的四幅圖像，圖像之間利用分支光纖15出口端處的PZT相移器16引入相移，四幅圖像的位相為0、π/2、π、3π/2。
其次，進行面內(nèi)水平方向(X軸方向)變形檢測，關閉著當開關18、21，開啟遮擋開關19、20，遮擋開關9仍處于關閉狀態(tài)，這樣使分支光纖12和14的出射激光光束構(gòu)成面內(nèi)水平方向變形檢測系統(tǒng)；利用面內(nèi)水平方向變形檢測系統(tǒng)采集變形前的四幅相移圖像，圖像之間利用分支光纖14的出口端處的PZT相移器17引入相移。四幅圖像的位相為0、π/2、π、3π/2。
最后，進行離面方向(Z軸方向)變形檢測，關閉遮擋開關18、20、21，開啟遮擋開關9，使分支光纖11和14的出射激光光束構(gòu)成離面方向變形檢測系統(tǒng)。
利用離面方向變形檢測系統(tǒng)采集變形前的四幅相移圖像，圖像之間利用分支光纖14出口端處的PZT相移器17引入相移。四幅圖像的位相為0、π/2、π、3π/2。
將三個方向變形檢測系統(tǒng)中變形前的散斑圖像用同樣的形式表示，四幅散斑圖像分別表示為IBa、IBb、IBc、IBd，即IBa=I1(x,y)+I2(x,y)+2I1(x,y)I2(x,y)cos[φR(x,y)-φB(x,y)]---(3)]]>IBb=I1(x,y)+I2(x,y)+2I1(x,y)I2(x,y)cos[φR(x,y)-φB(x,y)-π2]---(4)]]>IBc=I1(x,y)+I2(x,y)+2I1(x,y)I2(x,y)cos[φR(x,y)-φB(x,y)-π]---(5)]]>IBd=I1(x,y)+I2(x,y)+2I1(x,y)I2(x,y)cos[φR(x,y)-φB(x,y)-32π]---(6)]]>將三個方向變形檢測系統(tǒng)中變形后的散斑圖像用同樣的形式表示，變形后采集的一幅散斑圖像記為IA，即IA=I1(x,y)+I2(x,y)+2I1(x,y)I2(x,y)cos[φR(x,y)-φB(x,y)+Δφ(x,y)]---(7)]]>式中，I1(x，y)和I2(x，y)分別指物光波和參考光波的光強；φB(x，y)和φR(x，y)分別指物光波和參考光波的位相；Δφ(x，y)指變形引起的位相差。
利用“4+1”相移算法，將式(3)、(4)、(5)、(6)分別與式(7)分別相減，然后平方，取平均后，分別表示為；<IFA2>、<IFB2>、<IFC2>、<IFD2>，即<IFA2>＝<[IBa(x，y)-IA(x，y)]2>
≈4I1(x，y)I2(x，y){1-cos[Δφ(x，y)]}(8)<IFB2>＝<[IBb(x，y)-IA(x，y)]2>
≈4I1(x，y)I2(x，y){1+sin[Δφ(x，y)]}(9)
<IFC2>＝<[IBc(x，y)-IA(x，y)]2>
≈4I1(x，y)I2(x，y){1+cos[Δφ(x，y)]}(10)<IFD2>＝<[IBd(x，y)-IYA(x，y)]2>
≈4I1(x，y)I2(x，y){1-sin[Δφ(x，y)]}(11)將式(8)、(9)、(10)、(11)利用三角函數(shù)運算處理得到位相Δφ(x，y)，即Δφ(x，y)＝atan2(IFB2-IFD2，IFC2-IFA2) (12)根據(jù)面內(nèi)豎直方向位相與變形關系 式中，α為照射光束與物體表面法線夾角，v為面內(nèi)豎直方向的變形，λ為激光波長。面內(nèi)水平方向的位相與變形關系 式中，θ為照射光束與物體表面法線夾角，u為面內(nèi)水平方向的變形，λ為激光波長。
以及離面方向的位相與變形關系 式中，α為照射光束與物體表面法線夾角，v為面內(nèi)豎直方向的變形，w為離面方向得到三維變形的量化方程組為 上述三個方向的變形數(shù)據(jù)的采集以及處理都經(jīng)過相同的過程從被測物體反射的光束經(jīng)過CCD鏡頭8成像于CCD攝像機6的靶面上，進而將圖像傳輸?shù)接嬎銠C5進行數(shù)據(jù)處理。
權(quán)利要求
1.一種基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，由一個提供光源的激光器(1)、一個帶CCD攝像機(6)的圖像接收系統(tǒng)和一個分光傳光及相移系統(tǒng)組成，其特征在于所述的分光傳光及相移系統(tǒng)是一個一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器(1)來的主光纖經(jīng)一個光纖調(diào)整架(3)連接一個一分五的光纖耦合器(4)輸入端口，光纖耦合器(4)的輸出端口連接五束光纖分支(11、12、13、14、15)進行分光和傳光一束分支光纖(11)連接所述的帶CCD攝像機(6)的圖像接收系統(tǒng)，四束分支光束(12、13、14、15)的輸出端口各放置一個遮擋開關(20、21、19、18)，四束分支光束(12、13、14、15)的輸出端口分別對準被測物體(22)，其中兩個分支光纖(14、15)通過相移系統(tǒng)(23、24)固定，相移系統(tǒng)(23、24)中分別各粘貼一個PZT相移器(17、16)，通過PZT相移器(17、16)的膨脹移動，帶動其粘貼的分支光纖(14、15)移動，將相移引入光束內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的相移系統(tǒng)(23、24)的結(jié)構(gòu)是分支光纖(14、15)固定在一個L型光纖固定塊(25)上，L型光纖固定塊(25)與PZT相移器(16、17)粘貼成剛性連接，然后，PZT相移器(16、17)與光纖支撐架(26)粘貼成剛性連接。分支光纖(14、15)與光纖支撐架(26)和PZT相移器(16、17)不連接。PZT相移器(16、17)受電壓驅(qū)動推動L型光纖固定塊(25)向前移動，從而使L型光纖固定塊(25)帶動分支光纖(14、15)沿光纖軸向移動，將相移引入分支光纖(14、15)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的無相移光纖固定結(jié)構(gòu)是將分支光纖(12、13)直接固定于光纖支撐架26上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是從所述的激光器(1)出射光束經(jīng)一個顯微鏡(2)和光纖調(diào)整架(3)，由分支光纖(11)傳光，光束經(jīng)護束準直鏡(10)、遮擋開關(9)后由分光鏡(7)分光，分光鏡(7)置于CCD攝像機(6)與CCD鏡頭(8)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的CCD攝像機(6)連接一個計算機(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)。它由一個提供光源的激光器、一個帶CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)和一個分光傳光及相移系統(tǒng)組成，分光傳光及相移系統(tǒng)是一個一分五型光纖分光傳光及相移系統(tǒng)。通過光纖出口端的遮擋開關的選擇，可以實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的準實時三維變形測量。
文檔編號G01B11/30GK101033948SQ20071003878
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者于瀛潔, 王亮亮, 張之江, 周文靜, 胡孔明, 張淑萍 申請人:上海大學