專利名稱：多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種構件變形和位移測試的三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，屬于光測力 學、形貌測量、工程材料、構件變形和位移測試技術等領域。
背景技術：
數(shù)字全息(DH)測量方法相對于其它光學干涉的測量方法有很多的優(yōu)點，能夠進行物體相 位分析，及相位物質的顯微結構分析；能利用其優(yōu)良的相位分析可對相位物質進行動態(tài)分析 等，具有測量裝置簡單、非入侵及動態(tài)測量的特點。經(jīng)常用于微機電系統(tǒng)(MEMS)器件、空間 微觀粒子成像和跟蹤、生物樣本的變形或空間位置測量。數(shù)字全息測量方法其分辨率主要由 系統(tǒng)結構來決定。
電子散斑干涉技術(ESPI)利用激光散斑效應，用被測物體在受激光照射后產(chǎn)生干涉散斑 場的相關條紋來檢測雙光束波前之間的相位變化。三維相移電子散斑干涉技術是電子散斑干 涉技術給合相移技術向三維、高精度和自動化方向的發(fā)展，具有靈敏度高、可同時獲得全場 三維位移、非接觸等優(yōu)點。
目前現(xiàn)有的技術中應用的位移及形貌測量的激光干涉測量系統(tǒng)多屬于在實驗臺上臨時搭 建的組裝結構，無法適用于更加復雜的現(xiàn)場及要求。針對這種情況，國內(nèi)外已推出一些便攜 式商用激光干涉測量系統(tǒng)包括顯微數(shù)字全息裝置及電子散斑干涉儀。比較著名的數(shù)字全息裝 置國外有瑞士的Lynceetec公司推出了 DHM-1000數(shù)字顯微全息，國內(nèi)有上海大學的"數(shù)字全 息顯微測量裝置"(專利號:200610117319.8)，中國科學院上海光學精密機械研究所的大視場 數(shù)字全息成像裝置(專利號:200240082611. 7);比較著名的電子散斑干涉儀器國內(nèi)有包括中國 科技大學研制的電子散斑干涉儀和西安交通大學研制的多功能數(shù)字散斑干涉儀，中國船舶重
工集團公司第七一一研究所的一種三維電子散斑干涉儀(專利號200610024276. O)等。這幾 種干涉儀均配有攝像機和圖像卡，采集到圖像由計算機進行數(shù)據(jù)處理。但是，國內(nèi)的數(shù)字顯 微全息儀器其應用的場合不多，實現(xiàn)透明顯微物體輪廓測量檢測，透明顯微物體的形態(tài)變化， 電子散斑干涉儀一般只是對平面或離面位移等的測量。由于數(shù)字全息方法和電子散斑方法的 局限性，它們各自測量時均只能測量物體的形貌或形變，該系統(tǒng)在已有的三維電子散斑系統(tǒng) 的基礎上進行了較大的改進以適應數(shù)字全息的測量環(huán)境，能夠實時地測量物體的形貌和形變。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，即可實現(xiàn)物體表面 三維位移場(面內(nèi)位移u， v和離面位移w)的實時測量，又可實現(xiàn)三維形貌測量的目的，同
時具有靈敏度高，結構緊湊的優(yōu)點。本發(fā)明的技術方案如下 一種多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，含有激光器l，圖像采集拍攝系統(tǒng)3， 六維支架調節(jié)系統(tǒng)5，分光開關6，放置試件的加載裝置臺7以及計算機8，其特征在于該
所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)還包括三維干涉光路系統(tǒng)4和分光耦合器2， 所述的三維干涉光路系統(tǒng)包括場鏡18、準直鏡20、分光棱鏡21和成像透鏡22;所述的分光 耦合器將激光發(fā)出的光分為參考光和物光，參考光通過準直鏡20,再經(jīng)過分光棱鏡21入射 到場鏡18上，通過成像透鏡22到達圖像采集攝像系統(tǒng)3;所述的分光開關6將物光分為第 一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16，所述的計算機8通過控制線與分光開 關相連接，來控制通道的開關，且每次只開通一個通道；四個通道分別與固定在套筒12上的 平移臺17上的四個擴束器11相連，且四個擴束器呈90度均勻分布；物光通過第一通道13 到達擴束器ll，通過擴束器照射到試件表面，反射光通過套筒12到達分光棱鏡21，再經(jīng)過 場鏡18和成像透鏡22到達圖像采集攝像系統(tǒng)3;所述的圖像采集攝像系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與計 算機8相連，所述的六維調節(jié)系統(tǒng)與套筒12相連。
本發(fā)明的技術特征還在于所述的三維干涉光路系統(tǒng)4中還含有壓電陶瓷驅動器，所 述的壓電陶瓷驅動器通過直流穩(wěn)壓電源9與計算機相連。
本發(fā)明的又一技術特征在于所述的三維干涉光路系統(tǒng)3中的成像透鏡22、場鏡18、 壓電陶瓷驅動器19、準直鏡20和分光棱鏡21被封裝在一個暗箱內(nèi)。
本發(fā)明所述激光器，圖像采集拍攝系統(tǒng)，六維支架調節(jié)系統(tǒng)，直流穩(wěn)壓電源，放置試 件的加載裝置臺，全部安裝在一個工作臺上；所述的三維干涉光路系統(tǒng)固定在套筒中，通過 六維支架調節(jié)系統(tǒng)固定在工作臺上。本發(fā)明所述的六維支架調節(jié)系統(tǒng)5由升降平移臺24、精 密平移臺26、面內(nèi)旋轉臺23、俯仰臺23和垂直面內(nèi)旋轉臺29五部分組成；所述的垂直面內(nèi) 旋轉臺29固定在俯仰臺28上，精密平移臺26通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉 臺29上，升降平移臺24借助于燕尾槽導軌和精密平移臺26相連，面內(nèi)旋轉臺23通過滑塊 機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺24相連。
本發(fā)明裝置與現(xiàn)有技術相比，具有以下特點 一、能夠同時進行三維的電子散斑干涉方 法和數(shù)字全息方法的測量；二、通過計算機程序控制PZT的精確位移，從而達到精確的相移 調節(jié)；三、通過計算機程序控制光開關方便快捷的轉換四個方向的光路；四、方便的成像調 節(jié)體系能夠滿足多種不同方位的需求，特別是對于大小尺寸不同的物體，能夠方便地調節(jié)物 距使成像清晰；五、可通過雙(多)波長干涉技術，利用數(shù)字全息干涉方法來測量物體的形貌; 六、整個測量系統(tǒng)具有動態(tài)性好、非接觸，而且測量裝置簡單緊湊，自動化程度較高等優(yōu)點。
圖1為本發(fā)明提供的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)的原理結構示意圖。 圖2為三維干涉光路系統(tǒng)的結構示意圖。 圖3為六維支架調節(jié)系統(tǒng)的結構示意4a和4b分別為平移臺的主視圖和俯視圖。
圖中l(wèi)一激光器；2 —分光耦合器；3—圖像采集拍攝系統(tǒng)；4一三維干涉光路系統(tǒng)；5 一六維支架調節(jié)系統(tǒng)；6 —分光開關；7 —放置試件的加載裝置臺；8 —計算機；9一直流穩(wěn)壓 電源；IO —試件；11 —四個擴束器；12 —套筒；13 —第一通道；14 —第二通道；15 —第三通 道；16 —第四通道；17 —平移臺；18 —場鏡；19一壓電陶瓷驅動器；20 —準直鏡；21 —分光 棱鏡；22 —成像透鏡；23 —面內(nèi)旋轉臺；24 —升降平移臺；25 —燕尾槽導軌；26 —精密平移 臺；27 —旋轉螺桿；28 —俯仰臺；29 —垂直面內(nèi)旋轉臺；30 —調節(jié)旋鈕；31—測微絲桿；32-45°
板；33-聯(lián)接圓環(huán)板。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的原理、工作過程和
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明提供的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)的原理結構示意圖。該裝
置含有激光器l、分光耦合器2、圖像采集拍攝系統(tǒng)3，三維干涉光路系統(tǒng)4、六維支架調節(jié) 系統(tǒng)5，分光開關6、放置試件的加載裝置臺7和計算機8，所述的三維干涉光路系統(tǒng)包括場 鏡18、準直鏡20、分光棱鏡21和成像透鏡22;所述的分光耦合器將激光發(fā)出的光分為參考 光和物光，參考光通過準直鏡20，再經(jīng)過分光棱鏡21入射到場鏡18上，通過成像透鏡22 到達圖像采集攝像系統(tǒng)3，分光棱鏡21與壓電陶瓷驅動器19相連，壓電陶瓷驅動器與直流 穩(wěn)壓電源9相連并達到輸出一致的效果。直流穩(wěn)壓電源9通過計算機8控制。通過分光棱鏡 21的平移，改變參考光的光程，在電子散斑干涉或是數(shù)字全息圖像記錄過程中起到了相移器 的作用；所述的分光開關6將物光分為第一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道 16，所述的計算機8通過控制線與分光開關相連接，來控制通道的開關，且每次只開通一個 通道；四個通道分別與固定在套筒12上的平移臺17上的四個擴束器11相連，且四個擴束器 呈90度均勻分布；物光通過第一通道13到達擴束器11，通過擴束器照射到試件表面，反射 光通過套筒12到達分光棱鏡21，再經(jīng)過場鏡18和成像透鏡22到達圖像采集攝像系統(tǒng)3;對 于物光的光程，物光經(jīng)由物光光纖導入分光開關6，分光開關6通過計算機8控制。由分光 開關6導出四路光束，該四路光纖固定在四個同樣的安裝了擴束器的平移臺17上，安裝了擴 束器的平移臺17被固定在45°板32上，而45°板15被固定在聯(lián)接圓環(huán)板33上成90°的 均勻分布，聯(lián)接圓環(huán)板33通過螺絲聯(lián)接在接筒二 12上，可以旋轉使整個安裝了擴束器的平 移臺17上下移動。激光經(jīng)過安裝了擴束器的平移臺17照射到固定在加載裝置或載物臺7的 試件10上，通過計算機8的控制可以方便地利用分光開關6控制第一通道13、第二通道14、 第三通道15和第四通道16四個通道上任一方向的激光照射。激光從試件10表面反射的光進 入場鏡18，透射過分光棱鏡21，微調成像透鏡22，在圖像采集拍攝系統(tǒng)3成像。這樣，參 考光與物光干涉在圖像采集拍攝系統(tǒng)3中形成圖像，計算機8記錄和存儲圖像，軟件分析后 得到結果。所述的圖像采集攝像系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與計算機8相連，所述的六維調節(jié)系統(tǒng)與套筒12相連。
所述激光器、圖像采集拍攝系統(tǒng)、六維支架調節(jié)系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源和放置試件的加載 裝置全部安裝在一個工作臺上；所述的三維干涉光路系統(tǒng)固定在套筒中，套筒通過六維支架 調節(jié)系統(tǒng)固定在工作臺上。
圖2為三維干涉光路系統(tǒng)的結構示意圖，該三維干涉光路系統(tǒng)包括場鏡18、準直鏡20、 分光棱鏡21、成像透鏡22和壓電陶瓷驅動器19，壓電陶瓷驅動器通過直流穩(wěn)壓電源9與計 算機8相連。所述的三維干涉光路系統(tǒng)3中的成像透鏡22、場鏡18、壓電陶瓷驅動器19、 準直鏡20和分光棱鏡21被封裝在一個暗箱內(nèi)。
圖3為六維支架調節(jié)系統(tǒng)的結構示意圖，六維支架調節(jié)系統(tǒng)5由升降平移臺24、精密平 移臺26、面內(nèi)旋轉臺23、俯仰臺28和垂直面內(nèi)旋轉臺29五部分組成；所述的垂直面內(nèi)旋轉 臺29固定在俯仰臺28上，精密平移臺26通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉臺 29上，升降平移臺24借助于燕尾槽導軌25和精密平移臺26相連，面內(nèi)旋轉臺23通過滑塊 機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺24相連。整個六維支架調節(jié)系統(tǒng)的結構由螺釘固定在 套筒12上。俯仰臺28通過調節(jié)螺釘和調節(jié)螺桿與工作臺底板相連。旋轉螺桿27可以改變俯 仰臺的俯仰角；垂直面內(nèi)旋轉臺29由緊固螺釘連接在俯仰臺28上，垂直面內(nèi)旋轉臺的作用 是精密調節(jié)試件的垂直面內(nèi)轉動，達到調零場和消除在施加載荷過程中產(chǎn)生的剛體轉動。精 密平移臺26通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉臺29上，可以由測微絲桿30進行 驅動，為平移臺提供直線運動，運動的位移分辨率可達0.001mm。升降平移臺24借助于燕尾 槽導軌25與精密平移臺26相連，平移臺可以沿直線導軌前后滑動。面內(nèi)旋轉臺23通過滑塊 機構和升降平移臺24上的光滑凹槽導軌相連，由導軌上的齒輪齒條實現(xiàn)升降和前后、左右平 移，具有移動行程長，速度快，移動平穩(wěn)等特點，精度為O. lmm，可方便地調節(jié)套筒12的上 下和前后、左右移動來達到對中目的，滿足三維干涉光路系統(tǒng)位置調整的要求。旋轉臺23上 的測微絲桿31可以提供36(T的手動旋轉，使套筒得到精確細微的角度調整，精度可達±10'。 圖4a和4b分別為平移臺的主視圖和俯視圖，平移臺17由45°板32和聯(lián)接圓環(huán)板33 組成。聯(lián)接圓環(huán)板33上均勻分布著16個圓孔，可以通過調節(jié)45°板32的位置從而實現(xiàn)四個 擴束器呈90度均勻分布。
本發(fā)明的實施過程為激光器l發(fā)出激光，經(jīng)過分光耦合器2分成兩束光， 一束參考光， 一束物光，參考光照射到分光棱鏡21上，再經(jīng)過反射后，完全照射到圖像采集攝像系統(tǒng)3; 分光棱鏡21可通過壓電陶瓷PZT來控制其移動和轉動，壓電陶瓷通過PZT驅動電源線和直流 穩(wěn)壓電源輸出線達到與直流穩(wěn)壓電源9的輸出一致。直流穩(wěn)壓電源9通過計算機8控制。通 過分光棱鏡21的平移，改變參考光的光程，在電子散斑干涉或是數(shù)字全息圖像記錄過程中起 到了相移器的作用。對于物光的光程，物光導入分光開關6中，分光開關6通過計算機8控 制。由分光開關6導出四路光束，該四路光纖固定在四個同樣的安裝了擴束器ll上，安裝了擴束器11的平移臺17被固定套筒12上，可以通過旋轉使整個安裝了擴束器的平移臺17上 下移動。激光經(jīng)過安裝了擴束器的平移臺17照射到固定在加載裝置或載物臺7的試件10上， 通過計算機8的控制可以方便地利用分光開關6控制第一通道13、第二通道14、第三通道 15和第四通道16四個通道上任一方向的激光照射。激光從試件10表面反射的光進入套筒12， 透射過分光棱鏡21在圖像采集攝像系統(tǒng)3上成像。這樣，參考光與物光干涉在圖像采集拍攝 系統(tǒng)3上形成圖像，計算機8記錄和存儲圖像，軟件分析后得到結果。
采用本發(fā)明可以實現(xiàn)如下兩種位移測量模式和一種形貌測量模式，其測量過程如下
1) 三維電子散斑干涉方法的測量過程
首先使試件10能夠在圖像采集攝像系統(tǒng)3上清晰成像，通過計算機8控制分光開關6快 速自動地轉化四個通道的激光，并通過圖像采集拍攝系統(tǒng)3記錄每一個光路下初始的電子散 斑干涉圖像；然后，試件10加載產(chǎn)生形變后，再將光路轉到四個通道中的一個，如第一通道 13，在圖像采集攝像系統(tǒng)3上與參考光干涉成像，記錄下該圖像。在此過程中可以通過計算 機8快速地控制直流穩(wěn)壓9電源的輸出，改變PZT兩端電壓，達到相移的目的，并自動記錄 每步相移后的圖像。在軟件中可以選擇三步法相移法，四步法相移法，或是N步相移法，相 移過后，接著轉換下一個通道的物光，直到四個通道都進行了相移等記錄。記錄完成后得到 所有通道的相移電子散斑干涉圖，通過與前后相同通道初始的電子散斑干涉圖像相減，得到 清晰的干涉條紋圖。再利用條紋像相位分析處理等得到清晰的三維場的位移。對于數(shù)字 全息測量位移也是同樣的，但是由于全息的特點其計算量較大，而且最主要的優(yōu)點是可以離 焦，因此只要記錄各個時刻的圖像，位移的計算可以根據(jù)已有的算法進行位移計算。
2) 數(shù)字全息形貌測量模式
數(shù)字全息測量時，選用的方法很多，光路有同軸全息或離軸全息，方法有傅立葉全息， 菲涅爾全息，像面全息。通常情況下都采用像面全息。當使用離軸-像面全息時，其基本過程 與電子散斑干涉的測量相同，不同的一點在于采用的算法不同。利用數(shù)字記錄模擬還原原像 時，可以得到物體表面的相位等。
無論是電子散斑干涉測量模式還是數(shù)字全息測量模式，其基本的光路都是相同的，不同 的一點在于其還原的算法不同。但是無論是哪一種模式，其測量位移的精度都能達到波長量 級。
數(shù)字全息測量物體表面形貌
在數(shù)字全息測量物體表面形貌時，只要選用其中四個通道中任一方向上的激光?？梢杂?雙波長法來測量，也可選用兩點移動法來測量。
對于雙波長法，有兩種模式可以選擇方法一先用一個波長的激光在第一通道13、第 二通道14、第三通道15和第四通道16中任一光路通道下拍攝得到一幅圖像，然后切換波長， 這里可以通過光纖的自由轉換，方便地切換波長，得到第二幅圖像，該方法的缺點是只能測量一種同一精度的形貌對于不同測量精度要求的形貌測量無能為力，優(yōu)點是該方法設備費用較 低，只需要兩種不同波長的激光器；方法二通過可調節(jié)激光波長的激光器上的調節(jié)旋鈕方 便地改變波長，波長改變的大小與要測量的表面高度等有關，該方法的優(yōu)點是能夠滿足不同 的形貌測量精度的要求，但是可調節(jié)波長的激光器較為昂貴。
為了方便起見，通常都是采用兩點移動法。測量過程，首先拍攝得到一幅初始圖像，然 后，精確平移平移臺17，該平移臺能精確地在垂直于物光發(fā)散的方向上移動，以達到改變物 光的照射點的位置，記錄下在此方向移動的微小距離，這個距離與測量的精度有關，因此必 須嚴格控制，拍攝得到移動后的圖像。通過軟件對兩幅圖像進行數(shù)字全息算法的處理，可以 得到關于表面形貌的條紋圖，然后經(jīng)過解相位包絡可以得到物體形貌的三維圖像。
權利要求
1.一種多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，含有激光器(1)，圖像采集拍攝系統(tǒng)(3)，六維支架調節(jié)系統(tǒng)(5)，分光開關(6)，放置試件的加載裝置臺(7)以及計算機(8)，其特征在于該所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)還包括三維干涉光路系統(tǒng)(4)和分光耦合器(2)，所述的三維干涉光路系統(tǒng)包括場鏡(18)、準直鏡(20)、分光棱鏡(21)和成像透鏡(22)；所述的分光耦合器將激光發(fā)出的光分為參考光和物光，參考光通過準直鏡(20)，再經(jīng)過分光棱鏡(21)入射到場鏡(18)上，通過成像透鏡(22)到達圖像采集攝像系統(tǒng)(3)；所述的分光開關(6)將物光分為第一通道(13)、第二通道(14)、第三通道(15)和第四通道(16)，所述的計算機(8)通過控制線與分光開關相連接，來控制通道的開關，且每次只開通一個通道；四個通道分別與固定在套筒(12)上的平移臺(17)上的四個擴束器(11)相連，且四個擴束器呈90度均勻分布；物光通過第一通道(13)到達擴束器(11)，通過擴束器(11)照射到試件(10)表面，反射光通過套筒(12)到達分光棱鏡(21)，再經(jīng)過場鏡(18)和成像透鏡(22)到達圖像采集攝像系統(tǒng)(3)；所述的圖像采集攝像系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與計算機(8)相連，所述的六維調節(jié)系統(tǒng)與套筒(12)相連。
2. 按照權利要求1所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所 述的三維干涉光路系統(tǒng)(4)中還含有壓電陶瓷驅動器，所述的壓電陶瓷驅動器通過直流穩(wěn)壓 電源(9)與計算機(8)相連。
3. 按照權利要求1所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所 述的三維干涉光路系統(tǒng)(3)中的成像透鏡(22)、場鏡(18)、壓電陶瓷驅動器(19)、準直鏡(20)和分光棱鏡(21)被封裝在一個暗箱內(nèi)。
4. 按照權利要求1或2所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于: 所述激光器、圖像采集拍攝系統(tǒng)、六維支架調節(jié)系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源和放置試件的加載裝置 全部安裝在一個工作臺上；所述的三維干涉光路系統(tǒng)固定在套筒中，套筒通過六維支架調節(jié) 系統(tǒng)固定在工作臺上。
5. 按照權利要求1所述的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述的六維支架調節(jié)系統(tǒng)(5)由升降平移臺(24)、精密平移臺(26)、面內(nèi)旋轉臺(23)、俯仰 臺(23)和垂直面內(nèi)旋轉臺(29)五部分組成；所述的垂直面內(nèi)旋轉臺(29)固定在俯仰臺 (28)上，精密平移臺(26)通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉臺(29)上，升 降平移臺(24)借助于燕尾槽導軌(25)和精密平移臺(26)相連，面內(nèi)旋轉臺(23)通過 滑塊機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺(24)相連。
全文摘要
多功能三維位移和形貌的激光干涉測量系統(tǒng)，屬于光測力學、工程材料、構件變形、位移測試、形貌測量等技術領域。本發(fā)明由激光器，圖像采集攝像系統(tǒng)，分光耦合器，分光光開關，直流電源控制器，三維激光干涉光路系統(tǒng)，放置試件的加載裝置臺，支架調節(jié)體系和計算機等組成。該測量系統(tǒng)可實現(xiàn)u、v、w三個位移場的高精度測量，位移測量靈敏度可達波長量級，并具有數(shù)字全息和電子散斑干涉兩種位移測量模式，以及數(shù)字全息測量表面形貌的模式。采用支架調節(jié)體系實現(xiàn)多個方向自由度的調節(jié)，方便的系統(tǒng)成像和測量的調節(jié)，具有使用方便，結構緊湊、測量精度高等特點。系統(tǒng)配有相移裝置，經(jīng)過相移技術處理后的位移測量精度可達納米量級。
文檔編號G01B11/24GK101608904SQ20091008889
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權日2009年7月21日
發(fā)明者戴福隆, 王懷喜, 胡振興, 謝惠民 申請人:清華大學