一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：能夠給出激光加工過程中的瞬態(tài)三維位移，并且其時(shí)間和空間的分辨能力會隨著高速攝影系統(tǒng)和長距離顯微鏡的進(jìn)一步發(fā)展而獲得提高；將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)結(jié)合并利用了它們各自的優(yōu)勢，方便測量，為研究激光加工所需的微尺度瞬態(tài)三維熱變形提供了有效、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段。
【專利說明】
一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)測試技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于測量微尺度瞬態(tài)三維位移場的雙光路高速顯微散斑干涉系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光學(xué)測試技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)研究的重要手段并滲透于各個(gè)研究領(lǐng)域，為工程技術(shù)領(lǐng)域提供所需的特殊測量技術(shù)和方法及實(shí)現(xiàn)光學(xué)測試技術(shù)信息的高精度快速提取，一直是測試領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)的重要課題和努力目標(biāo)。
[0003]由于激光加工技術(shù)的快速發(fā)展，對非接觸式微尺度瞬態(tài)三維熱變形測量技術(shù)的需要隨之與日倶增。激光加工技術(shù)擁有可精確控制微觀過程、生產(chǎn)效率高、加工成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，并因此廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光子晶體器件、微機(jī)械加工以及微細(xì)醫(yī)療器件的制作和細(xì)胞生物工程等領(lǐng)域。然而，在激光加工過程中往往產(chǎn)生熱變形，而過度的熱變形常常是限制被加工器件速度、壽命及輸出功率等性能的主要因素。所以，研究激光加工中微尺度瞬態(tài)三維熱變形是控制被加工器件的質(zhì)量、掌握被加工器件的熱量產(chǎn)生與傳輸及提高器件設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵，也是相關(guān)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)課題，國內(nèi)外在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析研究三方面都在為解決這一難題而努力。但是，相對于微尺度條件下的理論研究和數(shù)值模擬，微尺度實(shí)驗(yàn)技術(shù)在需要完整、清晰的基本原理和理論的同時(shí)，還需要借助基本的檢測技術(shù)和檢測平臺，但目前這兩方面的發(fā)展卻非常有限，而且激光加工中瞬態(tài)熱變形的測量環(huán)境較差(照射時(shí)間短，被測區(qū)域小，溫度高)，因此，在現(xiàn)有的條件下，研究和發(fā)展具有時(shí)間和空間分辨功能的有效的微尺度瞬態(tài)三維熱變形實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)，是急需解決的并具有挑戰(zhàn)性的問題，有著重要的科學(xué)意義和工程實(shí)際價(jià)值。
[0004]當(dāng)前，電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)法均已廣泛地應(yīng)用于位移場測量，最具代表性的是德國Dantec Dynamics company開發(fā)的三維電子散斑干涉儀(3D ESPI System Q-300)和三維數(shù)字散斑相關(guān)測試系統(tǒng)(Digital 3D Image Correlat1n System Q-400)，但他們的三維電子散斑干涉儀需用4光路，三維數(shù)字散斑相關(guān)測試系統(tǒng)需要兩個(gè)CCD攝像系統(tǒng)。中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所張熹等開發(fā)了 3光路三維散斑干涉儀，該干涉儀利用一組分光鏡將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)法有機(jī)結(jié)合，建立了雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并為此提供一種結(jié)構(gòu)簡單、具有較高精度和實(shí)用性的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)。
[0008]本發(fā)明用于微尺度瞬態(tài)三維位移場的測量時(shí)，所述激光器發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡后，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡；
[0009]從第二分光鏡分出的光路一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡；從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經(jīng)第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡到被測物;第三全反鏡的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡到被測物，經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測物后返回到第五分光鏡并通過第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來，完成面內(nèi)位移的測量；
[0010]從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測物，與經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測物后返回第五分光鏡并通過第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來，完成離面位移的測量。
[0011 ]面內(nèi)位移測量光路和離面位移測量光路的激光能量由能量衰減器控制；
[0012]在離面位移測量光路中若加入相移器可實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測量。
[0013]所述的CXD攝像機(jī)采用高速攝像機(jī)和長距離顯微鏡。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)結(jié)構(gòu)簡單，測量方便，能夠給出激光加工過程中的瞬態(tài)三維位移，并且其時(shí)間和空間的分辨能力會隨著高速攝影系統(tǒng)和長距離顯微鏡的進(jìn)一步發(fā)展而獲得提高。
[0016](2)將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)結(jié)合并利用了它們各自的優(yōu)勢，為研究激光加工所需的微尺度瞬態(tài)三維熱變形提供了有效、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段，
【附圖說明】
[0017]附圖是本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖；
[00?8]圖中標(biāo)記:1-激光器，2-第一全反鏡，3-第一分光鏡，4-第二分光鏡，5-第三分光鏡，6-第四分光鏡，7-第四全反鏡，8-第五分光鏡，9-放大系統(tǒng)，10-CXD攝像機(jī)，11-第二全反鏡，12-第一擴(kuò)束鏡，13-被測物，14-第二擴(kuò)束鏡，15-第三全反鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本領(lǐng)域技術(shù)人員了解，電子散斑干涉術(shù)(ESPI)和數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)(這里將ESPI和DSCM統(tǒng)稱為散斑干涉術(shù))都是非接觸式全場測試技術(shù)，數(shù)字散斑相關(guān)法(DSCM)在面內(nèi)位移測量方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，它與其它干涉計(jì)量法相比具有光路簡單、要求測量環(huán)境低、可以是人工散斑或者某些自然紋理等優(yōu)點(diǎn)，在測量范圍上也可自由變化，大至宏觀尺度小至納米變形測量，對于大變形或微變形的測量尤為有利，并且應(yīng)用DSCM測量面內(nèi)位移，比用ESPI測量面內(nèi)位移少一種光路布置。但DISC對離面位移的測量較為困難，電子散斑干涉(ESPI)可實(shí)現(xiàn)離面位移的測量。盡管這兩種技術(shù)有著本質(zhì)的不同，但他們都是利用變形前后的散斑圖來獲得被測物理量。所以，本發(fā)明技術(shù)利用一組分光鏡將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)地結(jié)合起來，使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢，建立器一個(gè)雙光路布置的三維散斑干涉系統(tǒng)，再藉助高速攝影系統(tǒng)和長距離顯微鏡建立一套用于激光加工中瞬態(tài)面內(nèi)位移和離面位移的測量系統(tǒng)。
[0020]為了使本發(fā)明更容易被清楚理解，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作以詳細(xì)說明。
[0021]參照附圖，本發(fā)明基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器1、第一全反鏡2，第一分光鏡3，第二分光鏡4，第三分光鏡5，第四分光鏡6，第四全反鏡7，第五分光鏡8，放大系統(tǒng)9，CXD攝像機(jī)1，第二全反鏡11，第一擴(kuò)束鏡12，被測物13，第二擴(kuò)束鏡14，第三全反鏡15。
[0022]附圖示出的本發(fā)明系統(tǒng)用于測量微尺度瞬態(tài)三維位移場，其中與被測物13斜入射的兩條光線構(gòu)成的光路，用于面內(nèi)位移測量;其中一條斜入射光線和一條垂直入射光線構(gòu)成的光路，用于離面位移測量。具體測量方法如下:
[0023]從所述激光器I發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡3，從第一分光鏡3分出的光路一部分到第一全反鏡2，另一部分到第二分光鏡4;
[0024]從第二分光鏡4分出的光路一部分到第二全反鏡n，另一部分到第三分光鏡5;從第三分光鏡5分出的光路到第四分光鏡6;從第四分光鏡6分出的光路一部分經(jīng)第二分光鏡4到第二全反鏡11，另一部分到第三全反鏡15;第二全反鏡11的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12到被測物13;第三全反鏡15的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡14到被測物13，經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12和第二擴(kuò)束鏡14的光作用在被測物13后返回到第五分光鏡8并通過第五分光鏡8到放大系統(tǒng)9，最終由CXD攝像機(jī)10記錄下來，完成面內(nèi)位移的測量；
[0025]從第一全反鏡2反出的光到第四全反鏡7，再由第四全反鏡7反射到第五分光鏡8，從第五分光鏡8分出的一路光到被測物13，與經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12和第二擴(kuò)束鏡14的光作用返回第五分光鏡8并通過第五分光鏡8到放大系統(tǒng)9，最終由CCD攝像機(jī)10記錄下來，完成離面位移的測量。
[0026]以上兩種光路所需要的激光能量可以由能量衰減器控制，在離面位移測量光路中，若加入相移器，還可以實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測量。
[0027]由于激光加工的時(shí)間很短且被測區(qū)域較小，故其中的CCD攝像機(jī)10最好采用高速攝像機(jī)和長距離顯微鏡，利用高速顯微數(shù)字散斑相關(guān)法測量激光加工中不同時(shí)刻的面內(nèi)位移，并利用高速顯微電子散斑干涉法測量激光加工中不同時(shí)刻的離面位移。
[0028]以上參照附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了示意性描述，該描述沒有限制性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理解，在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明中各個(gè)技術(shù)特征的設(shè)置方式均可能發(fā)生某些變化，而其他人員在其啟示下也可能做出相似設(shè)計(jì)。特別需要指出的是:只要不脫離本發(fā)明的設(shè)計(jì)宗旨，所有顯而易見的細(xì)節(jié)變化或相似設(shè)計(jì)，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)，其特征在于: 所述激光器發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡后，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡； 從第二分光鏡分出的光路，一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡;從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經(jīng)第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡到被測物;第三全反鏡的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡到被測物，經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測物后返回到第五分光鏡并通過第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來，完成面內(nèi)位移的測量； 從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測物，與經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測物后返回第五分光鏡并通過第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來，完成離面位移的測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:面內(nèi)位移測量光路和離面位移測量光路的激光能量由能量衰減器控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:在離面位移測量光路中加入相移器，實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:所述的CCD攝像機(jī)采用高速攝像機(jī)和長距離顯微鏡。
【文檔編號】G01B11/02GK106052565SQ201610411978
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】唐晨, 陳明明, 蘇永鋼, 李碧原
【申請人】天津大學(xué)