CN101608904B - 多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统 - Google Patents
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Abstract
多功能三维位移和形貌的激光干涉测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形、位移测试、形貌测量等技术领域。本发明由激光器，图像采集摄像系统，分光耦合器，分光光开关，直流电源控制器，三维激光干涉光路系统，放置试件的加载装置台，支架调节体系和计算机等组成。该测量系统可实现u、v、w三个位移场的高精度测量，位移测量灵敏度可达波长量级，并具有数字全息和电子散斑干涉两种位移测量模式，以及数字全息测量表面形貌的模式。采用支架调节体系实现多个方向自由度的调节，方便的系统成像和测量的调节，具有使用方便，结构紧凑、测量精度高等特点。系统配有相移装置，经过相移技术处理后的位移测量精度可达纳米量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种构件变形和位移测试的三维位移和形貌激光干涉测量系统，属于光测力学、形貌测量、工程材料、构件变形和位移测试技术等领域。
背景技术
数字全息(DH)测量方法相对于其它光学干涉的测量方法有很多的优点，能够进行物体相位分析，及相位物质的显微结构分析；能利用其优良的相位分析可对相位物质进行动态分析等，具有测量装置简单、非入侵及动态测量的特点。经常用于微机电系统(MEMS)器件、空间微观粒子成像和跟踪、生物样本的变形或空间位置测量。数字全息测量方法其分辨率主要由系统结构来决定。
电子散斑干涉技术(ESPI)利用激光散斑效应，用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前之间的相位变化。三维相移电子散斑干涉技术是电子散斑干涉技术给合相移技术向三维、高精度和自动化方向的发展，具有灵敏度高、可同时获得全场三维位移、非接触等优点。
目前现有的技术中应用的位移及形貌测量的激光干涉测量系统多属于在实验台上临时搭建的组装结构，无法适用于更加复杂的现场及要求。针对这种情况，国内外已推出一些便携式商用激光干涉测量系统包括显微数字全息装置及电子散斑干涉仪。比较著名的数字全息装置国外有瑞士的Lynceetec公司推出了DHM-1000数字显微全息，国内有上海大学的“数字全息显微测量装置”(专利号：200610117319.8)，中国科学院上海光学精密机械研究所的大视场数字全息成像装置(专利号：200240082611.7)；比较著名的电子散斑干涉仪器国内有包括中国科技大学研制的电子散斑干涉仪和西安交通大学研制的多功能数字散斑干涉仪，中国船舶重工集团公司第七一一研究所的一种三维电子散斑干涉仪(专利号：200610024276.0)等。这几种干涉仪均配有摄像机和图像卡，采集到图像由计算机进行数据处理。但是，国内的数字显微全息仪器其应用的场合不多，实现透明显微物体轮廓测量检测，透明显微物体的形态变化，电子散斑干涉仪一般只是对平面或离面位移等的测量。由于数字全息方法和电子散斑方法的局限性，它们各自测量时均只能测量物体的形貌或形变，该系统在已有的三维电子散斑系统的基础上进行了较大的改进以适应数字全息的测量环境，能够实时地测量物体的形貌和形变。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，即可实现物体表面三维位移场(面内位移u，v和离面位移w)的实时测量，又可实现三维形貌测量的目的，同时具有灵敏度高，结构紧凑的优点。
本发明的技术方案如下：
一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，含有激光器1，图像采集拍摄系统3，六维支架调节系统5，分光开关6，放置试件的加载装置台7以及计算机8，其特征在于：该所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统还包括三维干涉光路系统4和分光耦合器2，所述的三维干涉光路系统包括场镜18、准直镜20、分光棱镜21和成像透镜22；所述的分光耦合器将激光发出的光分为参考光和物光，参考光通过准直镜20，再经过分光棱镜21入射到场镜18上，通过成像透镜22到达图像采集摄像系统3；所述的分光开关6将物光分为第一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16，所述的计算机8通过控制线与分光开关相连接，来控制通道的开关，且每次只开通一个通道；四个通道分别与固定在套筒12上的平移台17上的四个扩束器11相连，且四个扩束器呈90度均匀分布；物光通过第一通道13到达扩束器11，通过扩束器照射到试件表面，反射光通过套筒12到达分光棱镜21，再经过场镜18和成像透镜22到达图像采集摄像系统3；所述的图像采集摄像系统通过数据线与计算机8相连，所述的六维调节系统与套筒12相连。
本发明的技术特征还在于：所述的三维干涉光路系统4中还含有压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器通过直流稳压电源9与计算机相连。
本发明的又一技术特征在于：所述的三维干涉光路系统3中的成像透镜22、场镜18、压电陶瓷驱动器19、准直镜20和分光棱镜21被封装在一个暗箱内。
本发明所述激光器，图像采集拍摄系统，六维支架调节系统，直流稳压电源，放置试件的加载装置台，全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统固定在套筒中，通过六维支架调节系统固定在工作台上。本发明所述的六维支架调节系统5由升降平移台24、精密平移台26、面内旋转台23、俯仰台23和垂直面内旋转台29五部分组成；所述的垂直面内旋转台29固定在俯仰台28上，精密平移台26通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台29上，升降平移台24借助于燕尾槽导轨和精密平移台26相连，面内旋转台23通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台24相连。
本发明装置与现有技术相比，具有以下特点：一、能够同时进行三维的电子散斑干涉方法和数字全息方法的测量；二、通过计算机程序控制PZT的精确位移，从而达到精确的相移调节；三、通过计算机程序控制光开关方便快捷的转换四个方向的光路；四、方便的成像调节体系能够满足多种不同方位的需求，特别是对于大小尺寸不同的物体，能够方便地调节物距使成像清晰；五、可通过双(多)波长干涉技术，利用数字全息干涉方法来测量物体的形貌；六、整个测量系统具有动态性好、非接触，而且测量装置简单紧凑，自动化程度较高等优点。
附图说明
图1为本发明提供的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统的原理结构示意图。
图2为三维干涉光路系统的结构示意图。
图3为六维支架调节系统的结构示意图。
图4a和4b分别为平移台的主视图和俯视图。
图中：1-激光器；2-分光耦合器；3-图像采集拍摄系统；4-三维干涉光路系统；5-六维支架调节系统；6-分光开关；7-放置试件的加载装置台；8-计算机；9-直流稳压电源；10-试件；11-四个扩束器；12-套筒；13-第一通道；14-第二通道；15-第三通道；16-第四通道；17-平移台；18-场镜；19-压电陶瓷驱动器；20-准直镜；21-分光棱镜；22-成像透镜；23-面内旋转台；24-升降平移台；25-燕尾槽导轨；26-精密平移台；27-旋转螺杆；28-俯仰台；29-垂直面内旋转台；30-调节旋钮；31-测微丝杆；32-45°板；33-联接圆环板。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的原理、工作过程和具体实施方式：
图1为本发明提供的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统的原理结构示意图。该装置含有激光器1、分光耦合器2、图像采集拍摄系统3，三维干涉光路系统4、六维支架调节系统5，分光开关6、放置试件的加载装置台7和计算机8，所述的三维干涉光路系统包括场镜18、准直镜20、分光棱镜21和成像透镜22；所述的分光耦合器将激光发出的光分为参考光和物光，参考光通过准直镜20，再经过分光棱镜21入射到场镜18上，通过成像透镜22到达图像采集摄像系统3，分光棱镜21与压电陶瓷驱动器19相连，压电陶瓷驱动器与直流稳压电源9相连并达到输出一致的效果。直流稳压电源9通过计算机8控制。通过分光棱镜21的平移，改变参考光的光程，在电子散斑干涉或是数字全息图像记录过程中起到了相移器的作用；所述的分光开关6将物光分为第一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16，所述的计算机8通过控制线与分光开关相连接，来控制通道的开关，且每次只开通一个通道；四个通道分别与固定在套筒12上的平移台17上的四个扩束器11相连，且四个扩束器呈90度均匀分布；物光通过第一通道13到达扩束器11，通过扩束器照射到试件表面，反射光通过套筒12到达分光棱镜21，再经过场镜18和成像透镜22到达图像采集摄像系统3；对于物光的光程，物光经由物光光纤导入分光开关6，分光开关6通过计算机8控制。由分光开关6导出四路光束，该四路光纤固定在四个同样的安装了扩束器的平移台17上，安装了扩束器的平移台17被固定在45°板32上，而45°板15被固定在联接圆环板33上成90°的均匀分布，联接圆环板33通过螺丝联接在接筒二12上，可以旋转使整个安装了扩束器的平移台17上下移动。激光经过安装了扩束器的平移台17照射到固定在加载装置或载物台7的试件10上，通过计算机8的控制可以方便地利用分光开关6控制第一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16四个通道上任一方向的激光照射。激光从试件10表面反射的光进入场镜18，透射过分光棱镜21，微调成像透镜22，在图像采集拍摄系统3成像。这样，参考光与物光干涉在图像采集拍摄系统3中形成图像，计算机8记录和存储图像，软件分析后得到结果。所述的图像采集摄像系统通过数据线与计算机8相连，所述的六维调节系统与套筒12相连。
所述激光器、图像采集拍摄系统、六维支架调节系统、直流稳压电源和放置试件的加载装置全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统固定在套筒中，套筒通过六维支架调节系统固定在工作台上。
图2为三维干涉光路系统的结构示意图，该三维干涉光路系统包括场镜18、准直镜20、分光棱镜21、成像透镜22和压电陶瓷驱动器19，压电陶瓷驱动器通过直流稳压电源9与计算机8相连。所述的三维干涉光路系统3中的成像透镜22、场镜18、压电陶瓷驱动器19、准直镜20和分光棱镜21被封装在一个暗箱内。
图3为六维支架调节系统的结构示意图，六维支架调节系统5由升降平移台24、精密平移台26、面内旋转台23、俯仰台28和垂直面内旋转台29五部分组成；所述的垂直面内旋转台29固定在俯仰台28上，精密平移台26通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台29上，升降平移台24借助于燕尾槽导轨25和精密平移台26相连，面内旋转台23通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台24相连。整个六维支架调节系统的结构由螺钉固定在套筒12上。俯仰台28通过调节螺钉和调节螺杆与工作台底板相连。旋转螺杆27可以改变俯仰台的俯仰角；垂直面内旋转台29由紧固螺钉连接在俯仰台28上，垂直面内旋转台的作用是精密调节试件的垂直面内转动，达到调零场和消除在施加载荷过程中产生的刚体转动。精密平移台26通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台29上，可以由测微丝杆30进行驱动，为平移台提供直线运动，运动的位移分辨率可达0.001mm。升降平移台24借助于燕尾槽导轨25与精密平移台26相连，平移台可以沿直线导轨前后滑动。面内旋转台23通过滑块机构和升降平移台24上的光滑凹槽导轨相连，由导轨上的齿轮齿条实现升降和前后、左右平移，具有移动行程长，速度快，移动平稳等特点，精度为0.1mm，可方便地调节套筒12的上下和前后、左右移动来达到对中目的，满足三维干涉光路系统位置调整的要求。旋转台23上的测微丝杆31可以提供360°的手动旋转，使套筒得到精确细微的角度调整，精度可达±10″。
图4a和4b分别为平移台的主视图和俯视图，平移台17由45°板32和联接圆环板33组成。联接圆环板33上均匀分布着16个圆孔，可以通过调节45°板32的位置从而实现四个扩束器呈90度均匀分布。
本发明的实施过程为：激光器1发出激光，经过分光耦合器2分成两束光，一束参考光，一束物光，参考光照射到分光棱镜21上，再经过反射后，完全照射到图像采集摄像系统3；分光棱镜21可通过压电陶瓷PZT来控制其移动和转动，压电陶瓷通过PZT驱动电源线和直流稳压电源输出线达到与直流稳压电源9的输出一致。直流稳压电源9通过计算机8控制。通过分光棱镜21的平移，改变参考光的光程，在电子散斑干涉或是数字全息图像记录过程中起到了相移器的作用。对于物光的光程，物光导入分光开关6中，分光开关6通过计算机8控制。由分光开关6导出四路光束，该四路光纤固定在四个同样的安装了扩束器11上，安装了扩束器11的平移台17被固定套筒12上，可以通过旋转使整个安装了扩束器的平移台17上下移动。激光经过安装了扩束器的平移台17照射到固定在加载装置或载物台7的试件10上，通过计算机8的控制可以方便地利用分光开关6控制第一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16四个通道上任一方向的激光照射。激光从试件10表面反射的光进入套筒12，透射过分光棱镜21在图像采集摄像系统3上成像。这样，参考光与物光干涉在图像采集拍摄系统3上形成图像，计算机8记录和存储图像，软件分析后得到结果。
采用本发明可以实现如下两种位移测量模式和一种形貌测量模式，其测量过程如下：
1)三维电子散斑干涉方法的测量过程
首先使试件10能够在图像采集摄像系统3上清晰成像，通过计算机8控制分光开关6快速自动地转化四个通道的激光，并通过图像采集拍摄系统3记录每一个光路下初始的电子散斑干涉图像；然后，试件10加载产生形变后，再将光路转到四个通道中的一个，如第一通道13，在图像采集摄像系统3上与参考光干涉成像，记录下该图像。在此过程中可以通过计算机8快速地控制直流稳压9电源的输出，改变PZT两端电压，达到相移的目的，并自动记录每步相移后的图像。在软件中可以选择三步法相移法，四步法相移法，或是N步相移法，相移过后，接着转换下一个通道的物光，直到四个通道都进行了相移等记录。记录完成后得到所有通道的相移电子散斑干涉图，通过与前后相同通道初始的电子散斑干涉图像相减，得到清晰的干涉条纹图。再利用条纹图图像相位分析处理等得到清晰的三维场的位移。对于数字全息测量位移也是同样的，但是由于全息的特点其计算量较大，而且最主要的优点是可以离焦，因此只要记录各个时刻的图像，位移的计算可以根据已有的算法进行位移计算。
2)数字全息形貌测量模式
数字全息测量时，选用的方法很多，光路有同轴全息或离轴全息，方法有傅立叶全息，菲涅尔全息，像面全息。通常情况下都采用像面全息。当使用离轴-像面全息时，其基本过程与电子散斑干涉的测量相同，不同的一点在于采用的算法不同。利用数字记录模拟还原原像时，可以得到物体表面的相位等。
无论是电子散斑干涉测量模式还是数字全息测量模式，其基本的光路都是相同的，不同的一点在于其还原的算法不同。但是无论是哪一种模式，其测量位移的精度都能达到波长量级。
数字全息测量物体表面形貌：
在数字全息测量物体表面形貌时，只要选用其中四个通道中任一方向上的激光。可以用双波长法来测量，也可选用两点移动法来测量。
对于双波长法，有两种模式可以选择：方法一：先用一个波长的激光在第一通道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摄得到一幅图像，然后切换波长，这里可以通过光纤的自由转换，方便地切换波长，得到第二幅图像，该方法的缺点是只能测量一种同一精度的形貌对于不同测量精度要求的形貌测量无能为力，优点是该方法设备费用较低，只需要两种不同波长的激光器；方法二：通过可调节激光波长的激光器上的调节旋钮方便地改变波长，波长改变的大小与要测量的表面高度等有关，该方法的优点是能够满足不同的形貌测量精度的要求，但是可调节波长的激光器较为昂贵。
为了方便起见，通常都是采用两点移动法。测量过程，首先拍摄得到一幅初始图像，然后，精确平移平移台17，该平移台能精确地在垂直于物光发散的方向上移动，以达到改变物光的照射点的位置，记录下在此方向移动的微小距离，这个距离与测量的精度有关，因此必须严格控制，拍摄得到移动后的图像。通过软件对两幅图像进行数字全息算法的处理，可以得到关于表面形貌的条纹图，然后经过解相位包络可以得到物体形貌的三维图像。
Claims (5)
1.一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，含有激光器(1)，图像采集拍摄系统(3)，六维支架调节系统(5)，分光开关(6)，放置试件的加载装置台(7)以及计算机(8)，其特征在于：该所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统还包括三维干涉光路系统(4)和分光耦合器(2)，所述的三维干涉光路系统包括场镜(18)、准直镜(20)、分光棱镜(21)和成像透镜(22)；所述的分光耦合器将激光器发出的光分为参考光和物光，参考光通过准直镜(20)，再经过分光棱镜(21)入射到场镜(18)上，通过成像透镜(22)到达图像采集摄像系统(3)；所述的分光开关(6)将物光分为第一通道(13)、第二通道(14)、第三通道(15)和第四通道(16)，所述的计算机(8)通过控制线与分光开关相连接，来控制四个通道的开关，且每次只开通一个通道；四个通道分别与固定在套筒(12)上的平移台(17)上的四个扩束器(11)相连，且四个扩束器呈90度均匀分布；物光通过第一通道(13)到达与该通道相连的一个扩束器，通过此扩束器照射到四个通道均与固定在套筒(12)上的平移台(17)上的四个扩束器(11)相连，试件(10)表面，反射光通过套筒(12)到达分光棱镜(21)，再经过场镜(18)和成像透镜(22)到达图像采集摄像系统(3)；所述的图像采集摄像系统通过数据线与计算机(8)相连，所述的六维支架调节系统与套筒(12)相连。
2.按照权利要求1所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，其特征在于：所述的三维干涉光路系统(4)中还含有压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器通过直流稳压电源(9)与计算机(8)相连。
3.按照权利要求2所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，其特征在于：所述的三维干涉光路系统(3)中的成像透镜(22)、场镜(18)、压电陶瓷驱动器(19)、准直镜(20)和分光棱镜(21)被封装在一个暗箱内。
4.按照权利要求2或3所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，其特征在于：所述激光器、图像采集拍摄系统、六维支架调节系统、直流稳压电源和放置试件的加载装置台全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统固定在套筒中，套筒通过六维支架调节系统固定在工作台上。
5.按照权利要求1所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，其特征在于：所述的六维支架调节系统(5)由升降平移台(24)、精密平移台(26)、面内旋转台(23)、俯仰台(28)和垂直面内旋转台(29)五部分组成；所述的垂直面内旋转台(29)固定在俯仰台(28)上，精密平移台(26)通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台(29)上，升降平移台(24)借助于燕尾槽导轨(25)和精密平移台(26)相连，面内旋转台(23)通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台(24)相连。
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