CN104713489A - 一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法。本发明在现有技术能够测量试件的形变在U、V形成的位移的基础上，引入分光棱镜以及带有PZT相移器的全反射镜，能够实现试件三维变形的测量，从而提高测量范围。在测量中全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂以及输出全反射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇以及输出全反射镜组成U场云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M₃组成W场云纹测量镜组，同时引入准直光校验器完成准直光的获取，完成试件三维变形的测量。

Description

一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法。

背景技术

表面微观变形(微米级)是材料研究的难点。主要表现在：一、材料种类繁多，没有通用的表面微观变形的检测仪器；二、材料实际受载荷千变万化，还有可能是多种载荷的耦合情况，测量环境复杂；三、微米级测量要求精度高，对环境及测量仪器的灵敏度等也要求高。综合以上原因，使得表面微观变形测量测不准确甚至导致测量失败。

目前，材料表面微米级测量的实验方法主要有：电测法和光测法。电测法是在试件表面粘贴应变片，是一种接触式测量法，测量准确程度受环境影响较大，且为逐点测量，只有贴有应变片的位置才能获得测量数据。光侧法种类繁多，有数字相关法、电子散斑法、投影栅法、云纹法等。电测法是一种接触式测量法，在测量过程中，受到很多因素的限制，如高温、有毒有害环境，需测试件内部等，此类情况均不能使用电测法测量。光测法克服了电测法的缺点，是一种非接触测量法，理论上，光能照射到的地方均可以测量，相当于在被测试件表面粘贴无数的应变片，所以是一种全场测量技术。

云纹法作为光测法的一种测量方式，现有的云纹干涉技术或仪器均为面内测量仪器，只能测量试件表面以及平行于试件表面方向的变形，见现有技术[1](参见陆鹏,陈巨兵,张熹等.残余应力沿深度分布分析仪:中国,103033297A.2013-04-10。)，现有技术[2](参见陈巨兵,余征跃,张熹等.面内三方向云纹干涉仪:中国,1740738.2006-03-01.)。而实际测量试件多为三维物体，且受载多为空间载荷，因此对于试件表面变形测量仅限于面内测量已经不能满足工程实际需求了。因此，需要一种即能测量面内变形，又能测量垂直于试件表面的变形的云纹干涉仪。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种三维云纹干涉仪及其测量方法，相对于目前光测法本发明能够实现测量试件三维变形，从而提高测量范围。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种三维云纹干涉仪，包括：光源、光路提升机构、扩束器、三维云纹仪本体、试件平台、相位及其控制系统、图像采集及处理系统.

三维云纹仪本体包括非球面镜、全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇、M₃、输出全反射镜、分光棱镜以及成像屏。

光源发出的激光经光路提升机构实现光路提升；提升后的光路到达扩束器实现扩束，形成锥形扩束光。

在扩束器后方放置三维云纹本体；其中扩束器的中心点与非球面镜的焦点重合，扩束光经过非球面镜形成准直光，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇布置在非球面镜后面，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇放置方向与水平成45°角，全反射镜M₁、M₂、M₁＇、M₂＇依次上下左右均匀布置第一圆周上，K₁、K₂、K₁＇、K₂＇全反射镜依次上下左右均匀布置在第二圆周上，第一圆周的圆周直径大于第二圆周的直径，第一圆周与第二圆周的圆心重合，且圆心过非球面镜的中心光轴，同时两个圆周所在的平面与非球面镜的中心光轴垂直；准直光到达全反射镜M₁、M₂被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉；准直光到达全反射镜M₁＇、M₂＇被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉。

分光棱镜和输出全反射镜位于全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇的后面，其中心位于非球面镜的中心光轴上，但非同时使用，输出全反射镜、分光棱镜的斜面与水平方向成45°角放置；分光棱镜和输出全反射镜正上方放置全反射镜M₃，水平放置；分光棱镜和输出全反射镜正下方放置成像屏，水平放置；全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂以及输出全反射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇以及输出全反射镜组成U场云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M₃组成W场云纹测量镜组。

分光棱镜和输出全反射镜后方放置试件平台，试件平台竖直放置，与非球面镜中心光轴垂直，将光栅转移在被测材料表面，形成光栅试件置于试件平台上，图像采集与处理系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。

所述相位及其控制系统由相移器驱动电源及3个PZT相移器构成，3个相移器分别设在全反射镜M₃、K₁、K₁＇上，3个PZT相移器用于对反射光进行相移。

所述一种三维云纹干涉仪，进一步包括：全反射镜固定框，带有刻度的转盘，蜗轮，蜗杆。

所述全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇角度可调节，针对每个需要角度调节的全反射镜，设置角度调节组件，包括：全反射镜固定框、带有刻度的转盘、蜗轮和蜗杆；蜗轮和蜗杆组成垂直转动元件，带有刻度的转盘固定在蜗轮上，全反射镜固定框固定在带有刻度的转盘上，需要调节的全反射镜固定全反射镜固定框上。

所述的三维云纹干涉仪，进一步包括准直光校验器，当对准直光进行准直校验时，将准直光校验器放置于输出全反射镜和试件平台之间；准直光校验器由平面楔镜附加升降及转动调节功能形成；平面楔镜前后表面平面度精度达到λ/10以上；玻璃的一面为标准平面，另一面相对于该标准平面有一微小的斜度，斜度约为2”，形成玻璃楔。

所述三维云纹反射仪的材料表面测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：准直光校验。

准直光校验器和扩束光成45°方向布置，观察成像屏上干涉条纹，当干涉条纹水平时，认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取，当干涉条纹非水平时，左右移动扩束器，使得干涉条纹水平，此时认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取；检验好准直光后，将准直校验器移出光场。

步骤2：将光栅试件放置在试件平台上。

步骤3：测量光栅试件的形变在U、V、W场形成的位移。

(1)测量UV面内位移

UV面内位移测量可分为U场和V场分别测量，测量原理相同。

遮蔽全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂和试件平台中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行V场位移测量；准直光到达全反射镜M₁、M₂被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成对称的两束光，光束1和光束2，光束1和光束2在光栅试件表面干涉，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行U场位移测量；准直光到达全反射镜M₁＇、M₂＇被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射到光栅试件表面，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。

(2)测量W离面位移

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇，并放置分光棱镜于M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行W场位移测量；准直光到达分光棱镜，一半准直光透过分光棱镜，一半准直光被反射；透过分光棱镜的一半准直光到达试件平台上光栅试件的表面，被反射到分光棱镜的后表面，继续反射最终在成像屏上成像；一半被分光棱镜前表面反射的准直光向上反射到全反射镜M₃的表面，再次被反射回分光棱镜，光线透过分光棱镜最终成像到三维云纹仪本体的成像屏上，上述到达成像屏上的两束光线干涉形成干涉云纹，图像采集与处理系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。

有益效果：

可以看出，本发明提供的一种三维云纹干涉仪及其测量方法:

(1)本发明在现有技术能够测量试件的形变在U、V形成的位移的基础上，引入分光棱镜以及带有PZT相移器的全反射镜，对试件形变在W场形成的位移进行测量，实现试件三维变形的测量，从而提高测量范围。

(2)本发明采用光路提升机构，实现光路提升，可将光路提升150mm～400mm高度。

(3)本发明采用采用过半球扩束器，可将经过提升的光路进行扩束，使得极小的光带点扩散成发散的锥形光面。

(4)本发明采用针孔空间滤波器，可将扩束后的激光通过针孔空间滤波器使得扩束后的光场更加均匀和干净。

(5)本发明针对每个需要调节角度的全反射镜设置角度调节装置，使得针对不同的光栅试件根据其衍射角调节全反射镜与水平方向夹角的角度即可，方便实用。

(6)本发明采用准直校验器检查准直光的质量，通过调节扩束器获得高质量的准直光，提高成像效果和测量精度。

附图说明

图1为三维云纹干涉仪系统组成原理图。

图2为U场V场全反射镜示意图。

图3为全反射镜角度调节原理，(a)为主视图，(b)为俯视图。

图4为入射角与全反射镜角度关系图。

图5为准直光校验器组成图。

图6为利用准直光校验镜检查准直光图。

图7为三维云纹测量光路分解图。

图8为对称光入射在试件表面形成的干涉条纹图。

其中，1-光源，2-光路提升机构，3-扩束及滤波系统，4-三维云纹仪本体，5-试件平台，6-相移及其控制系统，7-准直光校验器，8-图像采集及处理系统，9-全反射镜固定框，10-带有刻度的转盘，11-蜗轮，12蜗杆。

具体实施方式

本发明提供了一种三维云纹干涉仪的材料表面测量方法，其核心思想是：在现有技术能够测量试件的形变在U、V形成的位移的基础上，引入分光棱镜以及带有PZT相移器的全反射镜，对试件形变在W场形成的位移进行测量，实现试件三维变形的测量，从而提高测量范围。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种三维云纹干涉仪，它包括：光源1、光路提升机构2、扩束及滤波系统3、三维云纹仪本体4、试件平台5、相移及其控制系统6、准直光校验器7、图像采集及处理系统8。

光源1采用小型高功率固体泵浦绿激光器。

光路提升机构2由万用型光束提升架和全反射镜M₄和M₅组成，全反射M₄和M₅镜固定在万用型光束提升架的下端和上端，放置角度与水平方向成45度，光源1发出的激光经过全反射镜M₄反射至全反射镜M₅，实现光路提升，光路可提升150mm～400mm高度。光路提升机构2的使用，使得对光源1放置位置的要求降低，避免了光源1位置放置过高带来的不便。

扩束及滤波系统3包括扩束器和滤波器；扩束器采用过半球扩束器，其作用是将经过提升的光路进行扩束，使得极小的光带点扩散成发散的锥形光面，又叫扩束光；扩束器的中心点与三维云纹仪本体4的非球面镜的焦点重合。滤波器采用针孔空间滤波器，放置在扩束器后面，需要根据不同视场选择不同尺寸的针孔(15μm～50μm)，其作用是将扩束后的激光通过针孔空间滤波器使得扩束后的光场更加均匀和干净。

三维云纹仪本体4由非球面镜、全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇、M₃、输出全反射镜、分光棱镜以及成像屏组成。

非球面镜采用厚度薄、重量轻的非球面镜，根据不同试件还可调配不同视场直径(Φ150mm～400mm)，并且充分利用光能，将前后表面进行镀增透膜处理。

扩束光经过非球面镜形成准直光，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇布置在非球面镜后面，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇放置方向与水平成45°角，全反射镜K₁、K₁＇、K₂、K₂＇角度可调节，全反射镜M₁、M₂、M₁＇、M₂＇依次上下左右均匀布置第一圆周上，全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇依次上下左右均匀布置在第二圆周上，第一圆周的圆周直径大于第二圆周的直径，第一圆周与第二圆周的圆心重合，且圆心过非球面镜的中心光轴，同时两个圆周所在的平面与非球面镜的中心光轴垂直，如图2所示。准直光到达全反射镜M₁、M₂被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉；准直光到达全反射镜M₁＇、M₂＇被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉。

如上所述，4个全反射镜K₁、K₁＇、K₂、K₂＇与水平方向的夹角根据光栅试件衍射角γ来确定，光栅试件不同，全反射镜K₁、K₁＇、K₂、K₂＇与水平方向的夹角不同。可将全反射镜根据光栅试件衍射角确定其与水平方向的夹角并固定，更换光栅试件后再次固定角度。本发明为了实现根据不同光栅试件调节全反射镜与水平方向角度，设计全反射镜角度调节组件，使得全反射镜K₁、K₁＇、K₂、K₂＇其与水平方向的夹角可调节。调节原理为：

若F为试件栅频，入射角为θ(θ＝γ)，虚栅的频率为试件栅频F的二倍，f＝2F。若试件栅频率不同，从500线/mm～1200线/mm，相应的入射角度θ从18°27＇～49°26＇，对应的全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇的角度也不同，需要根据试件栅频进行调节。如图3所示，针对每个需要角度调节的全反射镜，设置角度调节组件，包括：全反射镜固定框9、带有刻度的转盘10、蜗轮11和蜗杆12；蜗轮11和蜗杆12组成垂直转动元件，带有刻度的转盘10固定在蜗轮11上，全反射镜固定框9固定在带有刻度的转盘10上，需要调节的全反射镜固定全反射镜固定框9上；蜗杆旋转一定的角度，带动蜗轮11旋转相应的角度，从而全反射镜也随着转动，此时，在带有刻度的转盘10上可以读出转动的角度，从而调节全反射镜与水平方向的夹角。

如图4所示，设全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇与水平方向的夹角σ，光栅衍射角为γ，衍射光线与水平线的夹角为β，衍射光线到全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇的半角为α。

这样，可以证明α＝σ，从而获得σ＝(90°-γ)/2。根据上述公式，将反射镜及其调节框架放置在360度旋转调节的旋转架上，即可实现全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇的角度调节。

分光棱镜和输出全反射镜位于全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇的后面，其中心位于非球面镜的中心光轴上，但非同时使用，输出全反射镜、分光棱镜的斜面与水平方向成45°角放置；分光棱镜和输出全反射镜正上方放置全反射镜M₃，水平放置；分光棱镜和输出全反射镜正下方放置成像屏，水平放置。输出全反射镜用于U场和V场测量用，分光棱镜用于W场测量用，分光棱镜斜面处前后表面均镀上了半反半透膜，使得一半光线透过，一半光线反射，分光镜斜面处上表面叫前表面，下表面叫后表面。

全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂以及输出全反射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇以及输出全反射镜组成U场云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M₃组成W场云纹测量镜组；

以上所述全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇、M₃、M₄和M₅作为光路折返元件，采用表面平整度为λ/8的高能全反射镜，表面为电子枪硬模，具有优异的强度和耐腐蚀性，可触摸及清洗，其中λ为光源1的波长。

试件平台5于分光棱镜和输出全反射镜后方放置，与非球面镜中心光轴垂直，将光栅转移在被测材料表面，形成光栅试件，置于试件平台5上，光栅试件为500线/mm～1200线/mm光栅试件。

相位及其控制系统6由相移器驱动电源及3个PZT相移器构成，相移器驱动电源采用精密四通道相移驱动器(灵敏度0.05V/step)配合PZT相移器实现精密相移；3个PZT相移器分别放置在全反射镜M₃、K₂、K₂＇上，用于对反射光进行相移。

准直光的质量影响成像屏上干涉条纹的效果，当扩束器与非球面镜的焦点重合时，可以获得高质量的准直光，但是不容易做到扩束器与非球面镜的焦点重合。为了让扩束器与非球面镜的焦点重合，获得高质量准直光，引入准直光校验器7，用于对准直光进行校验。

当对准直光进行准直校验时，将准直光校验器7放置于输出全反射镜和试件平台5之间；准直光校验器7的由平面楔镜附加升降及转动调节功能形成，其核心是平面楔镜；平面楔镜前后表面平面度具有非常高的精度，一般要达到λ/10以上；玻璃的一面为标准平面，而另一面相对于该标准平面有一微小的斜度，该斜度约为2”(约5.55e^-4度)，形成玻璃楔，如图5所示。

准直光校验器7和扩束光成45°方向布置，其前后表面的反射光相干涉。结果可以在三维云纹仪本体4的成像屏上看到清晰的干涉条纹。如图6所示，当扩束镜的焦点和非球面镜的焦点完全重合时，会出现水平的干涉条纹，如图6中A所示；当扩束镜的焦点和非球面准直镜的焦点不重合时会出现图5中B或C所示的干涉条纹；B显示的是扩束光经非球面镜后形成收敛光，这时扩束镜的焦点位于非球面准直镜焦点以左，需将扩束镜向右移动，调节到产生如A所显示的水平干涉条纹为止，也就达到了准直的效果；C显示的是扩束光经非球面镜后形成发散光，这时扩束镜的焦点于非球面焦点以右，需将扩束镜向左移动，调节到产生如A所显示的水平干涉条纹为止，也就达到了准直的效果。这种调节方法直观而灵敏，操作非常方便。按照上述操作，移动扩束镜，得到水平干涉条纹，利用准直光校验器7检查所获得准直光的质量，只有达到条纹稀疏、清晰、水平等指标才能获得高质量的准直光。检验好准直光后，将准直校验器7移出光场。

图像采集及处理系统8由计算机、图像采集卡、CCD及成像镜头构成，CCD及成像镜头从成像屏上获取干涉云纹进行图像采集，并传送计算机进行处理。

本发明提供的一种三维云纹反射仪的材料表面测量方法，其工作原理如下：

UV面内测量和W离面测量形成三维云纹测量光路。将三维云纹测量光路分解成面内测量UV场和离面测量W场，如图7所示。测量U、V、W场均需要采用多功能加载架，实现拉压弯基本载荷。测量V场时将全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇、M₃遮蔽，并放置输出全反射镜，测量U场时全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₃遮蔽，并放置全反射镜，测量W场时将全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇遮蔽，并放置分光棱镜。

将固体泵浦绿激光器1发出绿激光经过光路提升机构2提升，提升后的激光束通过扩束器及滤波器3，镜扩束和过滤后的光路透过非球面镜变成准直光。

一种三维云纹反射仪的材料表面测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：准直光校验；

利用准直光校验器7对准直光进行校验，观察成像屏上干涉条纹，当干涉条纹水平时，认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取，当干涉条纹非水平时，左右移动扩束器，使得干涉条纹水平，此时认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取；检验好准直光后，将准直校验器7移出光场；

步骤2：将光栅试件放置在试件平台5上，采用多功能加载架，实现拉压弯基本载荷时跟随试件变形。

步骤3：测量光栅试件的形变在U、V、W场形成的位移；

(1)UV面内位移测量

遮蔽全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂和试件平台5中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行V场位移测量；准直光到达三维云纹仪本体4的全反射镜M₁、M₂被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到K全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成对称的两束光，光束1和光束2，光束1和光束2在试件表面上交叠产生干涉条纹，这个干涉条纹相当于虚栅，如图8所示。虚栅与试件栅交错形成云纹，该云纹的像反射方向与试件表面的法线方向一致，反射像通过输出全反射镜最终成像到三维云纹仪本体4的成像屏上，CCD及成像镜头获取干涉云纹进行图像采集，并传送计算机进行处理，获得U场位移。

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台5中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行U场位移测量；准直光到达三维云纹仪本体4的全反射镜M₁＇、M₂＇被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上，CCD及成像镜头从成像屏上获取干涉云纹进行图像采集，并传送计算机进行处理。

(2)W离面位移测量

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇，并放置分光棱镜于M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台5中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行W场位移测量；准直光到达三维云纹仪本体4的分光棱镜，一半准直光透过分光棱镜，一半准直光被反射；透过分光棱镜的一半准直光到达试件平台5上光栅试件的表面，被反射到分光棱镜的后表面，继续反射最终在三维云纹仪本体4的成像屏上成像。一半被分光棱镜前表面反射的准直光向上反射到带有PZT的全反射镜M₃的表面，再次被反射回分光棱镜，光线透过分光棱镜最终成像到三维云纹仪本体4的成像屏上，上述到达像屏上的两束光线干涉形成干涉条纹，CCD及成像镜头从成像屏上获取干涉云纹进行图像采集，并传送计算机进行处理。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维云纹干涉仪，包括：光源(1)、光路提升机构(2)、扩束器、三维云纹仪本体(4)、试件平台(5)、相位及其控制系统(6)、图像采集及处理系统(8)；

其特征在于，三维云纹仪本体(4)包括非球面镜、全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇、M₃、输出全反射镜、分光棱镜以及成像屏；

光源(1)发出的激光经光路提升机构(2)实现光路提升；提升后的光路到达扩束器实现扩束，形成锥形扩束光；

在扩束器后方放置三维云纹本体(4)；其中扩束器的中心点与非球面镜的焦点重合，扩束光经过非球面镜形成准直光，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇布置在非球面镜后面，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇放置方向与水平成45°角，全反射镜M₁、M₂、M₁＇、M₂＇依次上下左右均匀布置第一圆周上，K₁、K₂、K₁＇、K₂＇全反射镜依次上下左右均匀布置在第二圆周上，第一圆周的圆周直径大于第二圆周的直径，第一圆周与第二圆周的圆心重合，且圆心过非球面镜的中心光轴，同时两个圆周所在的平面与非球面镜的中心光轴垂直；准直光到达全反射镜M₁、M₂被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉；准直光到达全反射镜M₁＇、M₂＇被反射后形成两束光，并再次到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉；

分光棱镜和输出全反射镜位于全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇的后面，其中心位于非球面镜的中心光轴上，但非同时使用，输出全反射镜、分光棱镜的斜面与水平方向成45°角放置；分光棱镜和输出全反射镜正上方放置全反射镜M₃，水平放置；分光棱镜和输出全反射镜正下方放置成像屏，水平放置；全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂以及输出全反射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇以及输出全反射镜组成U场云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M₃组成W场云纹测量镜组；

分光棱镜和输出全反射镜后方放置试件平台(5)，试件平台(5)竖直放置，与非球面镜中心光轴垂直，将光栅转移在被测材料表面，形成光栅试件置于试件平台(5)上，图像采集与处理系统(8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理；

所述相位及其控制系统(6)由相移器驱动电源及3个PZT相移器构成，3个相移器分别设在全反射镜M₃、K₁、K₁＇上，用于对反射光进行相移。

2.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述光路提升机构(2)由万用型光束提升架、全反射镜M₄和全反射镜M₅组成，全反射镜M₄和全反射镜M₅分别固定在万用型光束提升架上的下端和上端，放置角度与水平方向成45度，光路经过全反射镜M₄反射至全反射镜M₅，由M₅反射至扩束器，实现光路提升。

3.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述扩束器采用过半球扩束器。

4.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述扩束器与非球面镜之间进一步包括滤波器，滤波器采用针孔空间滤波器。

5.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，全反射镜M₁、M₁＇、M₂、M₂＇、K₁、K₁＇、K₂、K₂＇、M₃、M₄和M₅采用表面平整度为λ/8的高能全反射镜，λ为光源(1)的波长。

6.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇角度可调节，根据当前使用光栅试件的衍射角γ，调节全反射镜K₁、K₂、K₁＇、K₂＇与水平方向的夹角σ：

σ＝(90°-γ)/2  (1)

7.如权利要求1或6所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，针对每个需要角度调节的全反射镜，设置角度调节组件，包括：全反射镜固定框(9)、带有刻度的转盘(10)、蜗轮(11)和蜗杆(12)；蜗轮(11)和蜗杆(12)组成垂直转动元件，带有刻度的转盘(10)固定在蜗轮(11)上，全反射镜固定框(9)固定在带有刻度的转盘(10)上，需要调节的全反射镜固定全反射镜固定框(9)上。

8.如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，进一步包括准直光校验器(7)，当对准直光进行准直校验时，将准直光校验器(7)放置于输出全反射镜和试件平台(5)之间；准直光校验器(7)由平面楔镜附加升降及转动调节功能形成；平面楔镜前后表面平面度精度达到λ/10以上；玻璃的一面为标准平面，另一面相对于该标准平面有一微小的斜度，斜度约为2”，形成玻璃楔。

9.一种利用如权利要求8所述的三维云纹反射仪的材料表面测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：准直光校验；

准直光校验器(7)和扩束光成45°方向布置，观察成像屏上干涉条纹，当干涉条纹水平时，认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取，当干涉条纹非水平时，左右移动扩束器，使得干涉条纹水平，此时认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取；检验好准直光后，将准直校验器(7)移出光场；

步骤2：将光栅试件放置在试件平台(5)上；

步骤3：测量光栅试件的形变在U、V、W场形成的位移；

(1)测量UV面内位移

UV面内位移测量可分为U场和V场分别测量，测量原理相同；

遮蔽全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂和试件平台(5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行V场位移测量；准直光到达全反射镜M₁、M₂被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K₁、K₂上进行二次反射，形成对称的两束光，光束1和光束2，光束1和光束2在光栅试件表面干涉，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统(8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理；

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₃，并放置输出全反射镜于全反射镜M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台(5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行U场位移测量；准直光到达全反射镜M₁＇、M₂＇被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K₁＇、K₂＇上进行二次反射到光栅试件表面，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统(8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理；

(2)测量W离面位移

遮蔽全反射镜M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇，并放置分光棱镜于M₁、M₂、K₁、K₂、M₁＇、M₂＇、K₁＇、K₂＇和试件平台(5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行W场位移测量；准直光到达分光棱镜，一半准直光透过分光棱镜，一半准直光被反射；透过分光棱镜的一半准直光到达试件平台(5)上光栅试件的表面，被反射到分光棱镜的后表面，继续反射最终在成像屏上成像；一半被分光棱镜前表面反射的准直光向上反射到全反射镜M₃的表面，再次被反射回分光棱镜，光线透过分光棱镜最终成像到三维云纹仪本体(4)的成像屏上，上述到达成像屏上的两束光线干涉形成干涉云纹，图像采集与处理系统(8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。