CN106052565A - 一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统 - Google Patents

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陈明明
苏永钢
李碧原
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Abstract

本发明公开了一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，该系统包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、第五分光镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一扩束镜、第二扩束镜、放大系统以及CCD摄像机。本发明的优点是：能够给出激光加工过程中的瞬态三维位移，并且其时间和空间的分辨能力会随着高速摄影系统和长距离显微镜的进一步发展而获得提高；将电子散斑干涉和数字散斑相关有机结合并利用了它们各自的优势，方便测量，为研究激光加工所需的微尺度瞬态三维热变形提供了有效、实用的实验手段。

Description

一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统
技术领域
本发明涉及一种光学测试技术，更具体地说，本发明涉及一种用于测量微尺度瞬态三维位移场的双光路高速显微散斑干涉系统。
背景技术
目前，光学测试技术已经成为当今科学研究的重要手段并渗透于各个研究领域，为工程技术领域提供所需的特殊测量技术和方法及实现光学测试技术信息的高精度快速提取，一直是测试领域和实验固体力学的重要课题和努力目标。
由于激光加工技术的快速发展，对非接触式微尺度瞬态三维热变形测量技术的需要随之与日俱增。激光加工技术拥有可精确控制微观过程、生产效率高、加工成本低等诸多优点，并因此广泛应用于微电子学、光子晶体器件、微机械加工以及微细医疗器件的制作和细胞生物工程等领域。然而，在激光加工过程中往往产生热变形，而过度的热变形常常是限制被加工器件速度、寿命及输出功率等性能的主要因素。所以，研究激光加工中微尺度瞬态三维热变形是控制被加工器件的质量、掌握被加工器件的热量产生与传输及提高器件设计能力的关键，也是相关研究者关注的热点课题，国内外在理论研究、实验研究和数值分析研究三方面都在为解决这一难题而努力。但是，相对于微尺度条件下的理论研究和数值模拟，微尺度实验技术在需要完整、清晰的基本原理和理论的同时，还需要借助基本的检测技术和检测平台，但目前这两方面的发展却非常有限，而且激光加工中瞬态热变形的测量环境较差(照射时间短，被测区域小，温度高)，因此，在现有的条件下，研究和发展具有时间和空间分辨功能的有效的微尺度瞬态三维热变形实验测试技术，是急需解决的并具有挑战性的问题，有着重要的科学意义和工程实际价值。
当前，电子散斑干涉和数字散斑相关法均已广泛地应用于位移场测量，最具代表性的是德国Dantec Dynamics company开发的三维电子散斑干涉仪(3D ESPI System Q-300)和三维数字散斑相关测试系统(Digital 3D Image Correlation System Q-400)，但他们的三维电子散斑干涉仪需用4光路，三维数字散斑相关测试系统需要两个CCD摄像系统。中国船舶重工集团公司第七一一研究所张熹等开发了3光路三维散斑干涉仪，该干涉仪利用一组分光镜将电子散斑干涉和数字散斑相关法有机结合，建立了双光路三维散斑干涉系统，但结构复杂。
发明内容
本发明的目的就是克服以上现有技术的缺点，并为此提供一种结构简单、具有较高精度和实用性的基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统。
本发明的技术方案是：
一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、第五分光镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一扩束镜、第二扩束镜、放大系统以及CCD摄像机。
本发明用于微尺度瞬态三维位移场的测量时，所述激光器发出的光路主线传递到第一分光镜后，分出一部分到第一全反镜，另一部分到第二分光镜；
从第二分光镜分出的光路一部分到第二全反镜，另一部分到第三分光镜；从第三分光镜的光路全部到第四分光镜；第四分光镜的光路一部分经第二分光镜到第二全反镜，另一部分到第三全反镜；第二全反镜的光经第一扩束镜到被测物；第三全反镜的光经第二扩束镜到被测物，经第一、第二扩束镜的光作用在被测物后返回到第五分光镜并通过第五分光镜到放大系统，最终由CCD摄像机记录下来，完成面内位移的测量；
从第一全反镜反出的光到第四全反镜，再由第四全反镜反射到第五分光镜，从第五分光镜分出的一路光到被测物，与经第一、第二扩束镜的光作用在被测物后返回第五分光镜并通过第五分光镜到放大系统，最终由CCD摄像机记录下来，完成离面位移的测量。
面内位移测量光路和离面位移测量光路的激光能量由能量衰减器控制；
在离面位移测量光路中若加入相移器可实现相移电子散斑干涉测量。
所述的CCD摄像机采用高速摄像机和长距离显微镜。
本发明的有益效果是：
(1)结构简单，测量方便，能够给出激光加工过程中的瞬态三维位移，并且其时间和空间的分辨能力会随着高速摄影系统和长距离显微镜的进一步发展而获得提高。
(2)将电子散斑干涉和数字散斑相关有机结合并利用了它们各自的优势，为研究激光加工所需的微尺度瞬态三维热变形提供了有效、实用的实验手段，
附图说明
附图是本发明系统的示意图；
图中标记：1-激光器，2-第一全反镜，3-第一分光镜，4-第二分光镜，5-第三分光镜，6-第四分光镜，7-第四全反镜，8-第五分光镜，9-放大系统，10-CCD摄像机，11-第二全反镜，12-第一扩束镜，13-被测物，14-第二扩束镜，15-第三全反镜。
具体实施方式
本领域技术人员了解，电子散斑干涉术(ESPI)和数字散斑相关方法(DSCM)(这里将ESPI和DSCM统称为散斑干涉术)都是非接触式全场测试技术，数字散斑相关法(DSCM)在面内位移测量方面有着独特的优势，它与其它干涉计量法相比具有光路简单、要求测量环境低、可以是人工散斑或者某些自然纹理等优点，在测量范围上也可自由变化，大至宏观尺度小至纳米变形测量，对于大变形或微变形的测量尤为有利，并且应用DSCM测量面内位移,比用ESPI测量面内位移少一种光路布置。但DISC对离面位移的测量较为困难，电子散斑干涉(ESPI)可实现离面 位移的测量。尽管这两种技术有着本质的不同，但他们都是利用变形前后的散斑图来获得被测物理量。所以，本发明技术利用一组分光镜将电子散斑干涉和数字散斑相关有机地结合起来，使其发挥各自的优势，建立器一个双光路布置的三维散斑干涉系统,再藉助高速摄影系统和长距离显微镜建立一套用于激光加工中瞬态面内位移和离面位移的测量系统。
为了使本发明更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
参照附图，本发明基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，包括激光器1、第一全反镜2，第一分光镜3，第二分光镜4，第三分光镜5，第四分光镜6，第四全反镜7，第五分光镜8，放大系统9，CCD摄像机10，第二全反镜11，第一扩束镜12，被测物13，第二扩束镜14，第三全反镜15。
附图示出的本发明系统用于测量微尺度瞬态三维位移场，其中与被测物13斜入射的两条光线构成的光路,用于面内位移测量；其中一条斜入射光线和一条垂直入射光线构成的光路,用于离面位移测量。具体测量方法如下：
从所述激光器1发出的光路主线传递到第一分光镜3，从第一分光镜3分出的光路一部分到第一全反镜2，另一部分到第二分光镜4；
从第二分光镜4分出的光路一部分到第二全反镜11，另一部分到第三分光镜5；从第三分光镜5分出的光路到第四分光镜6；从第四分光镜6分出的光路一部分经第二分光镜4到第二全反镜11，另一部分到第三全反镜15；第二全反镜11的光经第一扩束镜12到被测物13；第三全反镜15的光经第二扩束镜14到被测物13，经第一扩束镜12和第二扩束镜14的光作用在被测物13后返回到第五分光镜8并通过第五分光镜8到放大系统9，最终由CCD摄像机10记录下来，完成面内位移的测量；
从第一全反镜2反出的光到第四全反镜7，再由第四全反镜7反射到第五分光镜8，从第五分光镜8分出的一路光到被测物13，与经第一扩束镜12和第二扩束镜14的光作用返回第五分光镜8并通过第五分光镜8到放大系统9，最终由CCD摄像机10记录下来，完成离面位移的测量。
以上两种光路所需要的激光能量可以由能量衰减器控制，在离面位移测量光路中，若加入相移器，还可以实现相移电子散斑干涉测量。
由于激光加工的时间很短且被测区域较小，故其中的CCD摄像机10最好采用高速摄像机和长距离显微镜，利用高速显微数字散斑相关法测量激光加工中不同时刻的面内位移，并利用高速显微电子散斑干涉法测量激光加工中不同时刻的离面位移。
以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征的设置方式均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、第五分光镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一扩束镜、第二扩束镜、放大系统以及CCD摄像机，其特征在于：
所述激光器发出的光路主线传递到第一分光镜后，分出一部分到第一全反镜，另一部分到第二分光镜；
从第二分光镜分出的光路，一部分到第二全反镜，另一部分到第三分光镜；从第三分光镜的光路全部到第四分光镜；第四分光镜的光路一部分经第二分光镜到第二全反镜，另一部分到第三全反镜；第二全反镜的光经第一扩束镜到被测物；第三全反镜的光经第二扩束镜到被测物，经第一、第二扩束镜的光作用在被测物后返回到第五分光镜并通过第五分光镜到放大系统，最终由CCD摄像机记录下来，完成面内位移的测量；
从第一全反镜反出的光到第四全反镜，再由第四全反镜反射到第五分光镜，从第五分光镜分出的一路光到被测物，与经第一、第二扩束镜的光作用在被测物后返回第五分光镜并通过第五分光镜到放大系统，最终由CCD摄像机记录下来，完成离面位移的测量。
2.根据权利要求1所述的基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，其特征在于：面内位移测量光路和离面位移测量光路的激光能量由能量衰减器控制。
3.根据权利要求1所述的基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，其特征在于：在离面位移测量光路中加入相移器，实现相移电子散斑干涉测量。
4.根据权利要求1所述的基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，其特征在于：所述的CCD摄像机采用高速摄像机和长距离显微镜。
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