CN113008426A - 一种双频定量光弹性测量仪及测量方法 - Google Patents

一种双频定量光弹性测量仪及测量方法 Download PDF

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CN113008426A CN202110219019.5A CN202110219019A CN113008426A CN 113008426 A CN113008426 A CN 113008426A CN 202110219019 A CN202110219019 A CN 202110219019A CN 113008426 A CN113008426 A CN 113008426A
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Abstract

本发明公开了一种双频定量光弹性测量仪及测量方法，属于光弹性测量的技术领域。所述双频定量光弹性测量仪包括双波长面光源13，在所述双波长面光源13出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、检偏器8、成像透镜6和光电探测器9。本发明公开的双频定量光弹性测量仪结构简单，使用方便，测量速度快；在光源前设置机械移动装置，拖动光源进行移动，对于超出测量范围的大型待测样片，可采用分时域扫描，对大型样品分步测量，可以实现对大口径的样品进行测量，对样品尺寸没有限制，测量范围更广；本发明公开的双频定量光弹性测量方法能准确测得样品的应力大小和方向，具有测量精度高的优势。

Description

一种双频定量光弹性测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及一种双频定量光弹性测量仪及测量方法，属于光弹性测量的技术领域。
背景技术
光弹性测量是研究光学材料及光学器件内部双折射特性或应力分布的重要技术，具有快速、直观和精度高的优点。光弹性测量的原理是，光学材料或者光学元件的折射率分布会随着内部应力或者结构改变而发生变化，通过测量其折射率的分布，即可推算出材料内的应力大小及方向或者元件内部的结构。现有的光弹测量装置主要分为圆偏振应力测量仪和平行平面偏振应力测量仪两种。
如图1所示，圆偏振应力测量仪包括激光光源1、起偏器2、聚焦透镜10和准直透镜4组成的扩束系统，待测样品5，成像透镜6，可用机械旋转装置调节的四分之一波片7，检偏器8和光电探测器9。通过控制四分之一波片7与待测样品5之间的相对位置，使得通过起偏器2的线偏振光经过四分之一波片7后仍为线偏振光，起偏器2自身的偏振轴方向改变的角度与待测样品5的双折射相位差成正比，可以通过旋转检偏器8对该角度进行检测。具体操作过程如下，首先将起偏器2的透光轴和四分之一波片7的快轴调整到设定的x轴方向，放置待测样品5，使待测样品5的两个主应力方向分别与x轴、y轴成45°，控制待测样品5与检偏器8转动，寻找消光位置。将四分之一波片7的快轴与待测样品5分别调整至x轴方向(与起偏器2透光轴一致)后，控制检偏器8转动一周，再次寻找消光位置，并记录两次消光位置间转过的角度φ，根据读出的φ值可以得出待测样品5的双折射相位差σ＝2φ。这种测量方法在光路中加入可以旋转的四分之一波片7等光学元件，测量过程中包含多次元件的机械运动，客观上造成光路结构和测量过程都较为复杂，而且测量仪在口径较大时非常笨重，使用范围受到较大限制。
如图2所示，平行平面偏振应力测量仪包括单色点光源11、起偏器2、准直透镜4、待测样品5、成像透镜6、检偏器8和光电探测器9。应力条纹分布情况通常由主应力方向θ及双折射光程差σ决定。而通过平行平面偏振应力测量仪在等色线条纹上无法准确测得θ值，通过五步彩色相移法将单色光源改为白光照明，由于不同波长的光线折射率不同，因此不同波长的光线在通过待测样品5同一位置处时的双折射光程差σ也不相同，白光光谱中不同波长的等色线黑条纹中心在不同的点上，从而保证了白光照明下等色线上始终有可用的等倾线信息，解决了应力方向θ的测量问题。然而这种方法无法计算应力大小，如果需要计算应力大小则需对实验装置进行改动，造成了测量不便，并且由于实验系统较为复杂且对精度要求较高，测量往往只能在实验室中进行，限制了光弹性测量的应用范围。
发明内容
[技术问题]
本发明要解决的问题是：现有的光弹性测量装置结构复杂，待测量元件尺寸受限，应用范围受限。
[技术方案]
本发明提供了一种双频定量光弹性测量仪及测量方法，适用于光弹性测量技术领域，该测量仪结构简单，使用方便，测量速度快，测量精度高，拓宽了高精度光弹性测量的应用范围。
所述双频定量光弹性测量仪包括双波长面光源13，在所述双波长面光源13出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、检偏器8、成像透镜6和光电探测器9。
可选的，所述双波长面光源13由开关控制，先后发出波长为λ1和波长为λ2两种频率的光。
可选的，所述起偏器2和检偏器8能够绕自身的偏转轴旋转。
可选的，所述双波长面光源13用双波长点光源12代替，并在起偏器2与检偏器8之间设置第一四分之一波片3和第二四分之一波片7。
可选的，所述双波长面光源13用双波长点光源12代替，并在双波长点光源12与起偏器2之间增设准直透镜4。
可选的，所述双波长面光源13用双波长线光源14代替，并在双波长线光源14前设置机械移动装置15。
本发明还提供了一种光弹性测量方法，所述双频定量光弹性测量方法应用双频定量光弹性测量仪进行测量，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：打开光源，将光源置于波长λ1发光模式，调节起偏器2偏振轴角度为0°，检偏器8偏振轴角度为90°，即起偏器2与检偏器8垂直，采集图像记为I1b，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I2b；
步骤二：在起偏器2与检偏器8之间放入待测样品5，将光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I21；
步骤三：调节起偏器2偏振轴角度为0°，检偏器8偏振轴角度为0°，即起偏器2与检偏器8平行，将光源置于波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I’11，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I’21；
步骤四：将起偏器2偏振轴角度转为45°，检偏器8偏振轴角度转为135°，调整光源至波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I12，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I22；
步骤五：将起偏器2偏振轴角度转为90°，检偏器8偏振轴角度转为45°，调整光源至波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I13，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I23；
步骤六：将起偏器2偏振轴角度转为0°，检偏器8偏振轴角度转为45°，调整光源至λ1发光模式，采集条纹图像记为I14，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I24；
步骤七：根据步骤一到六采集到的图像计算待测样品5的主应力大小σ(x,y)；
步骤八：根据步骤一到六采集到的图像计算待测样品5的主应力方向θ。
可选的，所述通过步骤七计算得到待测样品5的主应力大小σ(x,y)满足如下关系式：
Figure BDA0002953723770000031
Figure BDA0002953723770000032
其中，I1(x,y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，
I2(x,y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布。
可选的，所述归一化条纹强度分布I1(x,y)和归一化条纹强度分布I2(x,y)具体计算过程如
下所示：
I10＝I11+I'11
I20＝I21+I'21
Figure BDA0002953723770000033
Figure BDA0002953723770000034
其中，I10与I20分别代表波长λ1与波长λ2照明时的照明光强。
可选的，所述通过步骤八计算得到待测样品5的主应力方向θ满足如下关系式：
Figure BDA0002953723770000035
有益效果
(1)本发明公开的双频定量光弹性测量仪通过两个频率的照明光源开关状态切换，得到同双折射相关的光学相位分布，从而实现对应力的大小及方向的测量，具有结构简单，使用方便，测量速度快的优势。
(2)本发明实施例5公开的双频定量光弹性测量仪在光源前设置机械移动装置，拖动光源进行移动，对于超出测量范围的大型待测样片，可采用分时域扫描，对大型样品分步测量，可以实现对大口径的样品进行测量，对样品尺寸没有限制，测量范围更广。
(3)本发明公开的双频定量光弹性测量方法能准确测得样品的主应力大小和方向，具有测量精度高的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有光弹性测量技术中的圆偏振应力测量仪的结构示意图；
图2为现有光弹性测量技术中的平行平面偏振应力测量仪的结构示意图；
图3为本发明实施例1的结构示意图；
图4为本发明实施例3的结构示意图；
图5为本发明实施例4的结构示意图；
图6为本发明实施例5的结构示意图；
图中，1、激光光源；2、起偏器；3、第一四分之一波片；4、准直透镜；5、待测样品；6、成像透镜；7、第二四分之一波片；8、检偏器；9、光电探测器；10、聚焦透镜；11、单波长点光源；12、双波长点光源；13、双波长面光源；14、双波长线光源；15、机械移动装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1：
如图3所示，本实施例公开了一种双频定量光弹性测量仪，包括双波长面光源13，在双波长面光源13出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、检偏器8、成像透镜6和光电探测器9。所述双波长面光源13可由开关控制，先后发出波长为λ1和波长为λ2两种频率相近的光，本实施例中的波长λ1选用625nm，波长λ2选用650nm。所述起偏器2和检偏器8可绕自身的偏转轴旋转，在起偏器2和检偏器8之间放入待测样品5。所述光电探测器9将从成像透镜6透过的光信息转化为电信号并采集双波长面光源13照射待测样品5产生的条纹图。
实施例2：
本实施例公开了一种双频定量光弹性测量方法，所述双频定量光弹性测量方法应用实施例1公开的双频定量光弹性测量仪进行测量。所述方法通过采集两种不同频率的光源照射待测样品5产生的条纹图，对含有双折射信息的条纹图像进行计算处理，即可得到出待测样品5中的应力大小及方向，从而完成定量光弹性测量，具体包括如下步骤：
步骤一：打开光源，将双光源置于波长λ1发光模式，调节起偏器2偏振轴角度为0°，检偏器8偏振轴角度为90°，即起偏器2与检偏器8垂直，采集图像记为I1b，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I2b；
I1b即为检偏器与起偏器垂直时，波长λ1的光源照明下的无样品图像；
I2b即为检偏器与起偏器垂直时，波长λ2的光源照明下的无样品图像；
步骤二：在起偏器2与检偏器8之间放入待测样品5，将光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I21；
I11即为检偏器与起偏器垂直时，波长λ1的光源照明下的样品条纹图像；
I21即为检偏器与起偏器垂直时，波长λ2的光源照明下的样品条纹图像；
步骤三：调节起偏器2偏振轴角度为0°，检偏器8偏振轴角度为0°，即起偏器2与检偏器8平行，将光源置于波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I’11，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I’21；
I’11即为检偏器与起偏器平行时，波长λ1的光源照明下的样品条纹图像；
I’21即为检偏器与起偏器平行时，波长λ2的光源照明下的样品条纹图像；
步骤四：将起偏器2偏振轴角度转为45°，检偏器8偏振轴角度转为135°，调整光源至λ1发光模式，采集条纹图像记为I12，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I22；
I12即为检偏器与起偏器垂直且同步转动45°时，波长λ1的光源照明下的样品条纹图像；
I22即为检偏器与起偏器垂直且同步转动45°时，波长λ2的光源照明下的样品条纹图像；
步骤五：将起偏器2偏振轴角度转为90°，检偏器8偏振轴角度转为45°，调整光源至λ1发光模式，采集条纹图像记为I13，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I23；
I13即为检偏器与起偏器夹角为45°时，波长λ1的光源照明下的样品条纹图像；
I23即为检偏器与起偏器夹角为45°时，波长λ2的光源照明下的样品条纹图像；
步骤六：将起偏器2偏振轴角度转为0°，检偏器8偏振轴角度转为45°，调整光源至λ1发光模式，采集条纹图像记为I14，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I24；
I14即为检偏器与起偏器夹角为45°时，波长λ1的光源照明下的样品条纹图像；
I24即为检偏器与起偏器夹角为45°时，波长λ2的光源照明下的样品条纹图像；
步骤七：根据步骤一到六采集到的图像计算待测样品5的主应力σ(x,y)；
具体计算待测样品5的主应力σ(x,y)过程如下：
I10＝I11+I'11
I20＝I21+I'21
Figure BDA0002953723770000061
Figure BDA0002953723770000062
其中，I10与I20分别表示波长λ1与波长λ2照明时的照明光强，I1(x,y)表示波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x,y)表示波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，σ(x,y)表示待测样品5的应力分布，此时光强分布等于应力分布的正弦函数的平方，无法通过直接开根号求得真实的应力分布，因此采用倍角公式将次数降低，得到
Figure BDA0002953723770000063
因为
Figure BDA0002953723770000064
在[0,π]区间内不是一个单调函数，其反函数是一条连续的折线，不可通过常规解包裹处理，无法从条纹强度变化趋势中判断应力变化趋势，即不能用
Figure BDA0002953723770000065
计算出
Figure BDA0002953723770000066
在本发明所提出双频光弹性测量技术中，用另外一个相近的波长λ2光源13照明，得到
Figure BDA0002953723770000067
若λ1<λ2，则在
Figure BDA0002953723770000068
时，
Figure BDA0002953723770000069
则
Figure BDA00029537237700000610
是[0,π/2]范围内的减函数，即
Figure BDA00029537237700000611
若λ1＞λ2，则
Figure BDA00029537237700000612
是[π/2,π]范围内的增函数，
Figure BDA00029537237700000613
因此通过判断函数的增减性就可以将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，可以得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与应力大小变化趋势相同，即当I1-I2≥0时，令I＝I1，当I1-I2≤0时，令I＝-I1，此时主应力σ(x,y)＝λ1arccos(I)/(2π)，通过采用本文提出的双波长照明能够解得带有相位包裹的应力分布，采用常规的解包裹算法对解反三角函数得到的主应力σ(x,y)进行解包裹处理后可拼接出连续的应力分布。
步骤八：根据步骤一到步骤六采集到的图像计算待测样品5的主应力方向θ，具体计算过程如下：
Figure BDA0002953723770000071
Figure BDA0002953723770000072
由于本实施例采用的波长λ1与波长λ2的中心频率接近且不同，因此
Figure BDA0002953723770000073
与
Figure BDA0002953723770000074
不可能同时为零，I10与I20分别表示波长λ1与波长λ2照明时的照明光强，为常数，因此上式分母
Figure BDA0002953723770000075
在任何情况下均不为零，避免了分母为零时解得主应力方向θ有误的问题。
Figure BDA0002953723770000076
Figure BDA0002953723770000077
通过上式可以解得主应力方向θ的值，采用常规的解包裹算法处理即可得到准确的应力方向。
实施例3：
如图4所示，本实施例公开了第二种双频定量光弹性测量仪，包括双波长点光源12，在双波长点光源12出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、第一四分之一波片3、准直透镜4、待测样品5、成像透镜6、第二四分之一波片7、检偏器8和光电探测器9。所述第二种双频定量光弹性测量仪同样可以应用实施例2公开的双频定量光弹性测量方法进行测量。
本实施例与实施例1的区别在于增设两个四分之一波片，双波长面光源13变为双波长点光源12，增设准直透镜4。调节第一四分之一波片3快轴方向使得通过起偏器2的光线变为圆偏振光，调节第二四分之一波片7的快轴方向使得经过样品5的圆偏振光重新转换为与通过起偏器2的偏振状态相同的线偏振光。
实施例4：
如图5所示，本实施例公开了第三种双频定量光弹性测量仪，包括双波长点光源12，在双波长点光源12出射光线的传播路径上依次设有准直透镜4、起偏器2、待测样品5、检偏器8、成像透镜6和光电探测器9。所述第三种双频定量光弹性测量仪同样可以应用实施例2公开的双频定量光弹性测量方法进行测量。
本实施例与实施例1的区别在于将双波长面光源13变为双波长点光源12并增设准直透镜4。此种设计相比于实施例1可提供更大范围的均匀光源照明。
实施例5：
如图6所示，本实施例公开了第四种双频定量光弹性测量仪，本实施例与实施例1的区别在于将双波长面光源13改为双波长线光源14，并在双波长线光源14前设置机械移动装置15。所述机械移动装置15可以拖动双波长线光源14移动，实现对待测样品5进行区域扫描。此种设计对于超出测量范围的大型待测样片，可采用分时域扫描，对大型样品分步测量，可以实现对大口径的样品进行测量，对样品尺寸没有限制，测量范围更广。所述第四种双频定量光弹性测量仪同样可以应用实施例2公开的双频定量光弹性测量方法进行测量。
实施例6：
为了验证实施例2公开的双频定量光弹性测量方法的测量精度，本实施例根据实施例2提供的测量方法进行推导，具体是根据
Figure BDA0002953723770000081
的符号来判断
Figure BDA0002953723770000082
是在
Figure BDA0002953723770000083
的上升区间还是在下降区间，假定
Figure BDA0002953723770000084
和
Figure BDA0002953723770000085
同处于升区间或者降区间，因此在它们的拐点处，即
Figure BDA0002953723770000086
和
Figure BDA0002953723770000087
在nπ附近将有可能一个处于升区间而一个属于降区间，随着δ(x,y)的增加，从
Figure BDA0002953723770000088
时开始产生误差，到
Figure BDA0002953723770000089
时误差消失，
Figure BDA00029537237700000810
时误差最大，误差数值为
Figure BDA00029537237700000811
和实际值
Figure BDA00029537237700000812
相比较，相对误差为
Figure BDA00029537237700000813
由于波长λ1和波长λ2分别为625nm和650nm,相对测量误差为3.85％。一般的光弹性测量方法中，只要能测量出数十个条纹级数即可，若取
Figure BDA0002953723770000091
则
Figure BDA0002953723770000092
在0.385个波长左右，这对于光弹性测量来说已经足够，因此实施例2公开的双频定量光弹性测量方法测量精度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种双频定量光弹性测量仪，其特征在于，包括双波长面光源(13)，在所述双波长面光源(13)出射光线的传播路径上依次设有起偏器(2)、检偏器(8)、成像透镜(6)和光电探测器(9)。
2.根据权利要求1所述的双频定量光弹性测量仪，其特征在于，所述双波长面光源(13)由开关控制，先后发出波长为λ1和波长为λ2两种频率的光。
3.根据权利要求1所述的双频定量光弹性测量仪，其特征在于，所述起偏器(2)和检偏器(8)能够绕自身的偏转轴旋转。
4.根据权利要求1-3任一所述的双频定量光弹性测量仪，其特征在于，所述双波长面光源(13)用双波长点光源(12)代替，并在起偏器(2)与检偏器(8)之间设置第一四分之一波片(3)和第二四分之一波片(7)。
5.根据权利要求1-3任一所述的双频定量光弹性测量仪，其特征在于，所述双波长面光源(13)用双波长点光源(12)代替，并在双波长点光源(12)与起偏器(2)之间增设准直透镜(4)。
6.根据权利要求1-3任一所述的双频定量光弹性测量仪，其特征在于，所述双波长面光源(13)用双波长线光源(14)代替，并在双波长线光源(14)前设置机械移动装置(15)。
7.一种双频定量光弹性测量方法，所述双频定量光弹性测量方法应用权利要求1-6任一所述的双频定量光弹性测量仪进行测量，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：打开光源，将光源置于波长λ1发光模式，调节起偏器(2)偏振轴角度为0°，检偏器(8)偏振轴角度为90°，即起偏器(2)与检偏器(8)垂直，采集图像记为I1b，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I2b；
步骤二：在起偏器(2)与检偏器(8)之间放入待测样品(5)，将光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I21；
步骤三：调节起偏器(2)偏振轴角度为0°，检偏器(8)偏振轴角度为0°，即起偏器(2)与检偏器(8)平行，将光源置于波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I’11，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I’21；
步骤四：将起偏器(2)偏振轴角度转为45°，检偏器(8)偏振轴角度转为135°，调整光源至波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I12，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I22；
步骤五：将起偏器(2)偏振轴角度转为90°，检偏器(8)偏振轴角度转为45°，调整光源至波长λ1发光模式，采集条纹图像记为I13，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I23；
步骤六：将起偏器(2)偏振轴角度转为0°，检偏器(8)偏振轴角度转为45°，调整光源至λ1发光模式，采集条纹图像记为I14，调整光源至波长λ2发光模式，采集条纹图像记为I24；
步骤七：根据步骤一到六采集到的图像计算待测样品(5)的主应力大小σ(x,y)；
步骤八：根据步骤一到六采集到的图像计算待测样品(5)的主应力方向θ。
8.根据权利要求7所述的双频定量光弹性测量方法，其特征在于，所述通过步骤七计算得到待测样品(5)的主应力大小σ(x,y)满足如下关系式：
Figure FDA0002953723760000021
Figure FDA0002953723760000022
其中，I1(x,y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x,y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布。
9.根据权利要求8所述的双频定量光弹性测量方法，其特征在于，所述归一化条纹强度分布I1(x,y)和归一化条纹强度分布I2(x,y)具体计算过程如下所示：
I10＝I11+I'11
I20＝I21+I'21
Figure FDA0002953723760000023
Figure FDA0002953723760000024
其中，I10与I20分别代表波长λ1与波长λ2照明时的照明光强。
10.根据权利要求7所述的双频定量光弹性测量方法，其特征在于，所述通过步骤八计算得到待测样品(5)的主应力方向θ满足如下关系式：
Figure FDA0002953723760000025
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