CN113295105B - 一种空间载波调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于全场干涉类光学测量技术领域，涉及一种空间载波调制装置。本发明装置利用折射率对传播方向的影响，在两个光栅之间安装两个楔形透明介质，通过改变两个透明介质的相对位置来实现调控经过这两个透明介质的光的光程差空间分布，进而实现空间载波调制。本发明可有效地实现在测量光路中施加沿着剪切方向的线性的光程差，解决了CGS方法在测量过程中无法施加载波的技术难题，提高了测量精度和效率。本发明装置通过调整楔形棱镜的倾斜角度来实现施加空间载波，其结构简单，原理简明，且不需要改变原有测量系统光路布置，操作简易，而且适用范围广、经济成本低。

Description

一种空间载波调制装置

技术领域

本发明属于全场干涉类光学测量技术领域，涉及一种空间载波调制装置。

背景技术

相干梯度敏感干涉(Coherent Gradient Sensing，以下简称CGS)方法是美国国家工程学院(NAE)院士Rosakis等人提出的一种全场干涉类梯度相干测量光学方法，该方法具有的全场、实时、精度高，测量灵敏度高等优点，已经被广泛的应用到原位监测、静动态断裂研究、残余变形测量等领域。高精度的数据处理方法一直是制约着CGS方法发展的重要因素。针对静态测量需求，本申请人的中国专利 (ZL201910937847.5)提出了一种相移数据处理方法，提高了测量精度。然而发展至今，针对动态测量，CGS的数据处理方法尚不成熟。目前针对CGS在动态测量数据提取方法通常采用灰度中心线提取法或者空间相移方法。但前者精度较低且无法处理复杂的变形场，而后者基于时间域的相位调制技术需要通过至少三幅图像才能获取数据，对测量同步要求高且操作复杂。与现有动态测量数据处理技术相比，基于空域的空间载波技术可以只通过一个条纹图就可以给出精准的数据信息，具有成本低、效率高、精度好的特点，是条纹类测量方法中常见的技术之一。而现有CGS 动态测量研究资料显示，针对CGS方法的空间载波调制技术尚发展不足，且市场上缺乏便于操作的CGS空间载波调制装置，这极大地限制了该方法的发展与应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种空间载波调制装置，针对相干梯度敏感干涉方法，对空间载波调制装置进行改进，以提高相干梯度敏感干涉方法的在动态测量中的测量精度和效率。

本发明提出的空间载波调制装置，包括：前光栅、后光栅、前楔形棱镜和后楔形棱镜；所述的前光栅、前楔形棱镜、后楔形棱镜和后光栅同光轴安装；所述的前光栅镶嵌在前光栅升降杆上的前光栅加持架中，所述的前楔形棱镜镶嵌在前棱镜升降杆上的前棱镜加持架中，所述的后光栅镶嵌在后光栅升降杆上的后光栅加持架中，所述的后楔形棱镜镶嵌在后棱镜升降杆上的后棱镜加持架中；所述的前光栅升降杆、前棱镜升降杆、后棱镜升降杆和后光栅升降杆分别安装在固定基座上。

本发明提出的空间载波调制装置，其优点是：

1、本发明的空间载波调制装置，可有效地实现在测量光路中施加沿着剪切方向的线性的光程差，解决了CGS方法在测量过程中无法施加载波的技术难题，提高了测量精度和效率；

2、本发明的针对相干梯度敏感干涉的空间载波调制技术，因其通过调整楔形棱镜的倾斜角度来实现施加空间载波，其结构简单，原理简明，且不需要改变原有测量系统光路布置，操作简易；

3、本发明的针对相干梯度敏感干涉的空间载波调制技术，可以根据需要调节空间载波的条纹频率，适用范围广、经济成本低。

附图说明

图1是本发明设计的空间载波调制装置的结构示意图。

图2是图1所示的空间载波调制装置的工作原理图。

图3是本发明的一个实施例中反射式CGS的光路图。

图4是本发明空间载波调制装置中当θ₄＝8°时光程差沿着剪切方向上的分布图。

图5是使用本发明的空间载波调制装置施加的载波调制条纹图。

图6是在倾斜角分别为0°/4°/8°条件下光程差在剪切方向y上的分布规律。

图1-图6中，11是前光栅、12是前光栅加持架、13是前光栅升降杆、14是空间载波平台、21是前楔形棱镜、22是前棱镜加持架、23是前棱镜升降杆、31是后光栅、32是后光栅加持架、33是后光栅升降杆、41是后楔形棱镜、42是后棱镜加持架、43是后棱镜升降杆，θ₄是棱镜倾斜角，θ是棱镜夹角，x₀₀是前光栅11与前楔形棱镜21之间的距离，x₀₁是前楔形棱镜21的最大厚度，x₀₂是前楔形棱镜21和后楔形棱镜41之间在x方向上的最大间距，x₀₈是后楔形棱镜41与后光栅31之间的距离，y₀是图2中所示的与光栅面平行的前楔形棱镜21三角形截面的边长，51是激光器，52是扩束凸透镜，53是准直凸透镜，54是半透半反镜，55是试样，56是反射镜，57是汇集透镜，58是CCD相机。

具体实施方式

本发明提出的空间载波调制装置，其结构如图1所示，包括：前光栅11、后光栅31、前楔形棱镜21和后楔形棱镜41；所述的前光栅11、前楔形棱镜21、后楔形棱镜41和后光栅31如图1和图2所示同光轴安装；所述的前光栅11镶嵌在前光栅升降杆13上的前光栅加持架12中，所述的前楔形棱镜21镶嵌在前棱镜升降杆23上的前棱镜加持架22中，所述的后光栅31镶嵌在后光栅升降杆33上的后光栅加持架32中，所述的后楔形棱镜41镶嵌在后棱镜升降杆43上的后棱镜加持架 42中；所述的前光栅升降杆13、前棱镜升降杆23、后棱镜升降杆43和后光栅升降杆33分别安装在固定基座14上。

上述空间载波调制装置，前楔形棱镜21和后楔形棱镜41为几何尺寸相同、材质相同的三角棱镜，所述的前楔形棱镜21的直角面(即图2所示的yz面)与前光栅11平行，所述的后楔形棱镜41的直角面与后光栅31呈现一个夹角θ₄，θ₄的取值范围为0°-15°。

上述空间载波调制装置，其特征在于其中所述的前楔形棱镜21和后楔形棱镜 41的光程差△L在y方向上呈现线性分布：

；

其中，x₀₀为前光栅11与前楔形棱镜21之间的距离，x₀₈为后光栅31与前楔形棱镜41之间的距离，x₀₂为前楔形棱镜21和后楔形棱镜41之间x方向上的最大间距，y₀是图2中所示的与光栅面平行的前楔形棱镜21三角形截面的边长，θ₄是棱镜倾斜角，θ是棱镜夹角，

分别为图2所示的两束相互干涉试件光的θ₁。上述均为空间载波调制装置的几何参数和材料参数，即当装置确定后，

和

都不会在发生变化，即在剪切方向上的空间施加线性的光程差进而实现空间载波的实现，这是本发明提出的空间载波调制技术实现的重要原理。同理实验人员通过调整夹角θ₄的大小进而可以根据不同需要施加不同频率的空间载波。

以下结合附图，详细介绍本发明空间载波调制装置的工作原理和工作过程如下：

前光栅11，后光栅31，前楔形棱镜21和后楔形棱镜41按照图1所示的结构空位置关系进行装配，其前光栅11与前楔形棱镜21的一个直角面(yz面)保持平行，后光栅31与前光栅保持平行关系，其后楔形棱镜41的直角面(yz面)与后光栅31呈现夹角θ₄，如图2所示。前光栅11，后光栅31实现光束衍射功能，进而剪切干涉测量；前楔形棱镜21和后楔形棱镜41实现改变光路功能，进而实现在y方向上不同位置处的光程差出现差异性分布。前光栅加持架12、前光栅升降杆13、前棱镜加持架22、前棱镜升降杆23、后光栅加持架32、后光栅升降杆33、后棱镜加持架42、后棱镜升降杆43组成支撑组合，实现将前光栅11，后光栅31，前楔形棱镜21和后楔形棱镜41固定在空间载波平台14上。

如图1所示，一束试件光进入到空间载波调制装置时，首先到达前光栅11，穿过前光栅11后发生衍射，进入到前楔形棱镜21；通过前楔形棱镜21时，由于介质的折射率与空气不一样，光线发生折射，然后穿出前楔形棱镜21到达后楔形棱镜 41，此时光线再次折射，其传播方向重新被调整，然后到达后光栅31，光束在通过后光栅31时，已发生衍射的光束再次发生衍射，穿出空间载波调制技术。光束在空间载波调制装置中传播时，通过设定后楔形棱镜41夹角θ₄不为零，即可实现在剪切方向上的空间施加线性的光程差，即可以有效地实现空间载波的实现；通过调整夹角θ₄的大小进而满足实验人员可以根据需要调节空间载波的条纹频率。

本发明提出的空间载波调制技术的基本原理是通过折射原理来使得两个相互干涉的试件光之间的光程差△L在y方向上呈现线性分布，进而实现空间载波调制。

其简化后的表达式如下所示：

；

这里x₀₀,x₀₈,x₀₂,y₀,θ,

θ₄均是空间载波调制装置的几何参数和材料参数，即当装置确定后，

和

都不会在发生变化，这是本发明提出的空间载波调制技术实现的重要基础。其中

分别是两束相互干涉试件光的θ₁。显然，本发明提出的空间载波调制装置可以有效地对剪切方向上的空间施加线性的光程差，即可以有效地实现空间载波的施加。同时通过改变倾斜角θ₄来改变

进而满足实验人员可以根据需要调节空间载波的条纹频率。

本发明的一个应用实施例的光路图如图3所示，在使用本发明的空间载波调制装置时，将图1所示的空间载波调制装置替换图3光路中的前光栅11和后光栅31 即可。

本发明的应用实施例的光路图，包括激光器51、扩束凸透镜52、准直凸透镜53、半透半反镜54、试样55，反射镜56、前光栅11、后光栅31、汇集透镜57和 CCD相机58。其中前光栅11和后光栅31更换成本发明的针对相干梯度敏感干涉的空间载波调制装置。激光器51波长为532nm发出线形激光，经过扩束凸透镜52，然后再经过准直凸透镜53，此时激光束被转化成一束准直平行光.然后经过半透半反镜54后照射到待测试样55上，然后经过反射后再次到达半透半反镜54，半透半反镜54将激光束反射到反射镜56，然后进入到本发明的空间载波调制装置，通过空间载波调制装置后到达汇集透镜57，在通过汇集透镜57时，平行光束被汇聚点光源进入到CCD相机58，相机采集图像。

上述应用实例的操作过程如下：

1、将本发明的空间载波调制装置安装于图3所示的测量光路中(前光栅11和后光栅31更换成本发明的空间载波调制装置)；

2、调整空间载波调制装置中前光栅11和后光栅31的加持状态，使两个光栅上的栅线互相平行；

3、调整空间载波调制装置中前楔形棱镜21和后楔形棱镜41的加持状态，使两个楔形棱镜与光栅空间位置关系满足图2所示的关系，其中在本应用中夹角θ₄＝8°；

4、当实验都准备好了需要获得实验测量结果时，CCD相机58开始采集即可。

本发明的上述应用实例中，穿过前光栅11试件光为垂直入射(即穿过光栅的入射角度为0度)，使用的激光器发出的激光波长为522nm。前楔形棱镜21和后楔形棱镜41均为楔形三棱柱透明介质，材质为光学玻璃，特征参数θ＝30°和 x₀₁＝30mm，折射率为n＝1.5168，x₀₀＝10mm，x₀₂＝10mm，x₀₈＝10mm，如图2 中所示。其中，前光栅加持架12、前光栅升降杆13、空间载波平台14、前棱镜加持架22、前棱镜升降杆23、后光栅加持架32、后光栅升降杆33、后棱镜加持架42、后棱镜升降杆43的用材均为为铝合金，光栅为20line/mm的透射式衍射光栅，CCD 为普通工业相机。图4是θ₄＝8°时光程差在剪切方向y上的分布规律，图5是使用本发明的空间载波调制装置在CGS光路中成功实现施加空间载波的实验结果。从图4 中可以看出，光程差在y空间坐标上的分布是线性的，这意味本发明专利解决了CGS 方法在测量过程中无法施加载波的技术难题。图6是在倾斜角分别为0°/4°/8°条件下光程差在剪切方向y上的分布规律。这意味着科研人员可以通过本发明装置按照实验需要进行调节空间载波的条纹频率，扩大了CGS方法的适用范围，且经济成本低。

Claims (1)

1.一种空间载波调制装置，其特征在于包括：前光栅、后光栅、前楔形棱镜和后楔形棱镜；所述的前光栅、前楔形棱镜、后楔形棱镜和后光栅同光轴安装；所述的前光栅镶嵌在前光栅升降杆上的前光栅加持架中，所述的前楔形棱镜镶嵌在前棱镜升降杆上的前棱镜加持架中，所述的后光栅镶嵌在后光栅升降杆上的后光栅加持架中，所述的后楔形棱镜镶嵌在后棱镜升降杆上的后棱镜加持架中；所述的前光栅升降杆、前棱镜升降杆、后棱镜升降杆和后光栅升降杆分别安装在固定基座上；所述的前楔形棱镜和后楔形棱镜为几何尺寸相同、材质相同的三角棱镜，所述的前楔形棱镜的直角面与前光栅平行，所述的后楔形棱镜的直角面与后光栅呈现一个夹角θ₄，0°<θ₄≤15°；通过所述前楔形棱镜与所述后楔形棱镜的两个相互干涉的试件光的光程差ΔL在剪切方向即y方向的分布呈现线性分布，光程差ΔL的表达式为：

其中，x₀₀为前光栅与前楔形棱镜之间的距离，x₀₈为后光栅与前楔形棱镜之间的距离，x₀₂为前楔形棱镜和后楔形棱镜之间x方向上的最大间距，y₀是与光栅面平行的前楔形棱镜三角形截面的边长，θ₄是棱镜倾斜角，θ是棱镜夹角，

分别为两束相互干涉试件光的θ₁，θ₁是指试件光在进入前楔形棱镜时，试件光与前楔形棱镜的三角形截面长直角边法线之间的夹角，y为剪切方向上的空间坐标。

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