CN1670468A

CN1670468A - 双波长二维空间相移电子散斑干涉仪

Info

Publication number: CN1670468A
Application number: CN 200510025029
Authority: CN
Inventors: 张熹; 陆鹏; 吴君毅; 夏远富
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: CN1283976C

Abstract

一种双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，它主要包括两组激光照射机构、干涉接收机构、四组激光反射机构和空间相移机构。两组激光照射机构为泵浦红激光照射机构和泵浦绿激光照射机构。本发明同时采用644.6nm泵浦红激光器和532nm泵浦绿激光器作为光源，分别对应得到U场和V场；采用不同波长通过的干涉滤光片，使得三维变形中的U场和V场可独立分离出来；并通过空间相移器(偏转载波片)实现条纹的数字化，可以直接、同时获得纯粹U场和V场的干涉条纹，加上空间相移功能，实现了条纹的数字化。

Description

双波长二维空间相移电子散斑干涉仪

技术领域

本发明涉及一种光电子仪器，特别涉及一种双波长二维空间相移电子散斑干涉仪。

背景技术

电子散斑干涉(Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI)，是计算机图像处理、激光及干涉相结合的一种综合技术。

电子散斑干涉仪在光测力学领域应用、研究和教学实验中用途广泛，非接触测量可获得被测物面内场位移场(U、V场)的条纹，为有限元提供可靠的边界条件。可用于结构优化，能应用在细观力学、残余应力测量、复合材料研究。尤其在结构分析及非破坏性检测上应用广泛。通过必要的后处理获得设计者所需要的信息(数字化)。并且不需要像传统光力学研究那样配备暗房、进行显定影湿处理、繁复搭建光路等，节省了大量工作。

目前国内尚无类似的电子散斑干涉仪，国外生产的电子散斑干涉仪主要有以下两种。

一种是Steibichler公司生产的三维电子散斑干涉仪，其光路图如图1所示。图中标号，111为激光器A，112为激光器B，113为激光器C，114为摄像机，115为参考物，116为被测物。由图1可见，该仪器采用三束激光照射，激光A和B位于xoy平面内，和z轴的夹角分别为α、β。A、B照射可以解得U、W场位移。另一激光束C位于xoz平面内，和z轴的夹角为γ，结果反映V和W的方程，通过联立方程求出U、V和W场的位移，且U场和V场不是同时得到的。这种通过程序求解的方法，必然带来较大的误差。

另一种是Ettemeyer公司生产的三维电子散斑干涉仪，其光路图如图2所示。图中标号，121为照相机，122为全反射镜，123为激光器，124为被测物。由图2可见，该仪器可以直接独立得到U场和V场，但是，U场和V场也不是同时得到的。

上述两公司的三维电子散斑干涉仪使用的光源都是一个激光光源，均不能直接得到独立的U、V的干涉条纹，必须通过解联立方程来间接求得U场和V场。这样势必带来较大的误差，使其实用性和工程价值大为降低。

发明内容

本发明的目的，在于解决现有技术电子散斑干涉仪存在的上述问题，提供一种可以直接、同时获得纯粹U、V场的干涉条纹，并可以实现条纹数字化的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪。

本发明采用的技术方案是：一种双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，包括仪器框架和安装在框架上的光学仪器，所述的仪器框架包括主体框架和呈正交叉分布与主体框架连接的四个延伸手臂，主体框架由一块竖隔板分隔成左右两腔；所述的光学仪器包括两组激光照射机构、干涉接收机构、四组激光反射机构和空间相移机构；两组激光照射机构分别设置在主体框架的左腔，干涉接收机构设置在主体框架的右腔，四组激光反射机构分别安装在四个延伸手臂上，空间相移机构安装在主体框架的外侧并与干涉接收机构适配相邻；

所述的两组激光照射机构为泵浦红激光照射机构和泵浦绿激光照射机构；

所述的四组激光反射机构包括设置在仪器主体框架相对两侧的两个延伸手臂上的两组红激光反射机构和设置在仪器主体框架另外两个延伸手臂上的两组绿激光反射机构。

所述的泵浦红激光照射机构包括泵浦红激光器、设置在泵浦红激光器光路上的分光棱镜和设置在分光棱镜反射光路上的一个光路变向反射镜；所述的泵浦绿激光照射机构包括泵浦绿激光器、设置在泵浦绿激光器光路上的分光棱镜、设置在分光棱镜透射光路上的一个光路变向反射镜和设置在分光棱镜反射光路上的两个光路变向反射镜。

所述的两组红激光反射机构和两组绿激光反射机构各由一个扩束镜和一个全反射镜组成。

所述的干涉接收机构包括方棱镜、设置在方棱镜透射光路上的红光滤光片和红光接收机构以及设置在方棱镜反射光路上的绿光滤光片和绿光接收机构。

所述的空间相移机构包括固定在主体框架上的支架、安装在支架上的步进电机、载波片及其框架，步进电机与载波片框架传动相连。

所述的各扩束镜均为小直径高折射率的过球面扩束镜。

所述的红光接收机构和绿光接收机构均由成像物镜和CCD电耦合元件螺纹连接组成。

所述的主体框架下设有四根支撑座，各支撑座下分别连接有磁力表座。

本发明双波长二维空间相移电子散斑干涉仪由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，有以下的优点和特点：

1、利用激光波长不同不干涉的原理，同时采用两个不同的激光器(双波长)作为光源，即644.6nm泵浦红激光器和532nm泵浦绿激光器，分别对应得到U场和V场，具有体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带的优点，适用于现场使用，并可装在防振台上工作；

2、由于采用了不同波长通过的干涉滤光片，使得三维变形中的U场和V场可独立分离出来；

3、具有非接触、高灵敏度、不用暗房和显定影湿处理，甚至可直接用于现场，便于后处理；

4、可以通过空间相移器(偏转载波片)实现条纹的数字化，不但可以得到变形条纹，知道应力集中区域，更能完全了解变形量的大小，即不但可以得到直观的条纹，而且可以得到所需的数值量；

5、由于采用了小直径、高折射率的过球面扩束镜，可使激光扩散面积较大，在1m处的测量面积为Φ300mm。

6、可以直接、同时获得纯粹U场和V场的干涉条纹，加上空间相移功能，实现了条纹的数字化；所用软件可以实现计算机自动采集、计算及图像后处理；

7、可以解决工程中的静态、准动态及动态问题，应用前景广阔；

8、可以用于教学，使光测实验力学和物理光学专业的学生对计算机在电子干涉中的作用有深入的认识，并可以作为硕士和博士研究生从事相关研究的有力工具；

9、为FEM(有限元)计算的边界条件获得提供了一种有效方法。

附图说明

图1为Steibichler公司生产的三维电子散斑干涉仪的光路图；

图2为Ettemeyer公司生产的三维电子散斑干涉仪的光路图；

图3为本发明双波长二维空间相移电子散斑干涉仪的正面结构示意图；

图4为本发明双波长二维空间相移电子散斑干涉仪的侧面结构示意图；

图5为本发明的泵浦红激光照射光路(U场)图；

图6为本发明的泵浦绿激光照射光路(V场)图；

图7为本发明的泵浦红激光和泵浦绿激光(U、V场)测量光路图。

具体实施方式

参见图3、图4，配合参见图5、图6、图7。本发明双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，包括仪器框架1和安装在框架上的两组激光照射机构2(配合参见图5)、3(配合参见图6)、干涉接收机构4、四组激光反射机构5、6、7、8和空间相移机构9。

仪器框架1包括主体框架11和呈正交叉分布与主体框架连接的四个延伸手臂12，主体框架1下设有四根支撑座13，各支撑座下分别连接有磁力表座14，主体框架1由一块竖隔板15分隔成左右两腔。

配合参见图5、图6。两组激光照射机构2、3为泵浦红激光照射机构2和泵浦绿激光照射机构3，其分别设置在主体框架的左腔，每个光学元件都安装在竖隔板上，保证中心在同一平面上。泵浦红激光照射机构2包括泵浦红激光器21、设置在泵浦红激光器光路上的分光棱镜22和设置在分光棱镜反射光路上的一个光路变向反射镜23，从分光棱镜22出来的透射光射向红激光反射机构5，经反射镜23反射出来的反射光射向红激光反射机构6。泵浦绿激光照射机构3包括泵浦绿激光器31、设置在泵浦绿激光器光路上的分光棱镜32、设置在分光棱镜透射光路上的一个光路变向反射镜33和设置在分光棱镜反射光路上的两个光路变向反射镜34、35，经反射镜33反射出来的反射光射向绿激光反射机构7，经反射镜35反射出来的反射光射向绿激光反射机构8。

参见图4，配合参见图7。干涉接收机构4设置在主体框架11的右腔，包括方棱镜41、设置在方棱镜透射光路上的644.6nm红光滤光片42和红光接收机构43(接收U场)以及设置在方棱镜反射光路上的532nm绿光滤光片44和绿光接收机构45(接收V场)。红光接收机构43由成像物镜431和CCD电耦合元件432螺纹连接组成。绿光接收机构45由成像物镜451和CCD电耦合元件452螺纹连接组成。

参见图3，配合参见图5、图6。四组激光反射机构5、6、7、8分别安装在四个延伸手臂12上，分别代表双光束u场和双光束v场。包括两组红激光反射机构5、6(U场)和两组绿激光反射机构7、8(V场)。两组红激光反射机构5、6分别设置在仪器主体框架相对两侧的两个延伸手臂上，红激光反射机构5包括扩束镜51和全反射镜52，红激光反射机构6包括扩束镜61和全反射镜62。两组绿激光反射机构7、8分别设置在仪器主体框架另外相对两侧的两个延伸手臂上，绿激光反射机构7包括扩束镜71和全反射镜72，绿激光反射机构8包括扩束镜81和全反射镜82。各反射机构中的扩束镜均为小直径高折射率的过球面扩束镜，分别安装在各激光照射光路上，各全反射镜的反射光都射向被测物方向。

配合参见图4，空间相移机构9安装在主体框架11的外侧并与干涉接收机构4适配相邻，在空间相移机构9与干涉接收机构4之间的主体框架11上开有接收窗口。空间相移机构9包括固定在主体框架11上的支架91、安装在支架上的步进电机92、载波片及其框架93，步进电机92与载波片框架传动相连。

仪器接收光路及原理结合图7说明如下：644.6nm泵浦红激光器(对应U场)和532nm泵浦绿激光器(对应V场)各分出两束光同时照射在被测物10的表面，由被测物反射到空间相移机构，通过载波片93和干涉接收机构4中的方棱镜41，穿过方棱镜41的透射光和反射光在不同波长滤光片(644.6nm滤光片和532nm滤光片)的作用下，选择不同波长的光通过，实现同时u和v场的条纹采集，条纹是面内直线性条纹，从而条纹稳定易于调节。载波片93可在步进电机92的作用下转动产生均匀的空间载波，实现条纹的数字化，不但可以得到变形条纹，知道应力集中区域，更能完全了解变形量的大小，即不但可以得到直观的条纹，而且可以得到数值量。

Claims

1、一种双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，包括仪器框架和安装在框架上的光学仪器，其特征在于：所述的仪器框架包括主体框架和呈正交叉分布与主体框架连接的四个延伸手臂，主体框架由一块竖隔板分隔成左右两腔；所述的光学仪器包括两组激光照射机构、干涉接收机构、四组激光反射机构和空间相移机构；两组激光照射机构分别设置在主体框架的左腔，干涉接收机构设置在主体框架的右腔，四组激光反射机构分别安装在四个延伸手臂上，空间相移机构安装在主体框架的外侧并与干涉接收机构适配相邻；

2、如权利要求1所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的泵浦红激光照射机构包括泵浦红激光器、设置在泵浦红激光器光路上的分光棱镜和设置在分光棱镜反射光路上的一个光路变向反射镜；所述的泵浦绿激光照射机构包括泵浦绿激光器、设置在泵浦绿激光器光路上的分光棱镜、设置在分光棱镜透射光路上的一个光路变向反射镜和设置在分光棱镜反射光路上的两个光路变向反射镜。

3、如权利要求1所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的两组红激光反射机构和两组绿激光反射机构各由一个扩束镜和一个全反射镜组成。

4、如权利要求1所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的干涉接收机构包括方棱镜、设置在方棱镜透射光路上的红光滤光片和红光接收机构以及设置在方棱镜反射光路上的绿光滤光片和绿光接收机构。

5、如权利要求1所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的空间相移机构包括固定在主体框架上的支架、安装在支架上的步进电机、载波片及其框架，步进电机与载波片框架传动相连。

6、如权利要求3所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的各扩束镜均为小直径高折射率的过球面扩束镜。

7、如权利要求4所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的红光接收机构和绿光接收机构均由成像物镜和CCD电耦合元件螺纹连接组成。

8、如权利要求1所述的双波长二维空间相移电子散斑干涉仪，其特征在于：所述的主体框架下设有四根支撑座，各支撑座下分别连接有磁力表座。