CN1687748A - 二维相移云纹干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维相移云纹干涉仪，包括了底座、激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均依次置于光路中，激光器发出的光依次经过扩束镜、非球面分光装置后投射到被测物上，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均设于底座上。该干涉仪较传统的云纹干涉仪的测量灵敏度有较大的提高，同时，使得仪器的结构更为紧凑，便于携带，能解决工程中的静态、准动态及动态问题，具有良好地应用前景。

Description

二维相移云纹干涉仪

技术领域

本发明涉及光电子和光测量仪器，更具体地指一种二维相移云纹干涉仪。

背景技术

云纹干涉(Moire Interferometry)，是计算机图像处理、激光云纹及干涉相结合的一种综合技术。

云纹干涉法具有灵敏度高、条纹反差好、分辨率高、可实时观测等优点，已在断裂力学、复合材料力学、结构强度及温度应力及残余应力测试等力学实验研究方面得到了推广和应用，成功地解决了许多实际问题。近些年来，人们的研究已深人到更深的层次。包括高温和动态状况下各种力学量的测试、长时间疲劳、蠕变测试等。特别是随着细观力学研究的深入和新材料的不断出现，云纹干涉法作为一种重要的实验力学方法正发挥着重要的作用。尤其是近年来，云纹干涉法在高温实验技术方面的发展，已能解决许多与高温或温度应力有关的课题、复合材料层间固化残余应变、微电子封装件的热应变、主蒸汽管道的蠕变应变以及激光焊接试件焊缝附近的残余应变场等力学问题。国内的清华大学、北京大学以及同济大学在此方面都做了大量工作。通常云纹干涉法都建立在直接观测面内位移场的二个分量(u、v)基础上。

云纹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)。结束了传统光力学研究所必须配备暗房、显定影湿处理、繁复搭建光路等大量工作。

由此可见，云纹干仪有着良好的应用前景，但到目前为止，大多数云纹干涉仪的测量灵敏度较低，而且结构均非常复杂、体积庞大而不便于携带，在应用上也因此而受到限制，影响到该项技术的推广使用。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该二维相移云纹干涉仪，

包括底座、激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均依次置于光路中，激光器发出的光依次经过扩束镜、非球面分光装置后投射到被测物上，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均设于底座上。

所述的非球面分光装置还包括一非球面镜、八只全反射镜、外框，八只全反射镜置于非球面镜之后并固定于外框上。

所述的八只全反射镜均呈两两相对固定于非球面镜后。。

所述的八只全反射镜中，垂置固定于全反射镜后的的两只全反射镜分别通过步进电机驱动装置来调节全反射镜的俯仰角，以及通过时间相移装置来调节该全反射镜的位移量。

所述的干涉仪还包括一光路提升机构，光路提升机构含有提升架和提升反射镜，提升架置于底座上，光路提升机构置于激光器与扩束镜之间。

所述的提升反射镜包括两只反射镜，两只反射镜的位置和角度均是可调的。

所述的扩束镜通过升降杆置于底座上。

在本发明的技术方案中，云纹干涉仪包括了底座、激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均依次置于光路中，激光器发出的光依次经过扩束镜、非球面分光装置后投射到被测物上，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均设于底座上；此外非球面分光装置中的非球面镜的采用，以及步进电机驱动装置对全反射镜俯仰角的调节和相移装置对光程的调节，使得云纹干涉仪较传统的云纹干涉仪的测量灵敏度有较大的提高，同时，使得仪器的结构更为紧凑，便于携带；若再配合计算机进行图像处理，使得该干涉仪能直接用于现场非接触测量，而且不用暗房和显定影湿处理。能解决工程中的静态、准动态及动态问题，具有良好地应用前景。

附图说明

图1为本发明干涉仪结构原理示意图。

图2为非球面分光装置示意图。

图3为本发明干涉仪光路原理示意图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的上述目的、技术方案和效果，以下通过实施例结合上述各图对本发明进行详细的描述。

请先参阅图1所示，

该二维相移云纹干涉仪包括底座10、激光器11、扩束镜12、非球面分光装置13、被测物14，激光器11、扩束镜12、非球面分光装置13、被测物14均依次置于光路中，激光器11发出的光依次经过扩束镜12、非球面分光装置13后投射到被测物14上，激光器11、扩束镜12、非球面分光装置13、被测物14均设于底座10上。

请再结合图2、图3所示，所述的非球面分光装置13还包括一非球面镜131、八只全反射镜132、外框133，八只全反射镜132置于非球面镜131之后并固定于外框上133。

所述的八只全反射镜132均呈两两相对固定于非球面镜后，其中四只全反射镜M₁、M₂、M₃、M₄呈两两相对固定于非球面镜131后，四只全反射镜M₁、M₂、M₃、M₄形成的平面面积小于等于非球面镜131的平面面积，另外四只全反射镜M_a、M_b、M_c、M_d也呈两两相对固定于非球面镜131后，但形成的平面面积大于非球面镜131的平面面积。

所述的八只全反射镜132中，竖直方向固定于非球面镜131后的两只全反射镜M_a、M_c分别通过步进电机驱动装置134来调节全反射镜的俯仰角，以及通过时间相移装置135来调节该全反射镜的位移量。

需要说明的是，图3中的非球面分光装置仅反了四只全反射镜M_a、M_c、M₁、M₃，另四只全反射镜M_b、M_d、M₂、M₄应该在垂直于纸的平面中，所以未能示意出。

所述的干涉仪还包括一光路提升机构15，光路提升机构15含有提升架151和提升反射镜152，提升架151置于底座10上，光路提升机构15置于激光器与11扩束镜12之间。

所述的提升反射镜152包括两只反射镜，两只反射镜的位置和角度均是可调的。

所述的扩束镜12通过升降杆121置于底座10上。

本干涉仪的光路原理解释如下：

激光器11出射光经光路提升机构15的两个全反射镜152提升到一定高度，即是干涉仪中非球面镜131的中心高；激光光束打在扩束镜12中心，经扩束后照射在非球面镜131上，调节扩束镜12和非球面镜131的距离，即为非球面镜131的焦距，这样的扩束光经过非球面镜131后变成了准直光；在非球面镜131后部垂直和水平方向各放置一全反射镜，再次反射到被测物14表面，被测物14表面贴有正交栅，当其变形时，激光本身干涉产生的虚栅和被测物表面的栅干涉出云纹条纹；在被测物的正前方布置一全反射镜16将变形信息(条纹)反射出来，通过观察或摄像机17拍摄到计算机中进行处理；加上时空间相移功能，可以实现采集图像的位相变化，从而得到数值化的变形场；图3仅显示的是一个方向(设v场)，由于非球面镜后部还有四块全反射镜，故同时也能得到u场的信息，只要将v场的光路遮挡住即可。

请再参阅图2所示，扩束光直接照射在非球面镜131上，经过非球面镜时变成准直光；非球面镜131后部对称分部四只全反射镜M₁、M₂、M₃、M₄，这样准直光分成四路，反射到对应的另四只全反射镜上M_a、M_b、M_c、M_d；其中M_a、M_b两路光测量的是v场，而M_c、M_d两路光测量的是u场。

八块全反射镜均固定在非球面分光装置13的框架133上，角度可以调节，以适应被测物的位置；其中M_a、M_d上装设的相移装置135驱动M_a、M_d作微小平移产生光波位相的均匀细微改变，在时间序列上采集多幅图像，即为时间相移过程，而M_b、M_c上装有步进电机驱动装置134，能完成空间相移(转动步进电机时，带动M_b、M_c作微小偏转，产生均匀的空间载波，利用载波调制变形条纹，即为空间相移过程)。

本发明的干涉仪中，

采用632.8nm红光气体激光器作为光源，体积小巧，可固定在仪器底座上，可以使整台仪器结构更为紧凑。

采用小直径高折射率的过球面扩束镜，从而可使激光扩散面积较大，如1m处，可以测量的面积为300mm。

采用机械旋转挡格装置，使得U和V场独立分离出来。

直接获取U和V场变形信息，所用软件可以实现计算机自动采集、计算及图像后处理。

此外，采用了200大直径、精密非球面镜代替传统的球面准直镜作为获取高质量准直光的光学部件，成功的消除了像差，提高了干涉仪的测量精度和灵敏度。整台干涉仪器显得轻型、紧凑，刚度高，便于携带。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (7)

1、一种二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

该云纹干涉仪包括底座、激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均依次置于光路中，激光器发出的光依次经过扩束镜、非球面分光装置后投射到被测物上，激光器、扩束镜、非球面分光装置、被测物均设于底座上。

2、如权利要求1所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的非球面分光装置还包括一非球面镜、八只全反射镜、外框，八只全反射镜置于非球面镜之后并固定于外框上。

3、如权利要求2所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的八只全反射镜均呈两两相对固定于非球面镜后。

4、如权利要求2或3所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的八只全反射镜中，垂置固定于全反射镜后的的两只全反射镜分别通过步进电机驱动装置来调节全反射镜的俯仰角，以及通过时间相移装置来调节该全反射镜的位移量。

5、如权利要求1所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的干涉仪还包括一光路提升机构，光路提升机构含有提升架和提升反射镜，提升架置于底座上，光路提升机构置于激光器与扩束镜之间。

6、如权利要求5所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的提升反射镜包括两只反射镜，两只反射镜的位置和角度均是可调的。

7、如权利要求1、2、5任一项所述的二维相移云纹干涉仪，

其特征在于：

所述的扩束镜通过升降杆置于底座上。