CN1987342A

CN1987342A - 数字电子剪切散斑干涉仪

Info

Publication number: CN1987342A
Application number: CN 200610147704
Authority: CN
Inventors: 张熹; 陆鹏; 吴君毅; 夏远富; 艾钢; 曾宪友; 郑长江
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2007-06-27

Abstract

本发明公开一种数字电子剪切散斑干涉仪，包括一激光器、一扩束机构、一剪切镜、一剪切镜驱动机构、一偏振片、一数字化成像装置以及一计算机，其中剪切镜可更换为大剪切镜或小剪切镜；剪切镜驱动机构包括一水平位移装置和一垂直位移装置，其分别通过步进电机驱动，使剪切镜及偏振片沿平行和垂直于反射光束的方向移动，步进电机转动受所述计算机输出的脉冲控制。本发明的数字电子剪切散斑干涉仪实现了大、小电子散斑干涉仪一体化，并且具有自动化时空相移、高灵敏度、数字化等优点。

Description

数字电子剪切散斑干涉仪

技术领域

本发明涉及一种散斑干涉计量装置，尤其涉及一种数字电子剪切散斑干涉仪。

背景技术

电子剪切散斑干涉(Electronic Shearographic Speckle PatternInterferometry，ESSPI)是计算机图像处理、激光及干涉相结合的一种综合技术。剪切电子散斑干涉法的光路简单，该方法只需要一束相干光照明。通过剪切棱镜使散斑场在成像面上形成两个错位的散斑图样产生干涉，即物体的像错开成两个像。根据被测物体的像相对错开的大小，电子剪切散斑干涉可分为小剪切散斑干涉和大剪切散斑干涉。其中两个错位的像仍然大部分重合的叫小剪切，重叠的部分自相干，得到的是被测物物体错开的两个像重叠部分的离面变形梯度(导数或应变)的干涉条纹；若采用方解石等负晶体可以制成大错位的剪切棱镜，使得被测物体的像完全错开，此时需要引入参考物(也可以是参考光)，使参考物的像(其中之一)和被测物的像(与参考物最接近的像)重合干涉，可得到反映离面变形的干涉条纹，这是一种测量离面位移的方法。

剪切散斑干涉的应用十分广泛，由于光路中成像元件同轴，故错位散斑具有光路简单、调节便利、稳定性好等共同特点。但是，正是因为光路同轴，传统的加PZT相移器或载波片实现时空相移就十分困难，因而剪切散斑的数字化问题一直是研究的难点。申请人致力此方面的研究，目前已获得“具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪”(专利号ZL200420114712.8)和“大剪切电子散斑干涉仪”(专利号ZL200520040324.4)两项同时具备时间和空间相移功能的专利。前者为用于测量离面变形梯度的小剪切电子散斑干涉仪，后者为用于测量离面位移的大剪切电子散斑干涉仪，两种仪器均可以通过时空相移实现条纹数字化。

然而由于在实际测量中往往需要同时离面位移及梯度，因此分别使用小剪切电子散斑干涉仪和大剪切电子散斑干涉仪来分别获得两种测量数据显得十分不便。此外，这两种干涉仪采用手动驱动来实现时空相移，使测量过程繁琐耗时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种将大、小电子散斑干涉仪一体化的数字电子剪切散斑干涉仪。

在上述大、小剪切电子散斑干涉仪及晶体光学成像的公式推演中发现上述大、小剪切成像及时空相移可以统一，从而可将两种仪器合而为一，即大、小剪切一体化，这是本发明的基础。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种数字电子剪切散斑干涉仪，包括一激光器、一扩束机构、一剪切镜、一剪切镜驱动机构、一偏振片、一数字化成像装置以及一计算机，扩束机构位于激光器出射光束的光路上，剪切镜位于从被测物体表面反射的光束的光路上，剪切镜驱动机构与所述剪切镜相连并驱动剪切镜沿垂直于和平行于反射光束的方向位移，偏振片设置于从剪切镜出射的光束的光路上，数字化成像装置位于成像平面处，计算机与数字化成像装置连接；其中：

所述剪切镜为大剪切镜或小剪切镜；

所述剪切镜驱动机构包括一水平位移装置和一垂直位移装置，所述水平位移装置包括水平位移台、第一步进电机以及第一控制器，所述水平位移台承载所述剪切镜和偏振片，所述第一步进电机驱动剪切镜和偏振片沿平行于反射光束方向位移，所述第一控制器与第一步进电机电连接；所述垂直位移装置包括垂直位移台、第二步进电机以及第二控制器，所述垂直位移台垂直于水平面设置且与所述水平位移台相连，所述第二步进电机驱动水平位移台沿垂直于反射光束方向位移，所述第二控制器与第二步进电机电连接；所述第一控制器和第二控制器分别连接到所述计算机。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪还包括一用于在被测物体表面形成散斑的漫射元件，设于所述扩束机构的出射光路上。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述漫射元件由全息漫射片或双面细磨砂的毛玻璃构成。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述水平位移台包括一位于下层的不动层和一位于上层的可移动层，所述可移动层承载所述剪切镜和偏振片，所述第一步进电机设于所述不动层上，并与所述可移动层传动相连。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述垂直位移台包括一不动层和一可移动层，所述可移动层与所述水平位移台垂直连接，所述第二步进电机设于所述不动层上，并与所述可移动层传动相连。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述水平位移台还包括一遮挡物和一光电开关，所述遮挡物设于所述可移动层上，所述光电开关设于所述不动层上位于所述可移动层的行程终点处，且面向所述遮挡物，所述光电开关具有相对的发射极和接收极，发射极和接收极均与所述第一控制器电连接。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述垂直位移台还包括一遮挡物和一光电开关，所述遮挡物设于所述可移动层上，所述光电开关设于所述不动层上位于所述可移动层的行程终点处，且面向所述遮挡物，所述光电开关具有相对的发射极和接收极，发射极和接收极均与所述第二控制器电连接。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述激光器为外置式激光器。

上述的数字电子剪切散斑干涉仪中，所述扩束机构由过球面扩束镜构成。

本发明的数字电子剪切散斑干涉仪将大、小电子散斑干涉仪一体化，并且相比现有技术具有如下显著优点：

1.通过更换剪切棱镜，使得大、小剪切功能在一台测量仪器上实现；

2.通过步进电机驱动高精密的平动台实现时空相移的自动化控制；

3.采用漫射元件形成均匀的人工散斑，使得被测物照度均匀并可调，大幅提高条纹的清晰度；

4.采用激光光源外置技术，使得光路调节变得简单，且可根据实际情况更换光源；

5.采用光电式限位开关规定平台带动剪切棱镜的行程，以保护机械及光学部件；

本发明的数字电子剪切散斑干涉仪为工程中测量结构位移场提供了一种高灵敏度、非接触、全场、数字化的工具。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的特征和优点，其中：

图1是本发明的数字电子剪切散斑干涉仪的整体结构示意图；

图2是图1所示数字电子剪切散斑干涉仪的剪切镜驱动机构示意图；

图3是图2所示剪切镜驱动机构的俯视图；

图4是图2所示电子开关的结构示意图；

图5是本发明的数字电子剪切散斑干涉仪的用作小剪切干涉仪的使用状态示意图；

图6是本发明的数字电子剪切散斑干涉仪的用作大剪切干涉仪的使用状态示意图。

具体实施方式

本发明的数字电子剪切散斑干涉仪包括激光器1、位于激光器1出射光束的光路上的扩束镜2、位于从被测物体4表面反射的光束的光路上的剪切镜5、一与剪切镜相连的剪切镜驱动机构6、设置于从剪切镜5出射的光束的光路上的偏振片7、位于成像平面处的数字化成像装置8、以及一与数字化成像装置8连接的计算机10。这些部件均设于一个水平的基座100上，下面分别对各部件进行说明：

激光器1可采用体积小、功率大、单模输出的532nm泵浦固体绿激光器，激光器的入射角度可以调整以适应光路调节。作为扩束机构的扩束镜2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。在扩束镜的出射光路上，还可设置一个漫射元件3，例如采用全息漫射片(Holographic Diffusers)形成均匀的人工散斑，使得被测物4照度均匀并可调，大幅提高条纹的清晰度。另外，为降低成本，可采用双面细磨砂的毛玻璃来代替全息漫射片。

剪切镜5是实现成像错开的主要光学元件，在本发明中，剪切镜5可以根据大、小剪切干涉的需要，选择大剪切镜或者小剪切镜。同时出于方便，偏振片7可以与剪切镜5绑定在一起，即两者可以无相对距离地靠在一起(图中为了示意而将二者分开)，更换时作为一个整体一起更换。剪切镜驱动机构6驱动剪切镜5沿垂直于和平行于反射光束的方向位移，以实现时间相移和空间相移，其具体结构如下：

如图2和图3所示，剪切镜驱动机构6包括一水平位移装置61和一垂直位移装置62。水平位移装置61包括水平位移台611、第一步进电机612、以及第一控制器613(图4)，其中水平位移台611又可分为下层的不动层611a和上层的可移动层611b，可移动层611b用于承载剪切镜5和偏振片7，不动层611a上设有第一步进电机612，不动层611a内穿设有与第一步进电机612的电机轴(图未示)相连的连轴部件612a。第一控制器613与计算机10连接，由计算机10控制输出一定的脉冲经第一控制器613来驱动第一步进电机612转动，通过电机轴及连轴部件612a，将步进电机612的转动动作转换成可移动层611b的平动。为了达到更为精细的转动，每个脉冲经过细分，例如通常情况下计算机输出一个脉冲，步进电机转动1.8°，而在本实施例中，将一个脉冲所对应的角度进行除128的细分，此时计算机输出一个脉冲，步进电机612转动1.8°/128，这个角度对应可移动层611b(有固定的传动比)的一定平动距离，这样确定了输出的脉冲数量就可以确定平动的距离，本实施例中步进电机612转动一圈需要25600个脉冲，可以带动可移动层611b平移0.01毫米。由此通过第一步进电机612驱动可移动层611沿X轴方向(即平行于反射光束的方向)位移，从而带动剪切镜5和偏振片7沿X轴方向移动，实现空间相移。由于步进电机612驱动的精确性和可靠性，相比过去依靠人工调节螺旋结构实现更为方便、准确、可靠。

此外，为了保护机械及光学部件，在水平位移台611的可移动层611b上设有遮挡物614、并在不动层611b上位于可移动层611b的行程终点处设有光电开关615。较佳地，是在行程终点之前留有一定的余量距离。如图4所示，光电开关615呈F形状，其开口面向遮挡物614，并在开口内相对设有发射极615a和接收极615b，发射极615a和接收极615b均与第一控制器613电连接。当可移动层611b带动遮挡物614移动到光电开关615处时，发射极615a和接收极615b间的红外光被遮挡，第一控制器613将控制第一步进电机612停止运动，起到限位作用。当需要位移剪切镜5时只要将两极的遮挡物614移开即可。

垂直位移装置62与水平位移装置61结构相似，包括垂直位移台621、第二步进电机622和第二控制器(图未示)，垂直位移台621垂直于水平面(即基座100)设置，其又可包括不动层621a和可移动层621b，其中可移动层621b与水平位移台61垂直相连，不动层621a上设有第二步进电机622，不动层621a内穿设有与第二步进电机622的电机轴(图未示)相连的连轴部件622a。第二控制器与计算机10(图1)相连，由计算机10控制输出一定的脉冲经第二控制器来驱动第二步进电机622转动，通过电机轴及连轴部件622a，将步进电机622的转动动作转换成可移动层621b的平动，再通过可移动层621b，带动整个水平位移台611沿Y轴方向(即垂直于反射光束的方向)移动，从而实现剪切镜5和偏振片7沿Y轴方向的移动，实现时间相移。第二步进电机622的控制过程与第一步进电机612相同，因此不再赘述。

同样，在垂直位移台621上也设有遮挡物624和光电开关625，以保护机械及光学部件。

此外，不动层621a上设有开窗口621c，以使从偏振片7出射的光束通过，进入数字化成像装置8的变焦成像镜81，从变焦成像镜81出射的光束在成像元件82形成干涉图像，并将图像数字化后输入计算机10进行后续处理。数字化成像装置8可采用变焦镜和CCD或CMOS等成像元件结合的方式，也可以直接采用数码相机。

在结构设置方面，上述的数字电子剪切散斑干涉仪的基座100可设于大型三角架上或者防振台上，仪器整体可以调节中心高，并调节水平。在一个实施例中，激光器1可作为光源单独安装在基座100上以便于调节和更换。激光器1还可与扩束镜2和漫射元件3形成一个整体光源部分，而剪切镜5、剪切镜驱动机构6、偏振片7、数字化成像装置8形成一个成像部分。光源部分和成像部分均用可调节升降的杆件支撑在基座100上。光源部分可以转动，并装在独立的盒子中以方便的更换并散热防尘。这种激光光源外置技术，使得光路调节变得简单，且可根据实际情况更换光源。

图5是本发明的数字电子剪切散斑干涉仪的用作小剪切干涉仪的使用状态示意图；图5中为使光路清楚，省去了剪切镜驱动机构6。如图5所示，通过小剪切镜5a使散斑场在数字化成像装置8的成像面上形成两个错开Δd1的散斑图样并产生干涉，得到的是被测物物体错开的两个像重叠部分的离面变形梯度(导数或应变)的干涉条纹。

图6是本发明的数字电子剪切散斑干涉仪的用作大剪切干涉仪的使用状态示意图。图6中引入了参考物4a，同时为使光路清楚，省去了剪切镜驱动机构6。如图6所示，通过大剪切镜5b使散斑场在数字化成像装置8的成像面上形成两个完全错开(距离Δd2)的散斑图样并产生干涉，可得到反映离面变形的干涉条纹。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims

1.一种数字电子剪切散斑干涉仪，包括一激光器、一扩束机构、一剪切镜、一剪切镜驱动机构、一偏振片、一数字化成像装置以及一计算机，扩束机构位于激光器出射光束的光路上，剪切镜位于从被测物体表面反射的光束的光路上，剪切镜驱动机构与所述剪切镜相连并驱动剪切镜沿垂直于和平行于反射光束的方向位移，偏振片设置于从剪切镜出射的光束的光路上，数字化成像装置位于成像平面处，计算机与数字化成像装置连接；其特征在于，

所述剪切镜为大剪切镜或小剪切镜；

2.如权利要求1所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，还包括一用于在被测物体表面形成散斑的漫射元件，设于所述扩束机构的出射光路上。

3.如权利要求2所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述漫射元件由全息漫射片或双面细磨砂的毛玻璃构成。

4.如权利要求1所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述水平位移台包括一位于下层的不动层和一位于上层的可移动层，所述可移动层承载所述剪切镜和偏振片，所述第一步进电机设于所述不动层上，并与所述可移动层传动相连。

5.如权利要求1所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述垂直位移台包括一不动层和一可移动层，所述可移动层与所述水平位移台垂直连接，所述第二步进电机设于所述不动层上，并与所述可移动层传动相连。

6.如权利要求4所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述水平位移台还包括一遮挡物和一光电开关，所述遮挡物设于所述可移动层上，所述光电开关设于所述不动层上位于所述可移动层的行程终点处，且面向所述遮挡物，所述光电开关具有相对的发射极和接收极，发射极和接收极均与所述第一控制器电连接。

7.如权利要求5所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述垂直位移台还包括一遮挡物和一光电开关，所述遮挡物设于所述可移动层上，所述光电开关设于所述不动层上位于所述可移动层的行程终点处，且面向所述遮挡物，所述光电开关具有相对的发射极和接收极，发射极和接收极均与所述第二控制器电连接。

8.如权利要求1所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述激光器为外置式激光器。

9.如权利要求1所述的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述扩束机构由过球面扩束镜构成。