CN200958940Y - 基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及了一种基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统。它由一个激光器、一个带有CCD摄像机的图像接收系统和一个分光和相移系统组成，分光和相移系统是一个Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统。通过光纤出口端的组合照射器上的遮挡开关的选择，可以实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。本实用新型结构合理紧凑，操作简便，适用于物体表面的准实时三维变形测量。

Description

基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学测量三维物体表面变形系统，特别是一种基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统。

背景技术

随着工作的发展，人们对材料受力后，产生的变形、应力、应变等性能参数的研究要求也不断提高。从过去的只能应用于物体点测量的金属应力量表到可以测量物体面区域的散斑技术的应用。利用散斑技术对物体进行两维或三维的变形测量的硬件系统和变形处理等算法处理方面已经有许多方法。

在国内目前的文献记载中，电子散斑干涉技术测量物体表面三维变形系统的技术为：采用三个激光器从三个不同的方向照射以提供照射光源，照射被测物体和它的旁侧放置的参考物。用一个PZT相移器推动粘贴在参考物上面的三个反射镜，用于提供对应三束物光相干涉的参考光并引入相移。在CCD摄像机前放置大错位棱镜，使物体表面信息和参考物上的信息都进入CCD中，结合四步相移技术，三个激光器依次分别照射被测物，对所采集的散斑图进行运算并分离可获得三个独立的变形场。但这种系统由于激光器的数量多，结构庞大，参考物上的三个平面镜方向调整困难，且由于大错位棱镜的分离效果可能影响散斑图像质量，并且此系统不能单独进行一维或二维的测量。

在专利US 6188483 B1中，测量三维物体表面变形的系统中，利用一个激光器提供光源，利用分光镜和反光镜特性，进行分光、传光。将两个双光束电子散班干涉系统和一个离面变形检测系统结合到一个系统中，分别依靠出射的四束激光束完成面内变形检测，并利用四束激光中的一束和内部另一束光束构成离面变形检测系统。将变形前后获得的电子散斑图运用直接相减算法进行处理后，得到三维变形数据。此系统可以单独进行一维、二维或三维变形的测量。缺点是采用分立的元件进行分光、传光，光学器件繁多，光学器件位置放置精度要求高，系统调试要求精度高，调整操作困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对已有技术中存在的缺陷，提供一种改进的基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统，结构简单，操作方便，并能保证测量精度。

为了达到上述目的，本实用新型的构思是：

本实用新型主要针对硬件系统进行了改进和创新，采用两根Y型光纤进行分光、传光，通过光纤出射端口发散角参数的预定，可以直接得到满足系统要求的发散光束，无需扩束器件。为了提高变形测量精度，仍采用四步相移算法，但采用新颖的引入相移结构(如图2所示)，通过一个PZT相移器便可获得所需的引入相移的三束激光束。因此，系统整体结构简便，调试操作方便，由于遮挡开关的使用，此系统可以单独进行一维、二维或三维变形的测量，并使对图像后期处理的软件结构简单，并保证了测量精度。

根据上述的实用新型构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统，由一个提供光源的激光器、一个带有CCD摄像机的图像接收系统和一个分光和相移系统组成，其特征在于所述的分光和相移系统是一个Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统；所述的Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统的结构是：来自所述的激光器的光束，从左边入射一个分光镜，该分光镜的右边固定一个带有PZT的三角棱镜，该分光镜的左侧面和前侧面分别各安置一个光纤调整架，两个光纤调整架分别各连接一个Y型光纤，两个Y型光纤的四个输出端分别连接四个组合照射器，四个组合照射器对准被测物体表面；所述的带有CCD摄像机的图像接收系统的结构是：所述的分光镜的后侧面依次安置一个遮挡开关、一个扩束准直镜和一个处于CCD摄像机与CCD镜头之间的分光镜，CCD镜头对准被测物体表面。

上述的带有PZT的三角棱镜的结构是：一个三角棱镜夹持在一个棱镜支架上，而棱镜支架粘贴在一个PZT相移器的侧面。

上述的组合照射器的结构是：所述的Y型光纤的输出端连接一个光纤调整架，其出射光束依次经排列安置的一个衰减片、一个遮挡开关、一个凹透镜和一个可变光阑后照射被测物体表面。

本实用新型与现有三维电子散斑变形检测系统相比较，具有如下显而易见的特点和优点：本实用新型系统中采用了一个能量分光镜和带有PZT相移器的三角棱镜的组合结构，并采用Y型结构的光纤分光，由此，我们通过一个PZT相移器便可得到满足实验要求的三束可以引入相移的激光光束。通过Y型光纤的分光，便可得到系统所需的三对相干光束。本实用新型所需光学器件少，结构合理紧凑，操作简便，适用于物体表面的近似实时三维变形测量。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的系统结构示意图。

图2是图1示例中的相移结构示意图。

图3是图1示例中的组合照射器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的一个优选实施例是：参见图1和图2，本基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统由一个提供光源的激光器1、一个带CCD摄像机的图像接收系统和一个分光和相移系统组成，所述的分光和相移系统是一个Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统。

上述的Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统的结构是：来自所述的激光器1的光束，从左边入射一个分光镜6，该分光镜6的右边固定一个带有PZT的三角棱镜7，该分光镜6的左侧面和前侧面分别各安置一个光纤调整架2、3，两个光纤调整架2、3分别各连接一个Y型光纤4、5，两个Y型光纤4、5的四个输出端分别连接四个组合照射器13、14、15、16，四个组合照射器13、14、15、16对准被测物体表面。

参见图2，上述的带有PZT的三角棱镜7的结构是：一个三角棱镜20夹持在一个棱镜支架19上，而棱镜支架19粘贴在一个PZT相移器18的侧面。

参见图3，上述的组合照射器13、14、15、16在结构是：所述的Y型光纤4、5的输出端连接一个光纤调整架21，其出射光束依次经排列安置的一个衰减片22、一个遮挡开关、一个凹透镜24和一个可变光阑后照射被测物体表面。

参见图1，上述的带有CCD摄像机的图像接收系统的结构是：所述的分光镜6的后侧面依次安置一个遮挡开关8、一个扩束准直镜9和一个处于CCD摄像机10与CCD镜头12之间的分光镜11，CCD镜头12对准被测物体表面。

上述的Y型光纤4、5是一个1分2的光纤耦合器，又称分歧器，是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，本实用新型主要应用它在系统中进行分光、传光。本系统中，两支光纤耦合器均采用标准耦合器(双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率)。通过烧结方式的制作法，将两条光纤并在一起烧融拉抻，使核芯聚合一起，以达光耦合作用。通过调整拉锥的长度，以及对烧结温度的控制，实现光纤分光的能量比例，以达到本系统对两分支光束能量的比例接近1∶1的要求。

本实用新型的工作原理

如图1所示，分光镜6将激光器1产生的激光束分为透射和反射两束激光束后，反射光束直接通过光纤耦合器3进入Y型光纤5的入射端口，并经由Y型接口分为两束激光分别传输到组合照射器15和16(图3所示)。透射光束经由带有PZT相移器结构7(图2所示)的三角棱镜20的反射后，水平返回能量分光镜6，并再次分为透射和反射两束激光。此时，两激光束都是已经引入相移的光束。其中，反射光束经由遮挡开关8，通过光束扩展器9后，进入能量分光镜11，获取的反射光束直接进入CCD靶面10。而透射光束通过光纤耦合器2进入Y型光纤4的入射端口，同样经由Y型接口分为两束激光分别传输到组合照射器13和14。其中，14和15对称分布于物体表面法线两侧并在同一水平面内，13和16对称分布于物体表面法线两侧并在同一竖直面内。

上述获取相移相干光束的结构原理(图2所示)是：将PZT相移器18可移动的一端面固定支柱平面上后，另一端粘贴上塑料(便于弹性夹持)棱镜夹具19，然后将三角棱镜20卡在夹具内，这样可以利用三角棱镜的直角反射面进行两次反射，得到平行的返回光束。在带有PZT相移器的三角棱镜结构7左面，放置一个能量分光镜6。光束从左至右进入分光镜6时，获取透射和反射两束光束。反射光束经由光纤调整器3进入Y型光纤5内，获得两束没有引入相移的光束；透射光束经由三角棱镜结构7的两次反射，返回分光镜6，再次产生透射和反射，此次透射光束经光纤调整器2进入Y型光纤4分束，获得两束引入相移的光束，同时反射光束也被引入相移。经过此结构，共获得五束激光光束，通过遮挡开关的开关，获取满足系统要求的三对相干光束。

上述组合照射器的结构原理(图3所示)是：将光纤的输出端口固定在光纤调整架21上，激光光束经过衰减片22调整光强，然后通过遮挡开关23，进入凹透镜24，进行扩束，最后通过可变光阑25照射到物体17上。根据测量变形分量的先后顺序，通过对13、14、15、16组合照射器内的遮挡开关23的开关，实现三维变形测量。

测量过程是：首先进行面内竖直方向的变形测量时，开启组合照射器13和16内的遮挡开关23，同时关闭组合照射器14和15内的遮挡开关23，并关闭遮挡开关8；然后进行面内水平方向的变形测量时，开启组合照射器14和15内的遮挡开关23，同时关闭组合照射器13和16内的遮挡开关23，并关闭遮挡开关8；最后，只开启遮挡开关8和组合照射器15内的遮挡开关23，构成离面测量系统，进行离面方向的变形测量；此时，便可获得用于三维变形测量的数据。

Claims (3)

1.一种基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统，由一个提供光源的激光器(1)、一个带有CCD摄像机的图像接收系统和一个分光和相移系统组成，其特征在于所述的分光和相移系统是一个Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统；所述的Y型光纤和分光镜分光及三角棱镜相移系统的结构是：来自所述的激光器(1)的光束，从左边入射一个分光镜(6)，该分光镜(6)的右边固定一个带有PZT的三角棱镜(7)，该分光镜(6)的左侧面和前侧面分别各安置一个光纤调整架(2、3)，两个光纤调整架(2、3)分别各连接一个Y型光纤(4、5)，两个Y型光纤(4、5)的四个输出端分别连接四个组合照射器(13、14、15、16)，四个组合照射器(13、14、15、16)对准被测物体表面；所述的带有CCD摄像机的图像接收系统的结构是：所述的分光镜(6)的后侧面依次安置一个遮挡开关(8)、一个扩束准直镜(9)和一个处于CCD摄像机(10)与CCD镜头(12)之间的分光镜(11)，CCD镜头(12)对准被测物体表面。

2.根据权利要求1所述的基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统，其特征在于所述的带有PZT的三角棱镜(7)的结构是：一个三角棱镜(20)夹持在一个棱镜支架(19)上，而棱镜支架(19)粘贴在一个PZT相移器(18)的侧面。

3.根据权利要求1所述的基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形系统，其特征在于所述的组合照射器(13、14、15、16)的结构是：所述的Y型光纤(4、5)的输出端连接一个光纤调整架(21)，其出射光束依次经排列安置的一个衰减片(22)、一个遮挡开关、一个凹透镜(24)和一个可变光阑后照射被测物体表面。

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