CN216792689U - 散射光场全息三维位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种散射光场全息三维位移测量装置，属于光学精密测量技术领域。本实用新型装置主要由激光器、扩束准直单元、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、平面镜和相机组成，实现高散射物体三维矢量位移的高速同步测量。

Description

散射光场全息三维位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量的技术领域，具体地，涉及散射光场全息三维位移测量装置。

背景技术

随着机械制造、半导体工业等行业精密加工技术的迅猛发展，相应的对于各类超精密器件或光学元件的工艺要求日益增加。对于许多要求各部件精准配合的场合，如航空航天、微型医疗机器人等，如何获得精密元件的位移或形变是一个非常关键的问题。

在现有的测量方法中，传统的接触式位移测量方法测量速度慢，而且会引入人为的受力干扰，也可能会因接触力而对物体表面造成磨损，因此不太适合精密元件的测量。在非接触测量方法中，数字全息技术具有无接触式测量、全场测量纳米级的高精度等优点，是一种十分理想的高精度位移检测手段。但是数字全息技术一般用于镜面表面物体的测量，对于散射表面的物体失效。同时，单一的数字全息装置并不适用于三维矢量位移的测量。若想实现同步三维矢量位移同步测量，往往需要三套数字全息装置，每一套负责一个维度形变的测量。然而，三套数字全息装置的安装较为复杂。同时信息的利用效率不高，只利用了相位图，而三个装置的强度图被全部丢弃。

此外，在现有光学测量方法中，数字图像相关方法因具有安装简单、测量指标和信息量丰富、可测材料类型众多、适合各个尺度和多种条件下的测量、精度高等综合优势而被广泛研究与应用。在实验力学领域，二维数字图像相关是一种广泛使用的方法，用于定量测量平面物体面内x与y方向的位移。它通过分析变形前后被测物表面的数字图像获得物体感兴趣区域的图像平面内位移和应变信息，并达到亚像素精度。但是，二维数字图像相关仅限于面内x与y方向位移的测量，无法获得光轴z方向的位移。

在公开号为CN109974591A的专利文献中公开了一种颗粒微小位移测量装置及测量细微颗粒产生位移的方法，激光器发射出的激光通过中间有小孔的第一反射镜，再透过斜槽表面聚焦在颗粒物质上，被激光束照射的样品颗粒产生的散射光入射分束器后，一分为二产生两束激光，一束光被光学分束器反射后入射到上方的第二反射镜后反射回分束器，之后透射过分束器由透镜聚焦被CCD相机接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的第三反射镜，之后反射回分束器后再次被反射，经过透镜聚焦到CCD相机上。CCD相机通过图像卡记录产生的激光散斑图，并传送到计算机进行相关数值计算处理。

全息方法可以获得物体表面的复波前信息，但是使用全息装置最大的问题就在于只能获取物体一个维度的位移量。对于物体三维位移的变化，那么就必须使用3 套全息装置。

因此，如何通过一个简单的装置快速简便的获得物体的三维矢量位移是一个亟待解决的问题。需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种散射光场全息三维位移测量装置。

根据本实用新型提供的一种散射光场全息三维位移测量装置，包括激光器、扩束准直单元、第一分光镜、平面镜、第二分光镜、第三分光镜和相机；

扩束准直单元正对激光器的出射口，第一分光镜正对扩束准直单元的激光输出，平面镜位于第一分光镜的反射光路上，第二分光镜位于第一分光镜的透射光路上，第三分光镜位于第二分光镜的反射光路与平面镜的反射光路的交叉位置处，待测物体位于第二分光镜的透射光路上，待测物体将照射在其表面的光反射后由第二分光镜反射，相机位于第三分光镜的合束光路上。

优选地，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

优选地，所述第二分光镜和第三分光镜之间设置有第一成像透镜，在平面镜和第三分光镜之间设置有第二成像透镜。

优选地，所述平面镜和第三分光镜之间设置有相移装置。

优选地，所述第一分光镜由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜之间。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致系统光路结构复杂、成本高的问题，高效地利用一套测量系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型散射光场全息三维位移测量装置示意图；

图2为本实用新型实施例1中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图；

图3为本实用新型实施例1中空间光滤波模块的示意图；

图4为本实用新型实施例1中扩束准直模块的示意图；

图5为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变前的干涉图；

图6为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变后的干涉图；

图7为本实用新型实施例1中经过形变前后两幅干涉图经过傅里叶变换的频谱结果图；

图8为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变前的相位图；

图9为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变后的相位图；

图10为本实用新型实施例1中沿着光轴方向位移测量结果图；

图11为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变前的强度图；

图12为本实用新型实施例1中CCD采集的物体形变后的强度图；

图13为本实用新型实施例1中垂直光轴的x方向位移的测量结果图；

图14为本实用新型实施例1中垂直光轴的y方向位移的测量结果图；

图15为本实用新型实施例2中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图；

图16为本实用新型实施例2中偏振分光单元的内部结构图；

图17为本实用新型实施例3中的散射光场全息三维位移测量装置的结构图。

其中：

激光器 1 相机 8

扩束准直单元 2 第一成像透镜 9

空间光滤波模块 201 第二成像透镜 10

扩束准直模块 202 偏振分光单元 11

第一分光镜 3 第一半波片 111

平面镜 4 偏振分光镜 112

第二分光镜 5 第二半波片 113

待测物体 6 相移装置 12

第三分光镜 7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型提供一种散射光场全息三维位移测量装置。本实用新型是基于散射光场测量技术，并结合二维数字图像相关技术，动态同步地测量物体的三维矢量位移。本实用新型可应用到镜面或者粗糙表面物体的位移测量中，实现物体三维矢量位移或形变的同步测量。

实施例1

如图2所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、第一分光镜3、平面镜4、第二分光镜5、被测物体6、第三分光镜7、相机8、第一成像透镜9和第二成像透镜10。

激光器1产生激光1a，激光1a输入至空间光滤波模块201。

激光器1采用的是相干光源，在本实用新型具体设计中，激光器1提供中心波长在532nm的空间光。

第一分光镜3、第二分光镜5和第三分光镜7是一种光学装置，能把光束一分为二，实现50％透射和50％反射。第一分光镜3，第二分光镜5和第三分光镜7的结构和作用相同，这里以第一分光镜3为例进行说明。第一分光镜3用于接收扩束准直模块202出射的准直平行光3a，将其分为平行光4a和4b输出。其中透射光4a进入测量光路，反射光4b进入参考光路。

空间光滤波模块201由空间滤波器和平凸透镜构成，内部结构如图3所示；其中空间滤波器由显微物镜MO和针孔PH组成。在空间光滤波单元2中，显微物镜将激光器1 发射的空间光1a会聚于一点，在该会聚点设置针孔PH消除杂散光使该点更接近理想的点光源，平凸镜L1的前焦点与该点重合，使出射光2a为平行光。

扩束准直模块202用于扩束并产生光强均匀的平行光。如图3所示，扩束准直模块202由2个平凸透镜组成，使出射光3a为光斑直径放大后的平行光。本实用新型中平凸透镜的焦距选择根据光斑放大需求确定。

平面镜4用于反射光束，使光传播方向发生偏转。平面镜4用来将第一分光镜3出来的参考光4b在空间上偏转约90°，使其经过平面镜4后再反射。采用离轴数字全息结构，平面镜4用于调整参考光和测量光束的夹角。

第一成像透镜9的作用是成像。携带目标信息的入射平行光5b经过第一成像透镜9后在其后方成像，被相机8记录。在本实用新型中，第一成像透镜9与第二成像透镜 10为相同参数透镜并且二者到相机的距离相同，用于补偿参考光路的光程，使干涉图中的干涉条纹清晰可见。

第二成像透镜10的作用是保证参考光波前与测量光波前的曲率一致。

相机8用于记录全息图。该相机8包括但不限定于CCD或CMOS等。

本实用新型中，由第一分光镜3发出的平行光4a经第二分光单元5、被测物体6再反射后经过第二分光单元5、第一成像透镜9和第三分光单元7。这部分可以称为测量光路。

本实用新型中，由第一分光镜3发出的平行光4b经平面镜4、第二成像透镜10和第三分光单元7，这部分可以称为参考光路。

参考光与测量光发生干涉，形成的全息图由相机8的感光面记录下来得到数字全息图。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波模块201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过第一分光镜3后变成两束光：其中一束经过第二分光镜5后照射被测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜5再反射成5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光 9a经过第三分光镜7，最终垂直照射数字相机的感光面8，被相机记录。另一束光经过平面镜4反射后再通过第二成像透镜10后到达第三分光镜7，参考光8a经过第三分光镜7反射后到达相机感光面，与测量光进行干涉，被相机8记录。

相机8分别记录待测物体6位移前后的全息图，利用记录的全息图进行光场解算，进而得到待测物体6位移前后待测物体6表面反射光场的强度图和相位图；将位移前后待测物体6表面反射光场的相位图相减得到相位差，进而计算出待测物体6沿光轴方向 z向的位移；对位移前后待测物体6表面反射光场的强度图进行处理，计算出待测物体 6在垂直光轴方向x向和y向的位移；结合x，y，z三个方向的位移便可得到待测物体的三维矢量位移。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中采用偏振分光单元11来替换实施例1中的第一分光镜3。

如图15所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、偏振分光单元11、第二分光镜5、待测物体6、平面镜4、第一成像透镜9、第二成像透镜10、第三分光镜7和相机8。

偏振分光单元11的内部结构如图16所示，包括第一半波片111，偏振分光镜112 和第二半波片113。

偏振分光单元11用于接收从扩束准直模块202出射的平行光3a，将其分为平行光4a和4b输出，并负责调节两路光的光强比，一般为1:5到5:1。

扩束准直单元202出射光3a入射到偏振分光单元11后被分为偏振方向正交的两束光：反射光4b和透射光4a；其中反射光4b经过第二半波片113后成为4b进入参考光路，透射光4a进入测量光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元11中的第一半波片111可以改变空间光4a和4b之间的光强比，一般为1:5-5:1，进而执行调整测量光和参考光的光强比的功能，获得高质量的全息图。通过旋转第二半波片113，使测量光4a和参考光4b的偏振方向一致，目的是使得二者能够进行干涉。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波单元201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过偏振分光单元11后变成两束光：其中一束透射过第二分光镜5后照射待测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜5再反射成为5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光9a透射过第三分光镜7，最终垂直照射相机8的感光面，被相机记录。另一束光经过平面镜4反射后再通过第二成像透镜10后到达第三分光镜7，参考光8a被第三分光镜7反射后到达相机感光面与测量光进行干涉形成全息图，被相机8记录。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中在参考光路的平面镜4和第三分光镜7之间加入相移装置12。

如图17所示，本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置包括：激光光源1、空间光滤波模块201、扩束准直模块202、第一分光镜3、第二分光镜5、被测物体 6、平面镜4、第一成像透镜9、第二成像透镜10、第三分光镜7、相机8和相移装置12。

相移装置12的作用在于对参考光进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取散射光场。

本实施例中所用的散射光场全息三维位移测量装置的光路工作原理如下：

激光光源1产生激光1a，激光1a通过空间光滤波模块201后变成平行光2a输入至扩束准直模块202进行扩束后成为平行光3a，3a经过第一分光镜3后变成两束光：其中一束经过第二分光镜5后照射被测物体6，物体表面反射回来的光6a经过第二分光镜再反射成5b，5b经过第一成像透镜9后在其后方成像。携带物体信息的测量光9a 经过第三分光镜7，最终垂直照射相机8的感光面，被相机记录。另一束光经过平面镜 4反射后再通过第二成像透镜10后经过相移装置12移相后到达第三分光镜7，参考光 8a经过第三分光镜7反射后到达相机感光面，与测量光进行干涉，被相机8记录。

本实用新型测量装置解决了现有三维矢量位移同步测量技术由于使用多套测量装置分别测量不同维度的位移，导致系统光路结构复杂、成本高的问题，高效地利用一套测量系统的全部信息，有效地降低了成本，大大简化了测量系统和操作过程的复杂度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束准直单元(2)、第一分光镜(3)、平面镜(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)和相机(8)；

扩束准直单元(2)正对激光器的出射口，第一分光镜(3)正对扩束准直单元的激光输出，平面镜(4)位于第一分光镜(3)的反射光路上，第二分光镜(5)位于第一分光镜(3)的透射光路上，第三分光镜(7)位于第二分光镜(5)的反射光路与平面镜(4)的反射光路的交叉位置处，待测物体(6)位于第二分光镜(5)的透射光路上，待测物体(6)将照射在其表面的光反射后由第二分光镜(5)反射，相机(8)位于第三分光镜(7)的合束光路上。

2.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元还包括空间滤波模块，所述空间滤波模块对激光器发生的光束进行空间整形。

3.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)和第三分光镜(7)之间设置有第一成像透镜，在平面镜(4)和第三分光镜(7)之间设置有第二成像透镜。

4.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述平面镜(4)和第三分光镜(7)之间设置有相移装置。

5.根据权利要求1所述的散射光场全息三维位移测量装置，其特征在于，所述第一分光镜(3)由偏振分光单元替代，偏振分光单元包括偏振分光镜、第一半波片和第二半波片组成，偏振分光镜位于第一分光镜的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元(2)和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和平面镜(4)之间。

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