CN216792690U - 散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，包括第一激光器、第二激光器、第一分光镜、第二分光镜、会聚透镜、针孔、第一平面镜、第二平面镜、第三分光镜和相机组成。本实用新型测量装置采用双波长，实现光路复用，结构节凑，适合集成化，简单和实用，且位移测量范围相比于单波长而言更大。

Description

散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量的技术领域，具体是一种散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置。

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测量，往往需要三套数字全息装置，每一套负责一个维度位移的测量。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。同时，单波长全息的测量范围有限，通常在百纳米级，单波长全息方法对于测量范围要求更高的场合失效。

在公开号为CN102967261A的专利文献中公开了一种基于数字散斑相关法的新型激光位移测量方法，具体为：激光经聚焦垂直入射移动中的被测物体表面；接收被测物体表面入射光点处的散射光，并通过成像透镜成像在CCD的敏感面上得到散射光斑；当散射光斑的信号带宽小于等于带宽阈值时，则表明被测物体表面为弱散射界面，采用平均加权重心法测量散射光斑在CCD上的位移；当散射光斑的信号带宽大于带宽阈值时，则表明被测物体表面为强散射截面，采用相关法测量散射光斑在CCD上的位移；根据散射光斑在CCD上的位移计算被测物体的位移。

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。

因此，如何通过一个简单的装置快速简便的获得物体更大测量范围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范围三维位移紧凑型测量装置。

根据本实用新型提供的一种散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，包括第一激光器、第二激光器、第一分光镜、第二分光镜、会聚透镜、针孔、第一平面镜、第二平面镜、第三分光镜和相机；

第一分光镜正对第一激光器和第二激光器的激光发射口将两束激光进行合束，第二分光镜位于第一分光镜的合束光路上，会聚透镜、针孔和第一平面镜依次排成一排并位于第二分光镜的反射光路上，第二平面镜位于第一平面镜的反射光路上，第三分光镜位于第二分光镜的透射光路与第二平面镜的反射光路的交叉位置处，待测物体位于第三分光镜的透射光路上，相机位于待测物体的反射光与第二平面镜的反射光在第三分光镜的合束光路上。

优选地，所述第二分光镜和会聚透镜之间设置有中性衰减片。

优选地，所述第三分光镜和待测物体之间设置有成像透镜。

优选地，所述第二平面镜和第三分光镜之间设置有相移装置。

优选地，所述第二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，偏振分光镜位于第二分光镜的位置处，第一半波片设置于第一分光镜和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和会聚透镜之间。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型测量装置解决了现有三维矢量位移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；

2、本实用新型采用双波长的光路结构，实现光路复用，能够有效扩大离面方向位移的测量范围；

3、本实用新型测量装置与现有的测量装置相比，结构设计更加科学合理，使用更加简单方便，设计的光路更加紧凑，更适合集成化；

4、本实用新型测量装置采用单透镜，既实现了光斑放大，又实现了成像功能。可以根据实际需求放大光斑，实现更大光斑的测量范围。

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大范围三维位移紧凑型测量装置示意图；

图2为本实用新型实施例1中的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置的结构图；

图3A为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第一激光器照射下的全息图；

图3B为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第二激光器分别照射下的全息图；

图4A为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移后由第一激光器照射下的全息图；

图4B为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移后由第二激光器照射下的全息图；

图5为本实用新型实施例1中待测物体位移前的双波长合成包裹相位图；

图6为本实用新型实施例1中待测物体沿着光轴z方向的测量结果图；

图7A为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第一激光器照射下的强度图；

图7B为本实用新型实施例1中CCD记录的待测物体位移前由第二激光器照射下的强度图；

图8A为本实用新型实施例1中待测物体沿着垂直光轴的x方向的面内位移的测量结果图；

图8B为本实用新型实施例1中待测物体沿着垂直光轴的y方向的面内位移的测量结果图；

图9为本实用新型实施例2中的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置结构图；

图10为本实用新型中偏振分光单元的内部结构图；

图11为本实用新型实施例3中的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置结构图；

图12为本实用新型实施例4中的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置结构图。

其中：

第一激光器 1 相机 11

第二激光器 2 中性衰减片 12

第一分光镜 3 成像透镜 13

第二分光镜 4 偏振分光单元 14

会聚透镜 5 第一半波片 141

针孔 6 偏振分光镜 142

第一平面镜 7 第二半波片 143

第二平面镜 8 分光平板 15

第三分光镜 9 相移装置 16

待测物体 10

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范围三维位移紧凑型测量装置、方法及介质。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大范围三维位移紧凑型测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、第二分光镜4、会聚透镜5、针孔6、第一平面镜7、第二平面镜8、第三分光镜9、待测物体10、相机11、中性衰减片12、和成像透镜13。

第一激光器1产生激光1a，第二激光器2产生激光2a，激光1a和激光2a输入至第一分光镜3后进行合束。

第一激光器1和第二激光器2采用的是相干光源，在本实用新型具体设计中，第一激光器1提供中心波长在532nm的空间光，第二激光器2提供中心波长在526.5nm的空间光。

第一分光镜3、第二分光4和第三分光镜9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4和第三分光镜9的结构和作用相同，这里以第二分光镜4为例进行说明。第二分光镜4用于接收第一分光镜3合束后的空间光3a，将其分为空间光4a和4b输出。其中透射光4b进入测量光路，反射光4a进入参考光路。

中性衰减片12用于调节参考光路的强弱，进而调整测量光和参考光的光强比，获得高质量的全息图。

会聚透镜5和针孔6共同组成了空间滤波单元。会聚透镜5将经过中性衰减片12 衰减的空间光5a会聚于一点，在该会聚点设置针孔消除杂散光使该点更接近理想的点光源，其中会聚透镜的前焦点与该点重合。

第一平面镜7和第二平面镜8用于反射光束，使光传播方向发生偏转。本实施例中的第一平面镜7和第二平面镜8的结构相同，第一平面镜7用来将空间滤波单元出来的参考光7a在空间上偏转约90°，使其经过第二平面镜8后再反射。采用离轴数字全息结构，第二平面镜8用于调整参考光和测量光束的夹角。

成像透镜13的作用是放大与成像。首先透射过第三分光镜9的空间光11a经过成像透镜13后会使光斑放大，从而提高光斑覆盖待测物体10的范围，接着携带目标信息的测量光12b经过成像透镜13后在其后方成像，经过第三分光镜9反射后被相机11记录。

相机11用于记录全息图。该相机11包括但不限定于CCD或CMOS等。

本实施例中，由第二分光镜4透射过的空间光4b经第三分光镜9、成像透镜13、待测物体10后再反射经过成像透镜13、第三分光镜9。这部分可以称为测量光束。

本实施例中，由第二分光镜4反射后的空间光4a经中性衰减片12、会聚透镜5、针孔6、第一平面镜7、第二平面镜8、第三分光镜9。这部分可以称为参考光束。

参考光束与测量光束发生干涉，形成的全息图由相机11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大范围三维位移紧凑型测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到第二分光镜4后会分成两束光：其中一束光4b透射过第三分光镜9后成为11a，经成像透镜13放大光斑后照射待测物体10，待测物体10表面反射回来的光12b再经过成像透镜13聚焦后，被第三分光镜9反射到数字相机11的感光面，被相机11记录；另一束反射光4a经过中性滤光片12衰减光强后，通过会聚透镜5汇聚光，在光的汇聚点放置针孔6能够有效提升光束质量得到7a，然后7a经过第一平面镜7反射和第二平面镜8反射后成为9a到达第三分光镜9，9a透射过第三分光镜9后到达相机11的感光面，与测量光束进行干涉，被相机11记录。

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14来替换实施例1中的第二分光镜4。

如图9所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、偏振分光单元14、中性衰减片12、会聚透镜5、针孔6、第一平面镜7、第二平面镜8、第三分光镜9、待测物体10、相机11和成像透镜13。

偏振分光单元14的内部结构如图10所示，包括第一半波片141，偏振分光镜142 和第二半波片143。

偏振分光单元14用于接收从第一分光镜3合束后出射的光源3a，将其分为空间光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。

第一分光镜合束后的激光3a入射到偏振分光单元14后被分为偏振方向正交的两束光：反射光和透射光；其中反射光经过第二半波片143后成为4a进入参考光路，透射光4b进入测量光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元14中的第一半波片141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束和参考光束的光强比的功能，获得高质量的全息图。通过旋转第二半波片143，使测量光束4a和参考光束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大范围三维位移紧凑型测量装置的光路工作原理：第一激光器1产生激光1a，第二激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到偏振分光单元14后会分成两路光强比可调的光：其中一束光4b透射过第三分光镜9后成为11a，经成像透镜13放大光斑后照射待测物体10，由待测物体10表面反射回来的光12b再经过成像透镜13聚焦后，被第三分光镜9反射到相机11的感光面，被相机11记录。另一束反射光4a经过中性衰减片12衰减光强后，通过会聚透镜 5汇聚光，在光的汇聚点放置针孔6能够有效提升光束质量得到7a，然后7a经过第一平面镜7反射和第二平面镜8反射后成为9a到达第三分光镜9，9a透射过第三分光镜 9后到达相机的感光面，与测量光束进行干涉，被相机11记录。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中采用分光平板15来替换实施例1中的第三分光镜。

如图11所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、偏振分光单元14、中性衰减片12、会聚透镜5、针孔6、第一平面镜7、第二平面镜8、分光平板15、待测物体10、相机 11和成像透镜13。

分光平板15的作用在于将待测物体10反射回来的测量光束13a和参考光束9a进行干涉并进行合束。

本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到第二分光镜4后会分成两束光：其中一束光4b透射过分光平板15后成为11a，经成像透镜13放大光斑后照射待测物体10，待测物体10表面反射回来的光12b再经过成像透镜13聚焦后，被分光平板15反射到数字相机11的感光面，被相机11记录；另一束反射光4a经过中性衰减片12衰减光强后，通过会聚透镜5汇聚光，在光的汇聚点放置针孔6能够有效提升光束质量得到7a，然后7a经过第一平面镜7反射和第二平面镜8反射后成为9a到达分光平板15，9a透射过分光平板15后到达相机11的感光面，与测量光束进行干涉，被相机记录。

实施例4

与实施例1不同的是，本实施例中在参考光路的第一平面镜8和第三分光镜9之间加入相移装置16。

如图12所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移紧凑型测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、第二分光镜4、会聚透镜5、针孔6、第一平面镜7、第二平面镜8、第三分光镜9、待测物体10、相机11、中性衰减片12、成像透镜13和相移装置16。

相移装置16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大范围三维位移紧凑型测量装置的光路工作原理：激光器1产生激光1a，激光器2产生激光2a通过第一分光镜3后合束变成激光3a入射到第二分光镜4后会分成两束光：其中一束光4b透射过第三分光镜9后成为11a，经成像透镜13放大光斑后照射待测物体10，待测物体10表面反射回来的光12b再经过成像透镜13聚焦后，被第三分光镜9反射到相机11的感光面，被相机11记录；另一束反射光4a经过中性衰减片12衰减光强后，通过会聚透镜5汇聚光，在光的汇聚点放置针孔6能够有效提升光束质量得到7a，然后7a经过第一平面镜7反射和第二平面镜 8反射后成为9a，9a经过相移装置16移相后到达并透射过第三分光镜9后到达相机11 的感光面，与测量光束进行干涉，被相机记录。

本实用新型测量装置解决了现有三维矢量位移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；本实用新型采用双波长的光路结构，实现光路复用，能够有效扩大离面方向位移的测量范围；本实用新型测量装置与现有的测量装置相比，结构设计更加科学合理，使用更加简单方便，设计的光路更加紧凑，更适合集成化；本实用新型测量装置采用单透镜，既实现了光斑放大，又实现了成像功能。可以根据实际需求放大光斑，实现更大光斑的测量范围。

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范围三维位移紧凑型测量装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、会聚透镜(5)、针孔(6)、第一平面镜(7)、第二平面镜(8)、第三分光镜(9)和相机(11)；

第一分光镜(3)正对第一激光器(1)和第二激光器(2)的激光发射口将两束激光进行合束，第二分光镜(4)位于第一分光镜(3)的合束光路上，会聚透镜(5)、针孔(6)和第一平面镜(7)依次排成一排并位于第二分光镜(4)的反射光路上，第二平面镜(8)位于第一平面镜(7)的反射光路上，第三分光镜(9)位于第二分光镜(4)的透射光路与第二平面镜(8)的反射光路的交叉位置处，待测物体(10)位于第三分光镜(9)的透射光路上，相机(11)位于待测物体(10)的反射光与第二平面镜(8)的反射光在第三分光镜(9)的合束光路上。

2.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(4)和会聚透镜(5)之间设置有中性衰减片。

3.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，其特征在于，所述第三分光镜(9)和待测物体(10)之间设置有成像透镜。

4.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移紧凑型测量装置，其特征在于，所述第二平面镜(8)和第三分光镜(9)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范围三维位移紧凑型测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(4)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，偏振分光镜位于第二分光镜(4)的位置处，第一半波片设置于第一分光镜(3)和偏振分光镜之间，第二半波片设置于偏振分光镜和会聚透镜(5)之间。

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