CN216792691U - 散射光场全息范围三维位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种散射光场全息范围三维位移测量装置，本实用新型装置主要由第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、平面镜和相机组成，通过结合散射光场的全息测量和数字图像相关等技术，实现高散射物体三维矢量位移的动态测量。本实用新型测量装置采用双波长，实现光路复用，比现有的基于散射光场的三维位移与位移测量技术更简单和实用，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。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CN110608678A的专利文献中公开了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M-Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。

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测量装置，包括第一激光器、第二激光器、第一分光镜、扩束准直单元、第二分光镜、平面镜、第三分光镜、第四分光镜和相机；

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，扩束准直单元、第二分光镜、第三分光镜、待测物体依次排成一排位于第一分光镜的合束光路上，待测物体将照射在其表面的光反射后由第三分光镜反射，平面镜位于第二分光镜的反射光路上，第四分光镜位于第三分光镜和平面镜的反射光路的交叉位置处，相机位于第四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，所述第三分光镜和第四分光镜之间设置有第一成像透镜，所述平面镜和第四分光镜之间设置有第二成像透镜。

优选地，所述在平面镜和第四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：

1、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；

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。

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5A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5B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全息图；

图6A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6B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7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8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9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10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11为本实用新型实施例1中待测物体沿着垂直光轴的x,y方向的面内位移的测量结果图；

图12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测量装置的结构图；

图13为本实用新型实施例2中偏振分光单元的内部结构图；

图14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测量装置的结构图。

其中：

第一激光器1 第四分光镜9

第二激光器2 相机10

第一分光镜3 第一成像透镜11

扩束准直单元4 第二成像透镜12

空间光滤波模块401 偏振分光单元13

扩束准直模块402 第一半波片131

第二分光镜5 偏振分光镜132

平面镜6 第二半波片133

第三分光镜7 相移装置14

待测物体8

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大范围三维位移测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、第二分光镜5、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11和第二成像透镜12。

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，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、第二分光镜5、第三分光镜7和第四分光镜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5、第三分光镜 7和第四分光镜9的结构和作用相同，这里以第二分光镜5为例进行说明。第二分光镜 5用于接收扩束准直模块402出射的准直平行光4b，将其分为平行光5a和5b输出。其中透射光5a进入测量光路，反射光5b进入参考光路。

空间光滤波模块401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401中，显微物镜将经过第一分光镜合束后的空间光3a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，使经过平凸镜L1后的出射光为平行光。

扩束准直模块402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402由2个平凸透镜组成，使出射光4a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6用于反射光束，使光传播方向发生偏转。平面镜6用来将第二分光镜5出来的参考光5b在空间上偏转约90°，使其经过平面镜6后再反射。采用离轴数字全息结构，平面镜6用于调整参考光和测量光束的夹角。

第一成像透镜11的作用是成像。携带目标信息的入射平行光7b经过第一成像透镜11后在其后方成像，被相机10记录。在本实用新型中，第一成像透镜11与第二成像透镜12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，使全息图中的干涉条纹清晰可见。

第二成像透镜12的作用是保证参考光波前与测量光波前的曲率一致。

相机10用于记录全息图。该相机10包括但不限定于CCD或CMOS等。

本实用新型中，由第二分光镜5发出的平行光5a经第三分光单元7、待测物体8再反射后经过第三分光单元7、第一成像透镜11和第四分光单元9。这部分可以称为测量光路。

本实用新型中，由第二分光镜5发出的平行光5b经平面镜6、第二成像透镜12和第四分光单元9，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10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入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b， 4b经过第二分光镜5后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10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13来替换实施例1中的第二分光镜5。

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测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、偏振分光单元11、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11、第二成像透镜12和偏振分光单元13。

偏振分光单元13的内部结构如图13所示，包括第一半波片131，偏振分光镜132 和第二半波片133。

偏振分光单元13用于接收从扩束准直模块402出射的平行光4b，将其分为平行光5a和5b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402出射光4b入射到偏振分光单元13后被分为偏振方向正交的两束光：反射光5b和透射光5a；其中经过偏振分光镜132的反射光经过第二半波片133后成为5b进入参考光路，透射光5a进入测量光路。

本实施例中，通过旋转调节偏振分光单元13中的第一半波片131可以改变空间光5a和5b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133，使测量光5a和参考光5b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入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b， 4b经过偏振分光单元13后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后成为9b最终到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10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6和第四分光镜9之间加入相移装置14。

如图14所示，本实施例中所用的散射光场全息大范围三维位移测量装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第一分光镜3、空间光滤波模块401、扩束准直模块402、第二分光镜5、平面镜6、第三分光镜7、待测物体8、第四分光镜9、相机10、第一成像透镜11、第二成像透镜12和相移装置14。

相移装置14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入射到空间光滤波模块401后变成平行光4a输入至扩束准直模块402进行扩束后成为平行光4b， 4b经过第二分光镜5后变成两束光：其中一束经过第三分光镜7后照射待测物体8，物体表面反射回来的光8a经过第三分光镜7再反射成7b，7b经过第一成像透镜11后在其后方成像。携带物体信息的测量光11a经过第四分光镜9，最终垂直照射数字相机的感光面10，被相机记录。另一束光经过平面镜6反射后再通过第二成像透镜12后经过相移装置14移相后到达第四分光镜9，参考光12a经过第四分光镜9反射后到达相机感光面10，与测量光进行干涉，被相机10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；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。

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)、扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、平面镜(6)、第三分光镜(7)、第四分光镜(9)和相机(10)；

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，扩束准直单元(4)、第二分光镜(5)、第三分光镜(7)、待测物体(8)依次排成一排位于第一分光镜(3)的合束光路上，待测物体(8)将照射在其表面的光反射后由第三分光镜(7)反射，平面镜(6)位于第二分光镜(5)的反射光路上，第四分光镜(9)位于第三分光镜(7)和平面镜(6)的反射光路的交叉位置处，相机(10)位于第四分光镜的合束光路上。

2.根据权利要求1所述的散射光场全息范围三维位移测量装置，其特征在于，所述扩束准直单元(4)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范围三维位移测量装置，其特征在于，所述第三分光镜(7)和第四分光镜(9)之间设置有第一成像透镜，所述平面镜(6)和第四分光镜(9)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范围三维位移测量装置，其特征在于，所述在平面镜(6)和第四分光镜(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测量装置，其特征在于，所述第二分光镜(5)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(5)的位置处，第一半波片设置于扩束准直单元(4)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(6)之间。

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