專利名稱：新型三維電子散斑干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種旨在對(duì)結(jié)構(gòu)微變形全場(chǎng)同時(shí)測(cè)量的非接觸式光學(xué)測(cè)量 儀，尤其涉及一種新型三維電子散斑干涉儀背景技術(shù)早期的三維電子散斑干涉儀，例如申請(qǐng)人曾經(jīng)獲得授權(quán)的實(shí)用新型專利ZL200320109179. 1和ETTEMEYER公司的Q600等，均不能做到三維變形場(chǎng)的同時(shí)數(shù) 字化測(cè)量。前者是要加載一次，測(cè)量某一方向的變形，然后卸去載荷，轉(zhuǎn)換光路， 然后再加載，得到另一方向的變形，若三維變形則至少需要三次轉(zhuǎn)換，極為不方便， 而且載荷大小不可能精確復(fù)位，所以不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在某種載荷狀態(tài)下的全部變 化。后者主要為測(cè)量振動(dòng)的振型而設(shè)計(jì)(應(yīng)該可以測(cè)量位移)，但是將激光放置在 成像部件中心連線相交點(diǎn)的邊上，故該儀器計(jì)算位移時(shí)需要考慮偏移量，必然引入 這部分的計(jì)算誤差，還不具有時(shí)空相移功能，位移結(jié)果不能數(shù)字化輸出。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的任務(wù)是解決三維位移的同時(shí)數(shù)字化測(cè)量的難題，而提供的一種 新型三維電子散斑干涉儀，該新型三維電子散斑干涉儀不但實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)條紋的直接 獲得，還引入時(shí)空相移技術(shù)，將結(jié)果能數(shù)字化輸出，具有很高的靈敏度和精確度。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，包 括一儀器本體、分布在該儀器本體正面的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)和一大功率激光器及分 光光路、以及與所述CCD成像系統(tǒng)電連接的圖像處理電路；其中所述的三個(gè)CCD 成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布置在儀器本體的正面，其中兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)平行間隔設(shè)置， 另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位于兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中點(diǎn)的上方或下方；所述的大 功率激光器及分光光路布置在位于該三個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)位置，與另一個(gè) CCD成像系統(tǒng)同軸線；所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成
三等份，分別照射到三個(gè)CCD成像系統(tǒng)，與各個(gè)CCD成像系統(tǒng)輸出的物光干涉后進(jìn) 入圖像處理電路進(jìn)行圖像處理。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，還包括一載波片，在測(cè)試時(shí)設(shè)置在 大功率激光器及分光光路與被測(cè)物體之間。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的載波片是帶有精密步進(jìn)電機(jī) 的載波片。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的圖像處理電路由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布 置，其中有兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在下方左右兩邊、另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位 于有兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)的上方。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的各CCD成像系統(tǒng)包括一CCD、 一可自動(dòng)變焦成像鏡、 一分光方棱鏡、 一帶有PZT的全反射鏡、以及一擴(kuò)束鏡；所 述的分光方棱鏡設(shè)在中間，所述的高分辨率CCD和可自動(dòng)變焦成像鏡分別設(shè)在分光 方棱鏡的兩側(cè)，所述的帶有PZT的全反射鏡設(shè)在分光方棱鏡及擴(kuò)束鏡的相對(duì)位置； 所述的分光方棱鏡設(shè)在擴(kuò)束鏡的下方，與擴(kuò)束鏡相對(duì)設(shè)置；所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照 射到三個(gè)帶有PZT的全反射鏡上，再由帶有PZT的全反射鏡反射到擴(kuò)束鏡，并由擴(kuò) 束鏡擴(kuò)束后到分光方棱鏡，再由分光方棱鏡輸出到CCD中，與物光干涉后進(jìn)入圖像 處理電路。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的大功率激光器及分光光路包括 一大功率固體激光器、 一分光棱鏡、 一擴(kuò)束鏡、 一激光耦合及分光器；所述的大功 率固體激光器、分光棱鏡、和擴(kuò)束鏡順序間隔設(shè)置在同一條光路上；所述的激光耦 合及分光器與所述的分光棱鏡設(shè)置在同一條光路上;所述的大功率固體激光器輸出 激光到分光棱鏡，由分光棱鏡輸出兩路光， 一路經(jīng)激光耦合及分光器輸出到各CCD 成像系統(tǒng)；另一路經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束到被測(cè)物體。上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，還包括一載波片，在測(cè)試時(shí)設(shè)置在 大功率激光器及分光光路的擴(kuò)束鏡與被測(cè)物體之間；從分光棱鏡輸出的另一路光經(jīng) 擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的光場(chǎng)到載波片，并最終均勻照射在被測(cè)物體上，通過該載波片產(chǎn)生載 波條紋被CCD接收輸出到圖像處理電路。
上述新型三維電子散斑干涉儀，其中，所述的載波片是帶有精密步進(jìn)電機(jī) 的載波片。由于本實(shí)用新型采用了以上的技術(shù)方案，測(cè)試時(shí)只要對(duì)被測(cè)試件加載一次， 通過布置在儀器本體上上的三個(gè)CCD采集圖像，同時(shí)得到三幅圖像，通過圖像處理 并進(jìn)行位移場(chǎng)分離，可一次性得到三維(三個(gè)方向)的變形值。再加上大功率激光 器及分光光路的作用，可將圖像結(jié)果(變形條紋)轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際需要的數(shù)據(jù)。具 有操作簡單、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)。


本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步給出。 圖1是本實(shí)用新型三維電子散斑干涉儀的主視圖。圖2是本實(shí)用新型三維電子散斑干涉儀的CCD成像系統(tǒng)的參考光光路示意圖。 圖3是本實(shí)用新型三維電子散斑干涉儀的大功率激光器及分光光路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型三維電子散斑干涉儀的工作原理示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖l。本實(shí)用新型新型三維電子散斑干涉儀，包括一儀器本體1、分 布在該儀器本體正面的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)21、 22、 23和一大功率激光器及分光光 路3、以及與所述CCD成像系統(tǒng)和大功率激光器及分光光路電連接的圖像處理電路 4;所述的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布置在儀器本體的正面，其中兩個(gè)CCD成像 系統(tǒng)平行間隔設(shè)置，另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位于兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中點(diǎn)的上 方或下方。本實(shí)施例中，所述的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)21、 22、 23中是以兩個(gè)CCD成 像系統(tǒng)21、 22設(shè)置在下方左右兩邊、另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)23設(shè)置在位于兩個(gè)CCD 成像系統(tǒng)的中心的上方的形狀布置。所述的大功率激光器及分光光路3布置在位于 該三個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)位置，與另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)23同軸線。所述的從 大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照射到三個(gè)CCD 成像系統(tǒng)，與各個(gè)CCD成像系統(tǒng)輸出的物光干涉后進(jìn)入圖像處理電路進(jìn)行圖像處 理。 請(qǐng)參閱圖2。本實(shí)用新型新型三維電子散斑干涉儀中，所述的各CCD成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以其中CCD成像系統(tǒng)21進(jìn)行說明，該CCD成像系統(tǒng)21包括一高分 辨率CCD211、 一可自動(dòng)變焦成像鏡212、 一分光方棱鏡213、 一帶有PZT的全反射 鏡214、以及一擴(kuò)束鏡215;所述的分光方棱鏡213設(shè)在中間，所述的高分辨率 CCD211和可自動(dòng)變焦成像鏡212分別設(shè)在分光方棱鏡的兩側(cè)，所述的帶有PZT的 全反射鏡214設(shè)在分光方棱鏡213及擴(kuò)束鏡215的相對(duì)位置，本實(shí)施例是所述的分 光方棱鏡213設(shè)在擴(kuò)束鏡215的下方，與擴(kuò)束鏡相對(duì)設(shè)置，所述的帶有PZT的全反 射鏡214設(shè)在分光方棱鏡213的上方，與分光方棱鏡213相對(duì)。所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照 射到三個(gè)帶有PZT的全反射鏡上，再由帶有PZT的全反射鏡反射到擴(kuò)束鏡，并由擴(kuò) 束鏡擴(kuò)束后到分光方棱鏡，再由分光方棱鏡輸出到CCD中，與物光干涉后進(jìn)入圖像 處理電路。所述的擴(kuò)束鏡215設(shè)在中間，所述的高分辨率CCD211和可自動(dòng)變焦成 像鏡212分別設(shè)在擴(kuò)束鏡215兩側(cè)，所述的帶有PZT的全反射鏡214設(shè)在擴(kuò)束鏡 215的上方，所述的分光方棱鏡213設(shè)在擴(kuò)束鏡215的下方，與擴(kuò)束鏡215相對(duì)設(shè) 置；所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光照射到帶有PZT的全反射鏡上，再 由帶有PZT的全反射鏡反射到擴(kuò)束鏡，并由擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后到分光方棱鏡，再由分光 方棱鏡輸出到圖像處理電路。請(qǐng)參閱圖3。本實(shí)用新型新型三維電子散斑干涉儀中，所述的大功率激光器 及分光光路3包括一大功率固體激光器31、 一分光棱鏡32、 _擴(kuò)束鏡33、 一激光 耦合及分光器34。在具體測(cè)試中還包括一載波片4，在測(cè)試時(shí)設(shè)置在大功率激光器 及分光光路的擴(kuò)束鏡33與被測(cè)物體5之間。所述的大功率固體激光器、分光棱鏡、 和擴(kuò)束鏡順序間隔設(shè)置在同一條光路上;所述的激光耦合及分光器與所述的分光棱 鏡設(shè)置在同一條光路上；所述的大功率固體激光器輸出激光到分光棱鏡，由分光棱 鏡輸出兩路光， 一路經(jīng)激光耦合及分光器輸出到各CCD成像系統(tǒng)；另一路經(jīng)擴(kuò)束鏡 擴(kuò)束后的光場(chǎng)到載波片4 ，并最終均勻照射在被測(cè)物體5上。并通過該載波片產(chǎn)生 載波條紋被CCD接收輸出到圖像處理電路。到被測(cè)物體5。本實(shí)施例中所述的載波 片是帶有精密步進(jìn)電機(jī)的載波片。請(qǐng)參閱圖4。本實(shí)用新型的工作原理是①將本實(shí)用新型新型三維電子散斑干涉儀儀器本體l放置在平臺(tái)上，在儀器 的大功率激光器及分光光路3前放置一帶精密步進(jìn)電機(jī)的載波片4，將被測(cè)物體5 放置在與載波片4的前方；② 調(diào)節(jié)三個(gè)CCD成像系統(tǒng)(21、 22、 23)的角度及焦距(見圖1)，使得被 測(cè)物在電腦屏幕上成像清晰，大小適中；調(diào)節(jié)光纖的位置及光強(qiáng)來調(diào)節(jié)三個(gè)CCD 成像系統(tǒng)的參考光(CCD成像系統(tǒng)的原理如圖2所示)；③ 調(diào)節(jié)激光耦合及分光器34 (見圖3)，使得分光棱鏡32中分離出的等份 的激光通過三根光纖a、 b、 c分別輸出到圖2中的參考光的光路A中； 對(duì)被測(cè)物加載，可以同時(shí)獲得三幅(三個(gè)CCD各采集一幅)電子散斑干涉 條紋圖；通過軟件計(jì)算分別分離得到三個(gè)方向的變形場(chǎng)； 施加時(shí)間相移或空間相移，將結(jié)果數(shù)字化輸出(見圖4);時(shí)間相移是同 時(shí)控制圖2中的PZT相移器(每個(gè)CCD成像系統(tǒng)各有一個(gè))驅(qū)動(dòng)反射鏡沿其法線方 向平移微小距離來實(shí)現(xiàn)位相的改變；進(jìn)行空間相移時(shí)，要放置載波片，見圖3和圖 4，通過精密的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)放置在儀器和被測(cè)物之間并讓激光擴(kuò)束后的光場(chǎng)通過 的載波片合適的角度(見圖3)，以產(chǎn)生空間的載波條紋來進(jìn)行的。本實(shí)用新型的激光中心為成像部件中心連線相交點(diǎn)。① 通過安裝在儀器本體上的三個(gè)CCD同時(shí)采集散斑圖(位置可以不固定)， 可以在加載一次的情況下同時(shí)得到三維變形場(chǎng)，可以用圖像軟件進(jìn)行數(shù)字圖像處理 和分析，并可以更換不同焦距的CCD鏡頭，廣泛適用于不同大小、遠(yuǎn)近的被測(cè)物；② 通過精密電源驅(qū)動(dòng)PZT，實(shí)現(xiàn)時(shí)間相移的自動(dòng)化控制，從而使得條紋數(shù)字 化輸出；③ 通過精密精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載波片，實(shí)現(xiàn)空間相移的自動(dòng)化控制，從而也 能實(shí)現(xiàn)條紋數(shù)字化輸出；④ 采用單色性好的激光光源技術(shù)，使得條紋對(duì)比度好，且用過半球擴(kuò)束鏡形 成一定面積的光片，光路調(diào)節(jié)變得簡單，也可根據(jù)實(shí)際情況更換光源(測(cè)量面積大， 需要功率大的激光光源)；⑤ 引入光纖技術(shù)，形成物光一參考光光路中的參考光的引入。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是(l)只要儀器與被測(cè)物的相對(duì)位置確定，就可以通過對(duì)三個(gè)CCD的位置(任意)、 角度調(diào)整或更換不同焦距的鏡頭，就可以進(jìn)行測(cè)量，所以儀器靈活性高，適用范圍 廣。(2) 獨(dú)特的位移場(chǎng)分離技術(shù)，可以將位移混疊在三幅散斑條紋圖中的條紋分離 成相互垂直的三個(gè)位移場(chǎng)(即通常所說的U、 V、 W)，便于圖像后處理。(3) 精密PZT及步進(jìn)電機(jī)的引入，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間及空間相移的自動(dòng)化控制，從而使得條紋數(shù)字化輸出，并在一臺(tái)儀器上同時(shí)集成了該兩種位移數(shù)字化技術(shù)，大大提 高了測(cè)量的靈敏度和精度。(4) 根據(jù)被測(cè)物大小、遠(yuǎn)近，可以更換光源，使儀器具有很高的通用性。(5) 利用光纖可以彎曲傳輸光強(qiáng)，分光能量也可以調(diào)節(jié)，使得參考光的光路布 置更加靈活，從而使得整臺(tái)儀器緊湊。
權(quán)利要求1. 新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，包括一儀器本體、分布在該儀器本體正面的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)和-大功率激光器及分光光路、以及與所述CCD成像系統(tǒng)電連接的圖像處理電路；其中所述的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布置在儀器本體的正面，其中兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)平行間隔設(shè)置，另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位于兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中點(diǎn)的上方或下方；所述的大功率激光器及分光光路布置在位于該三個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)位置，與另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)同軸線；所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照射到三個(gè)CCD成像系統(tǒng)，與各個(gè)CCD成像系統(tǒng)輸出的物光干涉后進(jìn)入圖像處理電路進(jìn)行圖像處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，還包 括一載波片，在測(cè)試時(shí)設(shè)置在大功率激光器及分光光路與被測(cè)物體之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所述的載波片是帶有精密步進(jìn)電機(jī)的載波片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所述 的圖像處理電路由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所述的 三個(gè)CCD成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布置，其中有兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在下方左右兩邊、 另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位于有兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)的上方。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所 述的各CCD成像系統(tǒng)包括一CCD、 一可自動(dòng)變焦成像鏡、 一分光方棱鏡、 一帶有PZT 的全反射鏡、以及一擴(kuò)束鏡；所述的分光方棱鏡設(shè)在中間，所述的CCD和可自動(dòng)變 焦成像鏡分別設(shè)在分光方棱鏡的兩側(cè)，所述的分光方棱鏡設(shè)在擴(kuò)束鏡的下方，與擴(kuò) 束鏡相對(duì)設(shè)置；所述的帶有PZT的全反射鏡設(shè)在分光方棱鏡的上方，與分光方棱鏡 相對(duì)；所述的從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照 射到三個(gè)帶有PZT的全反射鏡上，再由帶有PZT的全反射鏡反射到擴(kuò)束鏡，并由擴(kuò) 束鏡擴(kuò)束后到分光方棱鏡，再由分光方棱鏡輸出到CCD中，與物光干涉后進(jìn)入圖像處理電路。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所述的 大功率激光器及分光光路包括一大功率固體激光器、 一分光棱鏡、 一擴(kuò)束鏡、 一激 光耦合及分光器；所述的大功率固體激光器、分光棱鏡、和擴(kuò)束鏡順序間隔設(shè)置在 同一條光路上；所述的激光耦合及分光器與所述的分光棱鏡設(shè)置在同一條光路上; 所述的大功率固體激光器輸出激光到分光棱鏡，由分光棱鏡輸出兩路光， 一路經(jīng)激 光耦合及分光器輸出到各CCD成像系統(tǒng)；另一路經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束到被測(cè)物體。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，還包 括一載波片，在測(cè)試時(shí)設(shè)置在大功率激光器及分光光路的擴(kuò)束鏡與被測(cè)物體之間； 從分光棱鏡輸出的另一路光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的光場(chǎng)到載波片，并最終均勻照射在被測(cè) 物體上，通過該載波片產(chǎn)生載波條紋被CCD接收輸出到圖像處理電路。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的新型三維電子散斑干涉儀，其特征在于，所述 的載波片是帶有精密步進(jìn)電機(jī)的載波片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型三維電子散斑干涉儀，其特點(diǎn)是，包括分布在該儀器本體正面的三個(gè)CCD成像系統(tǒng)和—大功率激光器及分光光路、以及與CCD成像系統(tǒng)電連接的圖像處理電路；三個(gè)CCD成像系統(tǒng)呈三點(diǎn)式布置在儀器本體的正面，其中兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)平行間隔設(shè)置，另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)設(shè)置在位于兩個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中點(diǎn)上方或下方；大功率激光器及分光光路在位于三個(gè)CCD成像系統(tǒng)的中心點(diǎn)位置，與另一個(gè)CCD成像系統(tǒng)同軸線；從大功率激光器及分光光路輸出的光，經(jīng)耦合分光成三等份，分別照射到三個(gè)CCD成像系統(tǒng)，與各CCD成像系統(tǒng)輸出的物光干涉后進(jìn)入圖像處理電路進(jìn)行圖像處理?？梢淮涡缘玫饺S的變形值，操作簡單，數(shù)據(jù)可靠。
文檔編號(hào)G01B9/02GK201081692SQ200720074599
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者驊 劉, 吳君毅, 孫爐鋼, 熹 張, 張洪偉, 曾憲友, 秦培軍, 鋼 艾, 鄭長江, 鵬 陸, 顧愛中 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所