专利名称：一种三维电子散斑干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维电子散斑干涉仪，尤其涉及一种同时具有时间相移和空间相移功能的三维电子散斑干涉仪。
背景技术：
电子散斑干涉测量技术是近几十年来发展的一种精确检测物体由于变形导致的表面各点位移的光学测试技术。如图1所示为一种电子散斑干涉仪原理图。激光束由分束镜111透过的一束，被反射镜121反射并经由扩束镜131扩束照明物面14，物面14散射的激光被透镜122成像到摄像机15的接收面上。由分束镜111反射的另一束光被角锥棱镜16反射到反射镜123上，经扩束镜132扩束后，由分束镜113转向，与物光合束到摄像机靶面上，成为参考光R。角锥棱镜16可以前后移动以调节光程，保证两束光直接的相干性。由物表面14散射的激光成像到摄像机靶面上成为主观散斑场与参考光R相干涉，形成散斑干涉场。
假如变形前物光束在摄像机靶面某点形成的光振动复振幅为A11＝a11expjφ11，参考光复振幅为A21＝a21expjφ21，则在该点的合成光强为合成光强为I1＝a211+a221+2a11a21cos(φ11-φ21)当物表面14发生形变后，参考光R复振幅A22＝A21没有显著变化。当物光束在物表面发生变形时，离面位移会造成物光复振幅的总的相位改变Δφ，因而有A12＝a11expj(φ11+Δφ)。变形后该点合成光强为I2＝a211+a221+2a11a21cos(φ11-φ21+Δφ)当Δφ为π的偶数倍时，变形前后散斑干涉图不发生变化。当Δφ为π的奇数倍时，变形前后合成光强最大。由于Δφ为物表面14离面位移的函数，散斑干涉图的变化情况就反映了物面变化情况。将变形前后两幅散斑干涉图叠加在一起，将得到与Δφ有关的条纹。计算机17上包含有专用于采集散斑干涉图像的软件(例如Photo Mechanics Tools)和专用于计算和处理散斑干涉图像的软件(例如PMTools)，可以获得Δφ和与Δφ有关的物表面14变形信息，在显示器18上显示结果。
上述的测量方法只测量物体的一个方向的变形，而物体的变形是三维的，现有的电子散斑干涉仪可测量物体的三维变形，其中有Steibichler公司的三维电子散斑干涉仪和Ettemeyer公司的三维电子散斑干涉仪。
请参阅图2的Steibichler公司的三维电子散斑干涉仪光路图，从图中光路可见，Steibichler公司采用三束激光照射，激光A和B位于xoy平面内，它们和z轴的夹角分别为α、β。激光A、B各自的散斑干涉可以分别获得同时包含U、W场位移信息的条纹；另一激光束C位于xoz平面内，它和z轴的夹角为γ，激光束C的散斑干涉可获得反映V和W的方程。通过联立三个方程可求出U、V和W场的位移。由于这种散斑干涉仪所获得的三维场分量并不独立，要通过程序解得三维场分量，因此带来较大误差。
请参阅图3的Ettemeyer公司的三维电子散斑干涉仪光路图，从图中光路可见，可以直接独立得到U和V场，但是W场如图所示只能利用非垂直入射的光作为物光，再引入参考光，因此W场不是独立的，其中必然包括U场分量，这样W场分量有误差，然而W场是测量中很重要的分量。该仪器的缺点就在于W场分量有误差。
发明内容
本发明为解决上述技术问题而提供一种可直接获得纯粹U、V、W场的干涉条纹的三维电子散斑干涉仪，该仪器还具有时间相移和空间相移功能。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种三维电子散斑干涉仪，包括仪器框架和安装在框架上的仪器，其特点是，所述仪器包括至少一激光器、一第一旋转反射镜、W场光路、U场光路、V场光路、以及一干涉接收机构；所述激光器发出特定波长的单模激光；所述第一旋转反射镜设于所述激光器光路上，使从激光器发射的激光反射至W场光路、或U场光路、或者V场光路；所述干涉接收机构设于仪器框架中心，与被测物表面正对；所述W场光路包括
一分光元件，设于第一旋转反射镜反射光路上，将激光分为两束；W场的时间相移光路，包括设置在分光元件的透射光路上的第一扩束镜、分光镜以及用于引导光束的一第二旋转反射镜和至少一反射镜；所述分光镜设于干涉接收机构与被测物表面之间，将光束分别透射和反射给被测物表面和一参考面，并将被测物表面和参考面的反射光分别透射和反射给干涉接收机构；W场的时间相移光路还包括一W场相移器，其设于所述参考面后；W场的空间相移物光光路，包括一第二扩束镜和一设于第二扩束镜出射光路上的W场载波片；所述扩束镜将第二旋转反射镜的反射光扩束后，经W场载波片照射所述被测物表面；W场空间相移参考光路，包括设置在分光元件的反射光路上的双偏振片、光闸、一第三扩束镜、一漫射镜以及用于引导光束的多个反射镜；从所述第三扩束镜透射的激光经所述漫射镜射至所述干涉接收机构；所述U场光路包括一分光镜、第一、第二扩束镜和用于引导光束的多个反射镜；所述多个反射镜包括对称设于仪器框架左右两侧的第一反射镜和第二反射镜，所述多个反射镜将自分光镜透射和反射的光分别自第一反射镜和第二反射镜射出，并汇聚到所述被测物表面，所述第一、第二扩束镜分别设于所述第一反射镜和第二反射镜的入射光路上；U场光路还包括U场相移器，设于第一反射镜后；U场载波片，设于第二反射镜和第二扩束镜之间；所述V场光路包括一分光镜、第一、第二扩束镜和用于引导光束的多个反射镜；所述多个反射镜包括对称设于仪器框架上下两侧的第一反射镜和第二反射镜，所述多个反射镜将自分光镜透射和反射的光分别自第一反射镜和第二反射镜射出，并汇聚到所述被测物表面，所述第一、第二扩束镜分别设于所述第一反射镜和第二反射镜的入射光路上；V场光路还包括V场相移器，设于第一反射镜后；V场载波片，设于第二反射镜和第二扩束镜之间；所述W场载波片、U场载波片、V场载波片各与一步进电机传动相连。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，所述干涉接收机构包括由前到后设于仪器框架中心处的Zoom镜头、分光镜和CCD，所述CCD与一计算机连接。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，在所述W场的时间相移光路中，第二旋转反射镜、一反射镜、第一扩束镜、分光镜按光路方向设置在所述分光元件的透射光路上；所述分光元件的透射光经过第二旋转反射镜反射至第一扩束镜后，再经反射镜反射至分光镜中。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，在所述W场的空间相移参考光路中，两反射镜、双偏振片、光闸、一反射镜、第三扩束镜、漫射镜按光路方向设置在所述分光元件的反射光路上；所述分光元件的反射光经过两个反射镜反射后，通过双偏振片，再经一反射镜反射至第三扩束镜上，扩束后经漫射镜射至所述干涉接收机构。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，在所述U场光路中，从所述第一旋转反射镜发射的光经过两个反射镜后反射给分光镜分成两束，其中一束经过三个反射镜反射，经第一扩束镜射至第一反射镜，另一束经第二扩束镜和U场载波片，射至第二反射镜。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，在所述V场光路中，从所述第一旋转反射镜发射的光射至分光镜分成两束，其中一束经第一扩束镜射至第一反射镜，另一束经过三个反射镜反射后，经第二扩束镜和V场载波片射至第二反射镜。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，所述漫射镜由设于所述干涉接收机构的分光镜上侧的漫射面构成。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，所述参考面由一漫反射面构成，其设于紧贴所述W场的时间相移光路的分光镜下侧。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，所述W场的时间相移光路的第二旋转反射镜可以旋转，以将来自所述光楔的透射光反射给所述W场的空间相移物光光路的第二扩束镜。
所述的三维电子散斑干涉仪，其中，所述旋转反射镜和反射镜均由电子枪膜高能全反射镜构成。
本发明通过三个场光路分别获得独立的U场、V场、W场位移分量，既简化了程序运算，又能获得更高的精确度，同时可以采用时间相移方法或者空间相移方法测量被测物的三维位移量，实现三维直接测量结果数字化。
以下结合
本发明具体实施方式
，其中
图1是一种电子散斑干涉仪的原理图；图2是Steibichler公司的三维电子散斑干涉仪光路示意图；图3是Ettemeyer公司的三维电子散斑干涉仪光路示意图；图4是本发明三维电子散斑干涉仪的结构示意图；图5是本发明三维电子散斑干涉仪的W场光路系统示意图；图6是本发明三维电子散斑干涉仪的W场时间相移光路示意图；图7是本发明三维电子散斑干涉仪的W场空间相移光路示意图；图8是本发明三维电子散斑干涉仪的U场光路系统示意图；图9是本发明三维电子散斑干涉仪的V场光路系统示意图。
具体实施例方式
请参阅图4，本发明的三维电子散斑干涉仪包括仪器框架20和安装在框架上的仪器，这些仪器包括激光器30、一第一旋转反射镜31、一第三旋转反射镜32、W场光路40、U场光路50、V场光路60、以及一干涉接收机构70。
激光器30用于发出激光，它采用一个532nm泵浦激光器，这种激光器具有体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长的特点，可以使整个仪器结构更为紧凑。激光器30发出的激光利用带有机械旋转装置的第一旋转全反射镜31的旋转，并和第三旋转反射镜32配合，以分别使从激光器发射的激光分别反射至W场光路40、U场光路50、或者V场光路60。
干涉接收机构70包括由前到后设于仪器框架中心处的Zoom镜头71、分光镜72和CCD 73。
仪器框架20的上、下、左、右以及中心处各设有一开口。其中水平左右两侧的开口用于U场光路50光出射至正对仪器框架20中心的被测物表面21(图8)上；上下两侧开口用于各将V场光路60光出射至正对仪器框架20中心的被测被测物表面21(图9)上。仪器中心处的开口用于W场光的发射。
W场光路40包括一分光元件41、W场的时间相移光路42、W场的空间相移物光光路43、以及W场空间相移参考光路44。其中分光元件41由一光楔构成，其设于第一旋转反射镜31的反射光路上，将激光分为两束。
W场的时间相移光路42包括按光路方向设置在分光元件31的透射光路上的第二旋转反射镜421、第一扩束镜422、反射镜423和分光镜424。分光元件41的透射光经过第二旋转反射镜421反射至第一扩束镜422后，再经反射423镜反射至分光镜424中。分光镜424设于干涉接收机构70与被测物表面21之间，用于将光束分别透射给被测物表面，反射给一参考面23，并将被测物表面21和参考面23的反射光分别透射和反射给干涉接收机构70。一参考面23是一个贴设于分光镜424下侧的漫反射面。
W场的时间相移光路42还包括一W场相移器425，其设于参考面23后，用于使参考面23的反射光产生相移。
请参阅图6，作时间相移时，光闸444推下，激光器30出光，经第一旋转反射镜31，透过分光元件41(另一路反射光由于光闸444的遮挡而不起作用)，经第二旋转反射镜421，到第一扩束镜422，扩束后反射进入分光镜424，在分光镜424中分成反射光和透射光，反射光照在被测物表面21反射回来作为物光；透射光照在W场参考面23上，反射回来作为参考光，物光和参考光在CCD 73上干涉得到图像。由于激光是垂直入射和接收的，因此这样的W场是纯粹的。
当被测物加载而变形后(适当的载荷可以产生清晰的变形条纹)，利用电源驱动W场相移器425产生相移，利用软件(Photo Mechanics Tools，PM Tools)采集四幅图像并计算和处理，即可获得变形量。
W场的空间相移物光光路43包括一第二扩束镜431和一设于第二扩束镜出射光路上的W场载波片432。第二扩束镜431设于分光镜424附近，第二旋转反射镜421可以旋转，以将来自分光元件41的透射光反射给第二扩束镜431。第二扩束镜431将第二旋转反射镜421的反射光扩束后，经过W场载波片432，射至被测物表面21。W场载波片432与一个步进电机传动相连。
W场空间相移参考光路44包括按光路方向设置在分光元件41的反射光路上的两反射镜441、442、双偏振片443、光闸444、一反射镜445、第三扩束镜446、漫射镜447。分光元件41的反射光经过两个反射镜441、442反射后，通过双偏振片443，再经一反射镜445反射至第三扩束镜446上，扩束后经漫射镜447射至干涉接收机构70的分光镜72，经分光镜72反射后由CCD73接收。漫射镜447为设在分光镜72上侧的漫射面。
请参阅图7，作空间相移时，将光闸444拉上，将W场的时间相移光路42的分光镜424连同参考面23、W场相移器425取下，调节Zoom镜头71及CCD 73使成像清晰。激光器30出光，经第一旋转反射镜31，透过分光元件41，经第二旋转反射镜421，到第二扩束镜431，扩束后照在被测物表面反射回来作为物光；在分光元件41表面的另一路反射光经两个反射镜441、442的反射光路提升，再经过双偏振片443，改变光强大小和偏振方向，用以调节物光和参考光的光强比，又经反射镜445反射后，再在第二扩束镜446中扩束，扩束光照在设于干涉接收机构80的分光镜82的漫射面447上，经分光镜72反射作为参考光，物光和参考光在CCD 73上干涉。这样的W场在角度很小的情况下几乎为垂直入射，其他分量可以忽略不计。
利用步进电机自动控制W场载波片432转动，产生均匀直线载波条纹，利用软件采集首幅载波图像，对被测物21加载后再利用软件(Photo Mechanics Tools)采集第二幅载波加变形图像，最后利用另一软件(PM Tools)计算和处理该两幅图像。
U场光路50包括一分光镜51、第一、第二扩束镜52、53、第一、第二反射镜54、55、其他反射镜561～565以及U场相移器57、U场载波片58。从第一旋转反射镜31发射的光先经第三旋转反射镜32反射，再经过两个反射镜561、562两次反射给分光镜51分成两束，其中一束经过三个反射镜563、564、565三次反射，经第一扩束镜52射至第一反射镜54，另一束经第二扩束镜53和U场载波片58，射至第二反射镜55。激光自第一反射镜54和第二反射镜55射出，并汇聚到被测物表面21。U场相移器57设于第一反射镜54后，用于使第一反射镜54的反射光产生相移。
V场光路60包括一分光镜61、第一、第二扩束镜62、63、第一、第二反射镜64、65、其他反射镜661～663以及V场相移器67、V场载波片68。从第一旋转反射镜31发射的光先经第三旋转反射镜32反射，再经过分光镜61分成两束，其中一束经第一扩束镜62射至第一反射镜64，另一束经过三个反射镜661～663反射后，经第二扩束镜63和V场载波片68射至第二反射镜65。激光从第一反射镜64和第二反射镜65射出，并汇聚到被测物表面21。V场相移器67设于第一反射镜64后，用于使第一反射镜64的反射光产生相移。
作U场或V场的时间相移实验时，保持载波片58或68垂直于光线不动(或通电使其步进电机自锁)，对被测物加载后，利用电源驱动相移器57或67产生相移，利用软件采集四幅图像并计算和处理。
作U场或V场的空间相移实验时，保持相移器57或67电压(或断开其电源)，控制载波片58或68转动，产生均匀直线载波条纹，利用软件采集首幅载波图像，对被测物加载后再利用软件采集第二幅载波加变形图像，并利用另一软件计算和处理。
本发明的实施例中，各旋转反射镜和各个反射镜均由电子枪膜高能全反射镜构成，使激光反射过程中能量损失尽量小。
权利要求
1.一种三维电子散斑干涉仪，包括仪器框架和安装在框架上的仪器，其特征在于，所述仪器包括至少一激光器、一第一旋转反射镜、W场光路、U场光路、V场光路、以及一干涉接收机构；所述激光器发出特定波长的单模激光；所述第一旋转反射镜设于所述激光器光路上，使从激光器发射的激光反射至W场光路、或U场光路、或者V场光路；所述干涉接收机构设于仪器框架中心，与被测物表面正对；所述W场光路包括一分光元件，设于第一旋转反射镜反射光路上，将激光分为两束；W场的时间相移光路，包括设置在分光元件的透射光路上的第一扩束镜、分光镜以及用于引导光束的一第二旋转反射镜和至少一反射镜；所述分光镜设于干涉接收机构与被测物表面之间，将光束分别透射和反射给被测物表面和一参考面，并将被测物表面和参考面的反射光分别透射和反射给干涉接收机构；W场的时间相移光路还包括一W场相移器，其设于所述参考面后；W场的空间相移物光光路，包括一第二扩束镜和一设于第二扩束镜出射光路上的W场载波片；所述扩束镜将第二旋转反射镜的反射光扩束后，经W场载波片照射所述被测物表面；W场空间相移参考光路，包括设置在分光元件的反射光路上的双偏振片、光闸、一第三扩束镜、一漫射镜以及用于引导光束的多个反射镜；从所述第三扩束镜透射的激光经所述漫射镜射至所述干涉接收机构；所述U场光路包括一分光镜、第一、第二扩束镜和用于引导光束的多个反射镜；所述多个反射镜包括对称设于仪器框架左右两侧的第一反射镜和第二反射镜，所述多个反射镜将自分光镜透射和反射的光分别自第一反射镜和第二反射镜射出，并汇聚到所述被测物表面，所述第一、第二扩束镜分别设于所述第一反射镜和第二反射镜的入射光路上；U场光路还包括U场相移器，设于第一反射镜后；U场载波片，设于第二反射镜和第二扩束镜之间；所述V场光路包括一分光镜、第一、第二扩束镜和用于引导光束的多个反射镜；所述多个反射镜包括对称设于仪器框架上下两侧的第一反射镜和第二反射镜，所述多个反射镜将自分光镜透射和反射的光分别自第一反射镜和第二反射镜射出，并汇聚到所述被测物表面，所述第一、第二扩束镜分别设于所述第一反射镜和第二反射镜的入射光路上；V场光路还包括V场相移器，设于第一反射镜后；V场载波片，设于第二反射镜和第二扩束镜之间；所述W场载波片、U场载波片、V场载波片各与一步进电机传动相连。
2.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述干涉接收机构包括由前到后设于仪器框架中心处的Zoom镜头、分光镜和CCD，所述CCD与一计算机连接。
3.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，在所述W场的时间相移光路中，第二旋转反射镜、一反射镜、第一扩束镜、分光镜按光路方向设置在所述分光元件的透射光路上；所述分光元件的透射光经过第二旋转反射镜反射至第一扩束镜后，再经反射镜反射至分光镜中。
4.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，在所述W场的空间相移参考光路中，两反射镜、双偏振片、光闸、一反射镜、第三扩束镜、漫射镜按光路方向设置在所述分光元件的反射光路上；所述分光元件的反射光经过两个反射镜反射后，通过双偏振片，再经一反射镜反射至第三扩束镜上，扩束后经漫射镜射至所述干涉接收机构。
5.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，在所述U场光路中，从所述第一旋转反射镜发射的光经过两个反射镜后反射给分光镜分成两束，其中一束经过三个反射镜反射，经第一扩束镜射至第一反射镜，另一束经第二扩束镜和U场载波片，射至第二反射镜。
6.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，在所述V场光路中，从所述第一旋转反射镜发射的光射至分光镜分成两束，其中一束经第一扩束镜射至第一反射镜，另一束经过三个反射镜反射后，经第二扩束镜和V场载波片，射至第二反射镜。
7.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述漫射镜由设于所述干涉接收机构的分光镜上侧的漫射面构成。
8.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述参考面由一漫反射面构成，其设于紧贴所述W场的时间相移光路的分光镜下侧。
9.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述W场的时间相移光路的第二旋转反射镜可以旋转，以将来自所述分光元件的透射光反射给所述W场的空间相移物光光路中的第二扩束镜。
10.如权利要求1所述的三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述旋转反射镜和反射镜均由电子枪膜高能全反射镜构成。
全文摘要
本发明公开一种三维电子散斑干涉仪，包括仪器框架和安装在框架上的仪器，所述仪器包括至少一激光器、一第一旋转反射镜、W场光路、U场光路、V场光路、以及一干涉接收机构；其中包括U场、V场、W场光路的出射光互相正交，每个场光路上都设置有用于时间相移的相移器和用于空间相移的载波片及其步进电机。本发明通过三个场光路分别获得独立的U场、V场、W场位移分量，既简化了程序运算，又能获得更高的精确度，同时可以采用时间相移方法或者空间相移方法测量被测物的三维位移量，实现三维直接测量结果数字化。
文档编号G01B9/02GK1815136SQ20061002446
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者张熹, 陆鹏, 吴君毅, 夏远富 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所