专利名称：新型三维电子散斑干涉仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种旨在对结构微变形全场同时测量的非接触式光学测量 仪，尤其涉及一种新型三维电子散斑干涉仪背景技术早期的三维电子散斑干涉仪，例如申请人曾经获得授权的实用新型专利ZL200320109179. 1和ETTEMEYER公司的Q600等，均不能做到三维变形场的同时数 字化测量。前者是要加载一次，测量某一方向的变形，然后卸去载荷，转换光路， 然后再加载，得到另一方向的变形，若三维变形则至少需要三次转换，极为不方便， 而且载荷大小不可能精确复位，所以不能真实反映结构在某种载荷状态下的全部变 化。后者主要为测量振动的振型而设计(应该可以测量位移)，但是将激光放置在 成像部件中心连线相交点的边上，故该仪器计算位移时需要考虑偏移量，必然引入 这部分的计算误差，还不具有时空相移功能，位移结果不能数字化输出。发明内容本实用新型的任务是解决三维位移的同时数字化测量的难题，而提供的一种 新型三维电子散斑干涉仪，该新型三维电子散斑干涉仪不但实现了全场条纹的直接 获得，还引入时空相移技术，将结果能数字化输出，具有很高的灵敏度和精确度。本实用新型采取的技术方案是新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，包 括一仪器本体、分布在该仪器本体正面的三个CCD成像系统和一大功率激光器及分 光光路、以及与所述CCD成像系统电连接的图像处理电路；其中所述的三个CCD 成像系统呈三点式布置在仪器本体的正面，其中两个CCD成像系统平行间隔设置， 另一个CCD成像系统设置在位于两个CCD成像系统的中点的上方或下方；所述的大 功率激光器及分光光路布置在位于该三个CCD成像系统的中心点位置，与另一个 CCD成像系统同轴线；所述的从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成
三等份，分别照射到三个CCD成像系统，与各个CCD成像系统输出的物光干涉后进 入图像处理电路进行图像处理。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，还包括一载波片，在测试时设置在 大功率激光器及分光光路与被测物体之间。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的载波片是带有精密步进电机 的载波片。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的图像处理电路由计算机构成。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的三个CCD成像系统呈三点式布 置，其中有两个CCD成像系统设置在下方左右两边、另一个CCD成像系统设置在位 于有两个CCD成像系统的中心点的上方。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的各CCD成像系统包括一CCD、 一可自动变焦成像镜、 一分光方棱镜、 一带有PZT的全反射镜、以及一扩束镜；所 述的分光方棱镜设在中间，所述的高分辨率CCD和可自动变焦成像镜分别设在分光 方棱镜的两侧，所述的带有PZT的全反射镜设在分光方棱镜及扩束镜的相对位置； 所述的分光方棱镜设在扩束镜的下方，与扩束镜相对设置；所述的从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照 射到三个带有PZT的全反射镜上，再由带有PZT的全反射镜反射到扩束镜，并由扩 束镜扩束后到分光方棱镜，再由分光方棱镜输出到CCD中，与物光干涉后进入图像 处理电路。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的大功率激光器及分光光路包括 一大功率固体激光器、 一分光棱镜、 一扩束镜、 一激光耦合及分光器；所述的大功 率固体激光器、分光棱镜、和扩束镜顺序间隔设置在同一条光路上；所述的激光耦 合及分光器与所述的分光棱镜设置在同一条光路上;所述的大功率固体激光器输出 激光到分光棱镜，由分光棱镜输出两路光， 一路经激光耦合及分光器输出到各CCD 成像系统；另一路经扩束镜扩束到被测物体。上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，还包括一载波片，在测试时设置在 大功率激光器及分光光路的扩束镜与被测物体之间；从分光棱镜输出的另一路光经 扩束镜扩束的光场到载波片，并最终均匀照射在被测物体上，通过该载波片产生载 波条纹被CCD接收输出到图像处理电路。
上述新型三维电子散斑干涉仪，其中，所述的载波片是带有精密步进电机 的载波片。由于本实用新型采用了以上的技术方案，测试时只要对被测试件加载一次， 通过布置在仪器本体上上的三个CCD采集图像，同时得到三幅图像，通过图像处理 并进行位移场分离，可一次性得到三维(三个方向)的变形值。再加上大功率激光 器及分光光路的作用，可将图像结果(变形条纹)转换成工程实际需要的数据。具 有操作简单、数据可靠的优点。
本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图进一步给出。 图1是本实用新型三维电子散斑干涉仪的主视图。图2是本实用新型三维电子散斑干涉仪的CCD成像系统的参考光光路示意图。 图3是本实用新型三维电子散斑干涉仪的大功率激光器及分光光路的结构示意图。图4是本实用新型三维电子散斑干涉仪的工作原理示意图。
具体实施方式
请参阅图l。本实用新型新型三维电子散斑干涉仪，包括一仪器本体1、分 布在该仪器本体正面的三个CCD成像系统21、 22、 23和一大功率激光器及分光光 路3、以及与所述CCD成像系统和大功率激光器及分光光路电连接的图像处理电路 4;所述的三个CCD成像系统呈三点式布置在仪器本体的正面，其中两个CCD成像 系统平行间隔设置，另一个CCD成像系统设置在位于两个CCD成像系统的中点的上 方或下方。本实施例中，所述的三个CCD成像系统21、 22、 23中是以两个CCD成 像系统21、 22设置在下方左右两边、另一个CCD成像系统23设置在位于两个CCD 成像系统的中心的上方的形状布置。所述的大功率激光器及分光光路3布置在位于 该三个CCD成像系统的中心点位置，与另一个CCD成像系统23同轴线。所述的从 大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照射到三个CCD 成像系统，与各个CCD成像系统输出的物光干涉后进入图像处理电路进行图像处 理。 请参阅图2。本实用新型新型三维电子散斑干涉仪中，所述的各CCD成像系统结构相同，现以其中CCD成像系统21进行说明，该CCD成像系统21包括一高分 辨率CCD211、 一可自动变焦成像镜212、 一分光方棱镜213、 一带有PZT的全反射 镜214、以及一扩束镜215;所述的分光方棱镜213设在中间，所述的高分辨率 CCD211和可自动变焦成像镜212分别设在分光方棱镜的两侧，所述的带有PZT的 全反射镜214设在分光方棱镜213及扩束镜215的相对位置，本实施例是所述的分 光方棱镜213设在扩束镜215的下方，与扩束镜相对设置，所述的带有PZT的全反 射镜214设在分光方棱镜213的上方，与分光方棱镜213相对。所述的从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照 射到三个带有PZT的全反射镜上，再由带有PZT的全反射镜反射到扩束镜，并由扩 束镜扩束后到分光方棱镜，再由分光方棱镜输出到CCD中，与物光干涉后进入图像 处理电路。所述的扩束镜215设在中间，所述的高分辨率CCD211和可自动变焦成 像镜212分别设在扩束镜215两侧，所述的带有PZT的全反射镜214设在扩束镜 215的上方，所述的分光方棱镜213设在扩束镜215的下方，与扩束镜215相对设 置；所述的从大功率激光器及分光光路输出的光照射到带有PZT的全反射镜上，再 由带有PZT的全反射镜反射到扩束镜，并由扩束镜扩束后到分光方棱镜，再由分光 方棱镜输出到图像处理电路。请参阅图3。本实用新型新型三维电子散斑干涉仪中，所述的大功率激光器 及分光光路3包括一大功率固体激光器31、 一分光棱镜32、 _扩束镜33、 一激光 耦合及分光器34。在具体测试中还包括一载波片4，在测试时设置在大功率激光器 及分光光路的扩束镜33与被测物体5之间。所述的大功率固体激光器、分光棱镜、 和扩束镜顺序间隔设置在同一条光路上;所述的激光耦合及分光器与所述的分光棱 镜设置在同一条光路上；所述的大功率固体激光器输出激光到分光棱镜，由分光棱 镜输出两路光， 一路经激光耦合及分光器输出到各CCD成像系统；另一路经扩束镜 扩束后的光场到载波片4 ，并最终均匀照射在被测物体5上。并通过该载波片产生 载波条纹被CCD接收输出到图像处理电路。到被测物体5。本实施例中所述的载波 片是带有精密步进电机的载波片。请参阅图4。本实用新型的工作原理是①将本实用新型新型三维电子散斑干涉仪仪器本体l放置在平台上，在仪器 的大功率激光器及分光光路3前放置一带精密步进电机的载波片4，将被测物体5 放置在与载波片4的前方；② 调节三个CCD成像系统(21、 22、 23)的角度及焦距(见图1)，使得被 测物在电脑屏幕上成像清晰，大小适中；调节光纤的位置及光强来调节三个CCD 成像系统的参考光(CCD成像系统的原理如图2所示)；③ 调节激光耦合及分光器34 (见图3)，使得分光棱镜32中分离出的等份 的激光通过三根光纤a、 b、 c分别输出到图2中的参考光的光路A中； 对被测物加载，可以同时获得三幅(三个CCD各采集一幅)电子散斑干涉 条纹图；通过软件计算分别分离得到三个方向的变形场； 施加时间相移或空间相移，将结果数字化输出(见图4);时间相移是同 时控制图2中的PZT相移器(每个CCD成像系统各有一个)驱动反射镜沿其法线方 向平移微小距离来实现位相的改变；进行空间相移时，要放置载波片，见图3和图 4，通过精密的步进电机转动放置在仪器和被测物之间并让激光扩束后的光场通过 的载波片合适的角度(见图3)，以产生空间的载波条纹来进行的。本实用新型的激光中心为成像部件中心连线相交点。① 通过安装在仪器本体上的三个CCD同时采集散斑图(位置可以不固定)， 可以在加载一次的情况下同时得到三维变形场，可以用图像软件进行数字图像处理 和分析，并可以更换不同焦距的CCD镜头，广泛适用于不同大小、远近的被测物；② 通过精密电源驱动PZT，实现时间相移的自动化控制，从而使得条纹数字 化输出；③ 通过精密精密步进电机驱动载波片，实现空间相移的自动化控制，从而也 能实现条纹数字化输出；④ 采用单色性好的激光光源技术，使得条纹对比度好，且用过半球扩束镜形 成一定面积的光片，光路调节变得简单，也可根据实际情况更换光源(测量面积大， 需要功率大的激光光源)；⑤ 引入光纤技术，形成物光一参考光光路中的参考光的引入。 本实用新型的优点是(l)只要仪器与被测物的相对位置确定，就可以通过对三个CCD的位置(任意)、 角度调整或更换不同焦距的镜头，就可以进行测量，所以仪器灵活性高，适用范围 广。(2) 独特的位移场分离技术，可以将位移混叠在三幅散斑条纹图中的条纹分离 成相互垂直的三个位移场(即通常所说的U、 V、 W)，便于图像后处理。(3) 精密PZT及步进电机的引入，可实现时间及空间相移的自动化控制，从而使得条纹数字化输出，并在一台仪器上同时集成了该两种位移数字化技术，大大提 高了测量的灵敏度和精度。(4) 根据被测物大小、远近，可以更换光源，使仪器具有很高的通用性。(5) 利用光纤可以弯曲传输光强，分光能量也可以调节，使得参考光的光路布 置更加灵活，从而使得整台仪器紧凑。
权利要求1. 新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，包括一仪器本体、分布在该仪器本体正面的三个CCD成像系统和-大功率激光器及分光光路、以及与所述CCD成像系统电连接的图像处理电路；其中所述的三个CCD成像系统呈三点式布置在仪器本体的正面，其中两个CCD成像系统平行间隔设置，另一个CCD成像系统设置在位于两个CCD成像系统的中点的上方或下方；所述的大功率激光器及分光光路布置在位于该三个CCD成像系统的中心点位置，与另一个CCD成像系统同轴线；所述的从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照射到三个CCD成像系统，与各个CCD成像系统输出的物光干涉后进入图像处理电路进行图像处理。
2、 根据权利要求l所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，还包 括一载波片，在测试时设置在大功率激光器及分光光路与被测物体之间。
3、 根据权利要求2所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的载波片是带有精密步进电机的载波片。
4、 根据权利要求l所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述 的图像处理电路由计算机构成。
5、 根据权利要求l所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的 三个CCD成像系统呈三点式布置，其中有两个CCD成像系统设置在下方左右两边、 另一个CCD成像系统设置在位于有两个CCD成像系统的中心点的上方。
6、 根据权利要求1或5所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所 述的各CCD成像系统包括一CCD、 一可自动变焦成像镜、 一分光方棱镜、 一带有PZT 的全反射镜、以及一扩束镜；所述的分光方棱镜设在中间，所述的CCD和可自动变 焦成像镜分别设在分光方棱镜的两侧，所述的分光方棱镜设在扩束镜的下方，与扩 束镜相对设置；所述的带有PZT的全反射镜设在分光方棱镜的上方，与分光方棱镜 相对；所述的从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照 射到三个带有PZT的全反射镜上，再由带有PZT的全反射镜反射到扩束镜，并由扩 束镜扩束后到分光方棱镜，再由分光方棱镜输出到CCD中，与物光干涉后进入图像处理电路。
7、根据权利要求1所述的新型三维电子散斑干涉仪，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体激光器、 一分光棱镜、 一扩束镜、 一激 光耦合及分光器；所述的大功率固体激光器、分光棱镜、和扩束镜顺序间隔设置在 同一条光路上；所述的激光耦合及分光器与所述的分光棱镜设置在同一条光路上; 所述的大功率固体激光器输出激光到分光棱镜，由分光棱镜输出两路光， 一路经激 光耦合及分光器输出到各CCD成像系统；另一路经扩束镜扩束到被测物体。
8、根据权利要求7所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，还包 括一载波片，在测试时设置在大功率激光器及分光光路的扩束镜与被测物体之间； 从分光棱镜输出的另一路光经扩束镜扩束的光场到载波片，并最终均匀照射在被测 物体上，通过该载波片产生载波条纹被CCD接收输出到图像处理电路。
9、根据权利要求8所述的新型三维电子散斑干涉仪，其特征在于，所述 的载波片是带有精密步进电机的载波片。
专利摘要本实用新型公开了一种新型三维电子散斑干涉仪，其特点是，包括分布在该仪器本体正面的三个CCD成像系统和—大功率激光器及分光光路、以及与CCD成像系统电连接的图像处理电路；三个CCD成像系统呈三点式布置在仪器本体的正面，其中两个CCD成像系统平行间隔设置，另一个CCD成像系统设置在位于两个CCD成像系统的中点上方或下方；大功率激光器及分光光路在位于三个CCD成像系统的中心点位置，与另一个CCD成像系统同轴线；从大功率激光器及分光光路输出的光，经耦合分光成三等份，分别照射到三个CCD成像系统，与各CCD成像系统输出的物光干涉后进入图像处理电路进行图像处理。可一次性得到三维的变形值，操作简单，数据可靠。
文档编号G01B9/02GK201081692SQ200720074599
公开日2008年7月2日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者骅 刘, 吴君毅, 孙炉钢, 熹 张, 张洪伟, 曾宪友, 秦培军, 钢 艾, 郑长江, 鹏 陆, 顾爱中 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所