利用光学方法测量物体位移及变形的系统与流程

1.本实用新型属于采用光学方法为特征的计量设备技术领域，具体涉及一种利用光学方法测量物体位移及变形的系统。


背景技术：

2.现有的光学投影仪的原理基本如下：光源发出的光经过凹面镜后通过螺纹透镜(也称菲涅尔透镜)，投影成像的透明液晶屏或者底片放置在螺纹透镜处，然后在通过凸透镜聚焦后，最终经平面镜反射后在聚焦平面上成像。当透明液晶屏或者底片上的图像发生移动或变形时，聚焦平面上的像也移动后变形成倍的量。
3.现有技术中的光学投影仪，投影利用的是凸透镜成像原理，受其聚焦成像原理所限，放大倍率通常在几倍到十几倍左右，而且需要对焦，否则成像模糊。而当透明液晶屏或者底片上的图像仅发生了微小的位移或变形的时候，使用现有的投影仪来测量物体的位移及变形存在很大的局限性。


技术实现要素：

4.本实用新型意在提供一种利用光学方法测量物体位移及变形的系统，以测量物体微小的位移或者变形。
5.为了达到上述目的，本实用新型的方案为：包括单色光源，单色光源发出的单色光线经过汇聚光路形成聚焦点，单色光线经过聚焦点后形成衍射投影光路，衍射投影光路上设置有成像接收装置，被测物体置于聚焦点处。
6.本方案的工作原理及有益效果在于：
7.将被测物体直接放置在聚焦点上或者将被测物体放置在支撑装置上后再将被测物体放置在聚焦点处。单色光源发出的光线进入到汇聚光路后，聚焦成一个微小的聚焦点，由于是单色光源，该聚焦点最小可汇聚成波长量级。
8.任何物体均具有透光性或者反光性，当光线经过被测物体后进入衍射投影光路并在衍射投影空间里任何位置形成衍射投影图像。该衍射投影图像在衍射扩散角后的任何位置均成像，不用像传统的聚焦成像装置那样需要聚焦、仅在焦平面上成像。当成像接收装置的位置距离l离光聚焦点越远，或衍射扩散角半角α越大，则成像图像越大，图像放大率越大。成像的放大倍率为(tanα
·
l)/(a/2)，a为被测物体长度。由于没有成像的聚焦平面，衍射投影成像的位置距离l可以是衍射投影空间中的任意距离，因此距离l可以为衍射投影出的单色光(激光)可以达到的距离，可以非常大，而焦距s固定不变，图像放大率也可以非常大。
9.最终被测物体的微小位移和变形都会反映在成像的放大像上，放大倍率越大，被测物体的微小位移和变形量越容易精确测量。反之，用测量工具测量放大像的位移和变形量后再除以放大倍率，即可精确测量被测物体的位移和变形量。
10.可选地，单色光源为激光光源。激光光源单色性好，方向性强，光亮度高。
11.可选地，聚焦光路中包括聚焦镜，聚焦镜为凸透镜、凸透镜组、反射凹镜、反射凹镜组、显微镜物镜聚焦镜或显微镜物镜聚焦镜组中的一种，或者聚焦镜为发散准直聚焦多级组合的透镜组。
12.聚焦镜用于将入射的光线聚焦成点，入射光线优选平行光束，如果入射光线不够平行则增加发散准直透镜组，然后再聚焦。甚至采用多级发散准直聚焦透镜组组合。
13.可选地，衍射投影光路包括透射式衍射投影光路或反射式衍射投影光路；透射式衍射投影光路包括双凹透射镜或者平凹透射镜；反射式衍射投影光路包括凸反射镜。
14.根据被测物体本身是否具有透光性或者反光性来选择是透射式衍射投影光路还是反射式衍射光路。透射式衍射投影光路成像亮度相对更高，反射式衍射投影光路利于提升放大倍率或者节省整个系统占用空间。双凹透射镜、平凹透射镜和凸反射镜均能够增大衍射投影光路的衍射扩散角，利于提升放大倍率。
15.可选地，衍射投影光路包括迈克尔逊干涉光路、马赫
‑
曾德干涉光路、剪切干涉光路或者法布里
‑
珀罗干涉光路中的一种。
16.马赫
‑
曾德干涉光路是迈克尔逊干涉光路的改进，没有光路重叠对成像的影响，让衍射投影成像更清晰。剪切干涉光路能够直接测量被测物体的局部应变。法布里
‑
珀罗干涉光路则通过光的多次反射增加测量灵敏度。
17.可选地，成像接收装置包括光敏成像芯片，光敏成像芯片包括ccd芯片或者cmos芯片。
18.利用ccd芯片或者cmos芯片这类光敏成像芯片，将被测物体的放大像的位移或者变形量转变成数字化信号，利于根据芯片的像素密度及灰度快速计算出被测物体的放大像的位移或者变形量。
19.可选地，衍射投影光路全覆盖或者部分覆盖成像接收装置。
20.对于被测物体的放大像的位移或者变形量的测量，多数情况下，并不需要对整个放大像进行测量，尤其是在放大倍率较大时，接收局部的放大像即可完成测量。
21.可选地，单色光源和汇聚光路安装在一起形成光路模块，成像接收装置安装在支撑台架上形成成像接收模块，光路模块与成像接收模块安装成一体或者相互分离。
22.可选地，被测物体为具有透光性或者反光性的位移应变镜，位移应变镜上设有位移应变图案。
23.对于透光性较弱或者表面属于漫反射(反光性差)的被测物体，为了增加成像接收装置接收到的光信号，在位移应变镜上预制特制的图案后将位移应变镜贴附或者镶嵌在被测物体上，再将位移应变镜置于聚焦点上，即可通过位移应变镜上应变图案的衍射投影图像来测量任何物体的位移或者形变。
24.可选地，所述位移应变镜呈柔性片状。
25.被测物体的位移或者变形可以对位移应变镜施加变形力，从而让位移应变镜发生翘曲变形，从而让位移应变图案发生翘曲变形，以测量被测物体的位移或者形变。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例一光路结构示意图；
27.图2为本实用新型实施例二光路结构示意图；
28.图3为本实用新型实施例三光路结构示意图；
29.图4为本实用新型实施例四光路结构示意图；
30.图5为本实用新型实施例五光路结构示意图；
31.图6为本实用新型实施例六光路结构示意图。
具体实施方式
32.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
33.说明书附图中的标记包括：激光光源1、聚焦镜2、位移应变镜3、ccd芯片4、支撑台架5、径向力6、平面反光镜7、半反半透镜分光系统8、凹反射镜系统9。
34.实施例一
35.本实施例基本如图1所示：利用光学方法测量物体位移及变形的系统，包括激光光源，汇聚光路采用凸透镜，激光光源朝向凸透镜，被测物体的被测量区域具有透光性，通常物体表面(或内部)在微观下都会有各种微小结构或图案，例如晶粒结构、划痕、裂纹、凹陷或者凸起等，造成光线经过这些微小结构图案的时候都会形成这些微小结构图案的衍射投影图像，假设被测量区域内存在微小结构图案——划痕，其长度a为100nm＝1
×
102nm，被测物体的测量区域位于凸透镜的聚焦点上，衍射投影光路的衍射扩散角α为45
°
，成像接收装置为ioe3—kaban，其中包含一亿像素的ccd芯片，ccd芯片距离聚焦点的距离为l＝0.1m＝1
×
108nm，凸透镜和ccd芯片位于聚焦点的两侧，激光光源、被测物体和凹透镜安装在一个支撑台架上，ccd芯片安装在另一个支撑台架上。
36.该系统放大倍率为＝1
×
108nm
÷
(1
×
102nm
÷
2)＝2
×
106倍，即200万倍，ccd芯片的像素密度为92.16mm/10240像素＝9.216
×
10
‑2m
÷
1.024
×
104像素≈9
×
10
‑6m/像素，通过ccd芯片可以识别出衍射投影出的划痕的放大像每一像素级的移动或者变形，因此测量精度为9
×
10
‑6m
÷2×
106＝4.5
×
10
‑
12
m＝4.5皮米。
37.聚焦点的大小、均匀度、以及焦点距离s可以通过凸透镜或凸透镜组进行设计，凸透镜的曲率越大，其焦点距离s越短、衍射扩散角也越大，放大倍率也越大。凸透镜也可以替换为其他能够形成汇聚光路的光学镜。
38.发生位移或者变形时，通过测量被测物体测量区域的位移量，即可测量该物体的位移或者变形量。
39.实施例二
40.本实施例基本如附图2所示，与实施例一的区别之处在于：被测物体透光性和反光性差，位移应变镜为平面反光镜，位移应变镜贴附在被测物体表面上，位移应变镜上刻蚀有由多个具有相同的图案单元组成的阵列的位移应变图案。平面反光镜与激光光源的光线的轴线呈45
°
夹角，位移应变镜位于凸透镜的聚焦点上，凸透镜位于聚焦点的左侧，成像接收装置位于聚焦点的上侧。
41.测量原理与实施例一相同，但本实施例减小了整个系统在光轴线上的尺寸。而且，通过测量每个图案单元的放大像的位移量或者变形量然后取平均值，进一步提升测量结果的精准性。
42.实施例三
43.本实施例基本如附图3所示，与实施例二的区别之处在于：位移应变镜与激光光源
的光线的轴线呈90
°
夹角，凸透镜和图像接收装置位于位移应变镜的同一侧，且凸透镜位于图像接收装置之后。
44.在保证相同放大倍率的情况下，该种设置方式进一步减小了整个系统在光轴线上的尺寸，更节省空间。
45.实施例四
46.本实施例基本如附图4所示，与实施例二的区别之处在于：两个支撑台架连成一体，位移应变镜由0.5mm厚的pmma有机玻璃制成，兼具透光性好、强度好、柔性等特点，被测物体受径向压力使得位移应变镜能够发生翘曲变形。
47.位移应变镜可以随着被测物体的径向翘曲变形而发生变形。位移应变镜固定在物体上后，物体的变形也可引起位移应变镜的变形，从而精确测量物体的变形。
48.实施例五
49.本实施例基本如附图5所示，与实施例三的区别之处在于：位移应变镜由0.5mm厚的pmma有机玻璃制成，位移应变镜的表面上镀有反光膜。
50.这样被测物体发生变形后使得反光膜弯曲，从而精确测量被测物体的变形量。
51.实施例六
52.本实施例基本如附图6所示，与实施例一的区别之处在于：汇聚光路采用马赫
‑
曾德干涉光路，激光光源的光线先经过一个半反半透镜分光系统后，再经过两个凹反射镜系统，最后汇聚到另一个半反半透镜分光系统并形成聚焦点。
53.马赫
‑
曾德干涉光路没有光路重叠对成像的影响，衍射投影成像更清洗，测量精度更高。
54.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和本实用新型的实用性。说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。