M2' 、 K2、K2'、M3、输出全反射镜、分光棱镜以及成像屏； 光源（1)发出的激光经光路提升机构（2)实现光路提升；提升后的光路到达扩束器实 现扩束，形成锥形扩束光； 在扩束器后方放置三维云纹本体（4);其中扩束器的中心点与非球面镜的焦点重合， 扩束光经过非球面镜形成准直光，全反射镜MpM/、M2、M2' 'KpK/、K2、K/布置在非 球面镜后面，全反射镜MpM/、M2、M/放置方向与水平成45°角，全反射镜Mi、M2、M/、 M/依次上下左右均匀布置第一圆周上，KpH/、K/全反射镜依次上下左右均匀布置 在第二圆周上，第一圆周的圆周直径大于第二圆周的直径，第一圆周与第二圆周的圆心重 合，且圆心过非球面镜的中心光轴，同时两个圆周所在的平面与非球面镜的中心光轴垂直； 准直光到达全反射镜A、M2被反射后形成两束光，并再次到全反射镜Ki、K2上进行二次反射， 形成两束对称光在光栅试件表面干涉；准直光到达全反射镜M/、M2'被反射后形成两束 光，并再次到全反射镜V、K2'上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉； 分光棱镜和输出全反射镜位于全反射镜MpM/、M2、M2'、、、!(/、K2、K/的后面， 其中心位于非球面镜的中心光轴上，但非同时使用，输出全反射镜、分光棱镜的斜面与水平 方向成45°角放置；分光棱镜和输出全反射镜正上方放置全反射镜M3，水平放置；分光棱 镜和输出全反射镜正下方放置成像屏，水平放置；全反射镜A、M2、KpK2以及输出全反射镜 组成V场云纹测量镜组，全反射镜札'、M/、K/、K/以及输出全反射镜组成U场云纹 测量镜组，分光棱镜、全反射镜M3组成W场云纹测量镜组； 分光棱镜和输出全反射镜后方放置试件平台（5)，试件平台（5)竖直放置，与非球面镜 中心光轴垂直，将光栅转移在被测材料表面，形成光栅试件置于试件平台（5)上，图像采集 与处理系统（8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理； 所述相位及其控制系统（6)由相移器驱动电源及3个PZT相移器构成，3个相移器分别 设在全反射镜M3、KpK/上，用于对反射光进行相移。
2. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述光路提升机构（2)由万用型 光束提升架、全反射镜M4和全反射镜M5组成，全反射镜M4和全反射镜M5分别固定在万用型 光束提升架上的下端和上端，放置角度与水平方向成45度，光路经过全反射镜仏反射至全 反射镜M5，由M5反射至扩束器，实现光路提升。
3. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述扩束器采用过半球扩束器。
4. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，所述扩束器与非球面镜之间进 一步包括滤波器，滤波器采用针孔空间滤波器。
5. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，全反射镜MpM/、M2、M/、Ki、 K/、K2、V1314和115采用表面平整度为人/8的高能全反射镜，人为光源（1)的波长。
6. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，全反射镜Ki、K2、V、K/角度 可调节，根据当前使用光栅试件的衍射角y，调节全反射镜HyK/、K/与水平方向的 夹角〇 : 〇 = (90。-y)/2 (1)
7. 如权利要求1或6所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，针对每个需要角度调节的 全反射镜，设置角度调节组件，包括：全反射镜固定框（9)、带有刻度的转盘（10)、蜗轮（11) 和蜗杆（12);蜗轮（11)和蜗杆（12)组成垂直转动元件，带有刻度的转盘（10)固定在蜗轮 (11)上，全反射镜固定框（9)固定在带有刻度的转盘（10)上，需要调节的全反射镜固定全 反射镜固定框（9)上。
8. 如权利要求1所述的三维云纹干涉仪，其特征在于，进一步包括准直光校验器（7)， 当对准直光进行准直校验时，将准直光校验器（7)放置于输出全反射镜和试件平台（5)之 间；准直光校验器（7)由平面楔镜附加升降及转动调节功能形成；平面楔镜前后表面平面 度精度达到A/1〇以上；玻璃的一面为标准平面，另一面相对于该标准平面有一微小的斜 度，斜度约为2"，形成玻璃楔。
9. 一种利用如权利要求8所述的三维云纹反射仪的材料表面测量方法，其特征在于， 具体包括以下步骤： 步骤1 :准直光校验； 准直光校验器（7)和扩束光成45°方向布置，观察成像屏上干涉条纹，当干涉条纹水 平时，认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取，当干涉条纹非 水平时，左右移动扩束器，使得干涉条纹水平，此时认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点 完全重合，完成准直光的获取；检验好准直光后，将准直校验器（7)移出光场； 步骤2 :将光栅试件放置在试件平台（5)上； 步骤3 :测量光栅试件的形变在U、V、W场形成的位移； (1) 测量UV面内位移 UV面内位移测量可分为U场和V场分别测量，测量原理相同； 遮蔽全反射镜M/、M/、K/、K/、M3，并放置输出全反射镜于全反射镜MpMd、K2和试件平台（5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行V场位移测量；准直光到 达全反射镜乂、M2被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜KK2上进行 二次反射，形成对称的两束光，光束1和光束2,光束1和光束2在光栅试件表面干涉，然后 再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统 (8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理； 遮蔽全反射镜乂為、1(1、1(2為，并放置输出全反射镜于全反射镜乂 /12/、1(1/、1(2 / 和试件平台（5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行U场位移测量；准直光到达 全反射镜M/、M/被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K/、K/ 上进行二次反射到光栅试件表面，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终 成像到成像屏上；图像采集与处理系统（8)从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理； (2) 测量W离面位移 遮蔽全反射镜、M/、K/、K/，并放置分光棱镜于M/、M/、K/、K2'和试件平台（5)中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行W场 位移测量；准直光到达分光棱镜，一半准直光透过分光棱镜，一半准直光被反射；透过分光 棱镜的一半准直光到达试件平台（5)上光栅试件的表面，被反射到分光棱镜的后表面，继 续反射最终在成像屏上成像；一半被分光棱镜前表面反射的准直光向上反射到全反射镜M3 的表面，再次被反射回分光棱镜，光线透过分光棱镜最终成像到三维云纹仪本体（4)的成 像屏上，上述到达成像屏上的两束光线干涉形成干涉云纹，图像采集与处理系统（8)从成 像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。
【专利摘要】本发明公开了一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法。本发明在现有技术能够测量试件的形变在U、V形成的位移的基础上，引入分光棱镜以及带有PZT相移器的全反射镜，能够实现试件三维变形的测量，从而提高测量范围。在测量中全反射镜M1、M2、K1、K2以及输出全反射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜M1＇、M2＇、K1＇、K2＇以及输出全反射镜组成U场云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M3组成W场云纹测量镜组，同时引入准直光校验器完成准直光的获取，完成试件三维变形的测量。
【IPC分类】G01B11-16
【公开号】CN104713489
【申请号】CN201510056770
【发明人】陆鹏, 张庆, 刘张超, 邱爱华, 陈原伟, 龚礼东, 孙伟, 周唯
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一一研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年2月4日