基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置及測(cè)量方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置及測(cè)量方法，激光器出射光被分光棱鏡分為第一束光和第二束光；第一束光經(jīng)另一分光棱鏡反射到單色CCD相機(jī)成像靶面上，構(gòu)成參考光路；第二束光經(jīng)平面鏡反射照射在被測(cè)物體表面，形成激光散斑場(chǎng)，單色CCD相機(jī)從與光軸對(duì)稱(chēng)的雙方向同時(shí)接收激光散斑場(chǎng)，構(gòu)成兩個(gè)物光路；通過(guò)切換參考光路和物光路的開(kāi)閉，形成同步測(cè)量的數(shù)字散斑干涉光路和剪切數(shù)字散斑干涉光路，提取散斑干涉條紋相位和剪切散斑干涉條紋相位，測(cè)得被測(cè)物體表面變形和斜率。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體變形及其斜率信息的同步、獨(dú)立測(cè)量，無(wú)需重復(fù)加載和后期分離；采用相移技術(shù)，提高測(cè)量精度；構(gòu)建測(cè)量靈敏度可調(diào)且物光共用的散斑干涉雙光路，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及光學(xué)測(cè)量
，具體涉及一種數(shù)字散斑干涉測(cè)量方法。
技術(shù)介紹
數(shù)字散斑干涉技術(shù)和剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)是兩種基于激光散斑干涉技術(shù)的全場(chǎng)、非接觸、高精度、高靈敏度的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。前者廣泛應(yīng)用于物體表面的變形測(cè)量、振動(dòng)分析、形貌測(cè)試和缺陷檢測(cè)等，而后者可直接測(cè)量物體變形的斜率，主要應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。整合數(shù)字散斑干涉技術(shù)和剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)開(kāi)展物體變形及其斜率信息的同步測(cè)量研究，對(duì)于解決具有相對(duì)較大變形和相對(duì)較小斜率物體的內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題顯得較為方便，這也為實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)中不同類(lèi)型缺陷的無(wú)損檢測(cè)提供了多種選擇。目前基于數(shù)字散斑干涉技術(shù)的物體變形及其斜率同時(shí)測(cè)量方法主要分成三類(lèi)：第一類(lèi)是多孔徑剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)，該技術(shù)需針對(duì)不同測(cè)試對(duì)象制作專(zhuān)門(mén)的多孔徑模板，光路系統(tǒng)較為復(fù)雜，且獲得的變形及其斜率信息相互耦合，并不獨(dú)立；第二類(lèi)是邁克爾遜式剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)，該技術(shù)獲得的載頻變形信息和斜率信息相互耦合，不獨(dú)立，需在頻域中設(shè)置適合的頻率窗口將其進(jìn)行后期分離。這種技術(shù)雖適合變形及其斜率信息的動(dòng)態(tài)測(cè)量，但測(cè)量精度不高；第三類(lèi)是數(shù)字散斑干涉技術(shù)與剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)的組合，該技術(shù)雖能獨(dú)立獲得變形及其斜率信息，但不能實(shí)現(xiàn)變形及其斜率信息的同步測(cè)量。綜上所述，已有技術(shù)均不能實(shí)現(xiàn)變形及其斜率信息的同步、獨(dú)立和高精度測(cè)量，因而嚴(yán)重阻礙了數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專(zhuān)利技術(shù)目的：本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置及測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)物體離面變形及其斜率信息的同步、獨(dú)立和高精度測(cè)量，使測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量方法便捷。技術(shù)方案：本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，包括激光發(fā)射器、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、單色CCD相機(jī)、平面鏡、側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡、壓電陶瓷相移器和計(jì)算機(jī)；所述激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)第一分光棱鏡分成反射光及透射光，分別對(duì)應(yīng)參考光路和物光路，其中，透射光經(jīng)平面鏡反射到被測(cè)物體表面，沿光軸對(duì)稱(chēng)布置有兩面平面鏡，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)有側(cè)面全反直角三棱鏡，其中一面平面鏡的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器且其中一面平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡之間設(shè)有光學(xué)開(kāi)關(guān)，被測(cè)物體表面散射的物光被兩面平面鏡反射依次通過(guò)沿光軸方向上布置的側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡及第二分光棱鏡進(jìn)入到單色CCD相機(jī)成像靶面；此外，激光經(jīng)第一分光棱鏡分成的反射光經(jīng)光學(xué)開(kāi)關(guān)及第二分光棱鏡也投射到單色CCD相機(jī)成像靶面上；所述單色CCD相機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接。進(jìn)一步，沿光軸對(duì)稱(chēng)布置的兩面平面鏡之間的距離可調(diào)，通過(guò)改變物光接收的角度，從而調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度。進(jìn)一步，所述計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷相移器驅(qū)動(dòng)平面鏡平移微小距離產(chǎn)生相移，光程差的改變導(dǎo)致相位的變化，可提高物體表面變形及其斜率的測(cè)量精度。一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量方法，包括以下步驟：(1)被測(cè)物體加載變形前，打開(kāi)兩個(gè)光學(xué)開(kāi)關(guān)，單色CCD相機(jī)采集數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；(2)被測(cè)物體加載變形后，單色CCD相機(jī)采集變形后數(shù)字散斑干涉圖像，并與參考圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)相減，得到實(shí)時(shí)的耦合數(shù)字散斑干涉條紋圖；(3)打開(kāi)參考光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，并關(guān)閉一支物光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，使得整個(gè)系統(tǒng)成為數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面離面變形的全場(chǎng)測(cè)量；打開(kāi)一支物光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，并關(guān)閉參考光路中的光學(xué)開(kāi)關(guān)，使得整個(gè)系統(tǒng)成為剪切數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面離面變形斜率的全場(chǎng)測(cè)量；(4)通過(guò)光學(xué)開(kāi)關(guān)在數(shù)字散斑干涉光路和剪切數(shù)字散斑干涉光路之間切換，并利用計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷相移器同步采集多幅具有等相移量的數(shù)字散斑干涉條紋圖和剪切數(shù)字散斑干涉條紋圖；(5)利用相移技術(shù)解調(diào)被測(cè)物體的變形和斜率信息包裹相位圖，并對(duì)其進(jìn)行相位解包裹處理，得到兩幅連續(xù)分布的相位圖；(6)利用兩幅連續(xù)分布的相位圖分別計(jì)算出被測(cè)物體的變形和斜率信息。進(jìn)一步，被測(cè)物體表面變形及其斜率分別表示為：式中，λ為所用激光的波長(zhǎng)，θ為接收物光與光軸的夾角，Δx為被測(cè)物體沿x方向的物面剪切量，δw對(duì)應(yīng)被測(cè)物體表面離面變形的相位分布，δx對(duì)應(yīng)被測(cè)物體表面離面變形斜率的相位分布。有益效果：本專(zhuān)利技術(shù)散斑干涉光路的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了數(shù)字散斑干涉光路和剪切數(shù)字散斑干涉光路的物光共用，降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜程度；可以實(shí)現(xiàn)物體變形及其斜率信息的同步一次性測(cè)量，無(wú)需重復(fù)加載，也可實(shí)現(xiàn)物體變形及其斜率信息的獨(dú)立測(cè)量，不需要后期分離處理；采用相移技術(shù)，提高物體變形及其斜率信息的測(cè)量精度；采用雙方向觀察，實(shí)現(xiàn)測(cè)量靈敏度可調(diào)，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。附圖說(shuō)明圖1為本專(zhuān)利技術(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)離面變形的散斑干涉條紋圖；圖2b為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)斜率的剪切散斑干涉條紋圖；圖2c為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)離面變形的連續(xù)相位分布圖；圖2d為實(shí)施例中對(duì)應(yīng)斜率的連續(xù)相位分布圖。具體實(shí)施方式下面對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。實(shí)施例：一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，如圖1所示，包括激光發(fā)射器1、第一分光棱鏡2、第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3、單色CCD相機(jī)4、第二分光棱鏡5、成像透鏡6、側(cè)面全反直角棱鏡7、第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8、第一平面鏡9、第二平面鏡10、第三平面鏡11、第四平面鏡12和被測(cè)物體13。激光發(fā)射器1沿水平方向發(fā)出激光，經(jīng)過(guò)位于激光發(fā)射器1左邊的第一分光棱鏡2后分成反射光和透射光，因此形成參考光路和物光路。物光路為分出的透射光經(jīng)過(guò)第三平面鏡11和第四平面鏡12的反射到被測(cè)物體13表面，其中，第三平面鏡11設(shè)置在分光棱鏡左側(cè)，而第四平面鏡12位于第三平面鏡11的上方，兩面平面鏡相互平行。透射光經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡2沿平行光軸方向射出，與兩面平面鏡的入射角皆呈45°，使得經(jīng)過(guò)反射的透射光能夠沿著光軸方向垂直照射在被測(cè)物體13表面。第一平面鏡9和第二平面鏡10沿光軸對(duì)稱(chēng)布置，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)置側(cè)面全反直角三棱鏡7，被測(cè)物體13、側(cè)面全反直角三棱鏡7、成像透鏡6、第二分光棱鏡5與單色CCD相機(jī)4沿光軸方向依次放置。在透射光照射被測(cè)物體13后，被測(cè)物體13表面散射的物光經(jīng)過(guò)第一平面鏡9和第二平面鏡10的反射，通過(guò)側(cè)面全反直角三棱鏡7接收后經(jīng)成像透鏡6成像在單色CCD相機(jī)4成像靶面上。第一平面鏡9和第二平面鏡10中的其中一個(gè)背面設(shè)有壓電陶瓷相移器，同時(shí)，其中一個(gè)平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡7之間設(shè)有第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8。參考光路為第一分光棱鏡2分出的反射光，沿垂直光軸方向射出，通過(guò)第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，正好經(jīng)過(guò)設(shè)置在成像透鏡6和單色CCD相機(jī)4之間的第二分光棱鏡5，投射到單色CCD相機(jī)4成像靶面上作為參考光。傾斜第一平面鏡9和第二平面鏡10中的任意一面，使得從兩個(gè)對(duì)稱(chēng)方向觀察的兩束物光在單色CCD相機(jī)4成像靶面上形成兩個(gè)錯(cuò)位的圖像；單色CCD相機(jī)4通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接；打開(kāi)參考光路中的第一光學(xué)開(kāi)關(guān)3，并關(guān)閉一支物光路中的第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8，使得整個(gè)系統(tǒng)成為數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體13表面離面變形的全場(chǎng)測(cè)量；打開(kāi)一支物光路中的第二光學(xué)開(kāi)關(guān)8，并關(guān)閉參考光路中的第一光本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，其特征在于：包括激光發(fā)射器、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、單色CCD相機(jī)、平面鏡、側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡、壓電陶瓷相移器和計(jì)算機(jī)；所述激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)第一分光棱鏡分成反射光及透射光，分別對(duì)應(yīng)參考光路和物光路，其中，透射光經(jīng)平面鏡反射到被測(cè)物體表面，沿光軸對(duì)稱(chēng)布置有兩面平面鏡，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)有側(cè)面全反直角三棱鏡，其中一面平面鏡的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器且其中一面平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡之間設(shè)有光學(xué)開(kāi)關(guān)，被測(cè)物體表面散射的物光被兩面平面鏡反射依次通過(guò)沿光軸方向上布置的側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡及第二分光棱鏡進(jìn)入到單色CCD相機(jī)成像靶面；此外，激光經(jīng)第一分光棱鏡分成的反射光經(jīng)光學(xué)開(kāi)關(guān)及第二分光棱鏡也投射到單色CCD相機(jī)成像靶面上；所述單色CCD相機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，其特征在于：包括激光發(fā)射器、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、單色CCD相機(jī)、平面鏡、側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡、壓電陶瓷相移器和計(jì)算機(jī)；所述激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)第一分光棱鏡分成反射光及透射光，分別對(duì)應(yīng)參考光路和物光路，其中，透射光經(jīng)平面鏡反射到被測(cè)物體表面，沿光軸對(duì)稱(chēng)布置有兩面平面鏡，兩面平面鏡的連線中點(diǎn)上設(shè)有側(cè)面全反直角三棱鏡，其中一面平面鏡的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器且其中一面平面鏡與側(cè)面全反直角三棱鏡之間設(shè)有光學(xué)開(kāi)關(guān)，被測(cè)物體表面散射的物光被兩面平面鏡反射依次通過(guò)沿光軸方向上布置的側(cè)面全反直角三棱鏡、透鏡及第二分光棱鏡進(jìn)入到單色CCD相機(jī)成像靶面；此外，激光經(jīng)第一分光棱鏡分成的反射光經(jīng)光學(xué)開(kāi)關(guān)及第二分光棱鏡也投射到單色CCD相機(jī)成像靶面上；所述單色CCD相機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述壓電陶瓷相移器通過(guò)直流穩(wěn)壓電源與計(jì)算機(jī)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，其特征在于：沿光軸對(duì)稱(chēng)布置的兩面平面鏡之間的距離可調(diào)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量裝置，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷相移器驅(qū)動(dòng)平面鏡平移產(chǎn)生相移。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑干涉的變形及斜率同步測(cè)量方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)被測(cè)物體加載變形前，打開(kāi)兩個(gè)光學(xué)開(kāi)關(guān)，單色CCD相機(jī)采集數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：顧國(guó)慶，佘斌，孔海陵，王路珍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：鹽城工學(xué)院，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32