本发明专利技术公开了一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法，通过开关可变扩束器，以及标准球面镜头和可变倍成像镜头的切换，形成紧凑式双波长激光干涉系统和双波长散斑干涉系统两种模式共用的测量装置。利用双波长产生的合成波长干涉信号可以提高系统的测量动态范围，同时利用偏振同步移相技术可以实现系统的动态测量，降低测量环境的抗振要求。本发明专利技术测量装置及方法可以实现高精度复合材料曲面元件的大视场、大动态范围和实时动态的光滑表面形貌及粗糙表面形变的在线原位精确测量。
【技术实现步骤摘要】
一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法
本专利技术涉及光学测量技术，特别是一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法。
技术介绍
应用于空间、航天等领域的高精度复合材料，其表面形貌和形变与传感精度等重要特性密切相关，形貌是表面加工质量的直接体现，而形变则是材料力学性能和结构可靠性最直观的体现，因此在复合材料元件的制造过程中，对光滑表面形貌和粗糙表面形变的同步联合全视场测量非常关键。在光学测量方法中，数字散斑干涉技术以其相对简单的光路结构、全场测量、非接触无损害等优点成为了测量粗糙表面的最有效的方法。散斑干涉形变测量方法是以粗糙物体表面的漫反射物波与参考光波干涉形成干涉条纹的形式记录物体漫反射物光波与参考光波之间的相位差关系。物体变形前后记录的两幅干涉条纹的变化中，包含物体形貌的变化信息，即形变信息。通过计算变形前后两幅干涉图中的物光波之间相位差可以获取物体的形变值。为了解决在振动环境下高精度测量的问题，研究人员提出了偏振移相的技术，偏振移相技术是通过采用微偏振阵列实现瞬态空间同步移相，各组移相的条纹不会由于外界的振动产生移相误差，可实现高精度的动态测量。2004年MichaelM等人提出了微偏振阵列的数字散斑干涉技术(M.North,J.Millerd,andN.BrockN,Proc.SPIE.5869(2004).)，该方法基于瞬态同步偏振移相的方法实现了直径约1米的詹姆斯-韦伯太空望远镜背板结构材料的形变测量同时又集成了动态泰曼格林干涉系统可以实现光滑表面的形貌测量，但是该技术使用单波长激光器，能够测量到的形貌及形变量范围有限，无法测量动态范围较大的表面。单波长散斑干涉技术对于大形变的测量，受激光波长的限制，测量过程中会存在过多的干涉条纹，产生相位模糊的现象，从而无法进行准确的恢复，而双波长散斑干涉测量技术可以通过合成波长的方法使相位的测量范围可以被扩大到一个比原单个波长更大的合成波长，从而可以增大动态范围的测量量程，减轻相位模糊的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了上述现有技术的不足，提出了一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法，实现复合材料元件的大视场、大动态范围和实时动态的光滑表面形貌及粗糙表面形变的在线原位精确测量。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一方面，一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，有双波长激光干涉和双波长散斑干涉两种工作模式，该测量装置包括第一激光器、第二激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、可变扩束器、扩束准直镜、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、标准参考反射镜、第二四分之一波片、标准球面镜头或者可变倍成像镜头、聚焦镜、成像透镜、第三四分之一波片、微偏振片阵列、CCD探测器和计算机；沿第一激光器的出射光束光路上依次设置有第一二分之一波片和第一偏振分光棱镜；沿第二激光器的出射光束光路上依次设置有第二二分之一波片、第一反射镜和第一偏振分光棱镜；所述的第一偏振分光棱镜将入射光分为二束，其中一束光依次经所述的第二反射镜和第三反射镜入射到所述的可变扩束器，另一束光经所述的扩束准直镜入射到第二偏振分光棱镜，该第二偏振分光棱镜将入射光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一四分之一波片入射到标准参考反射镜，经该标准参考反射镜反射后，并沿原路返回，经所述的第一四分之一波片再次入射到第二偏振分光棱镜，作为参考光束；当双波长激光干涉工作模式时，用于检测光滑表面被测件的表面形貌，所述的可变扩束器处于关闭状态，所述的第二偏振分光棱镜的反射光束经第二四分之一波片和标准球面镜头入射到光滑表面被测件，被光滑表面被测件的表面镜反射的光束经标准球面镜头形成测试光束；当双波长散斑干涉工作模式时，用于检测粗糙表面被测件的表面形变，所述的可变扩束器处于打开状态，将入射光进行扩束后，入射到粗糙表面被测件，被粗糙表面被测件的表面漫反射的光束经可变倍成像镜头形成测试光束；所述的参考光束与测试光束经第二四分之一波片和第二偏振分光棱镜入射到聚焦镜上，聚焦镜出射的光束依次经过成像透镜、第三四分之一波片和微偏振片阵列后被CCD探测器接收，在CCD探测器上形成4幅相位相差π/2的干涉条纹图，与CCD探测器连接的计算机进行相位恢复计算得到光滑表面被测件的表面形貌或粗糙表面被测件的表面形变。进一步的，所述的微偏振片阵列的单元尺寸与CCD探测器像素单元尺寸相同，即一一对应关系，所述的微偏振片阵列集成在CCD探测器靶面上，并且两者的单元相互对准。进一步的，所述的第一激光器发出的光波长为λ1，第二激光器发出的光波长为λ2，并且λ1≠λ2。进一步的，所述的光滑表面被测件能使入射光发生镜反射，粗糙表面被测件能使入射光发生漫反射。进一步的，所述的可变扩束器扩束后的光束的入射角度与粗糙表面被测件的表面垂直。进一步的，所述的标准球面镜头和可变倍成像镜头在不同的工作模式下可互相切换。进一步的，所述的CCD探测器的输出端与计算机相连，用于处理采集的干涉图像数据。另一方面，一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量方法，该测量方法包括如下步骤：1)当测量能使入射光发生镜反射的光滑表面被测件的表面形貌时，采用双波长激光干涉系统工作模式，采用标准球面镜头，关闭可变扩束器：1.1)打开第一激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，通过计算机进行四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ1下的相位结果φ1(x,y)；1.2)关闭第一激光器，打开第二激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，通过计算机进行四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ2下的相位结果φ2(x,y)；1.3)使用计算机计算待测物体的形貌w(x,y)，公式如下：其中，Δφs(x,y)＝φ1(x,y)-φ2(x,y)，合成波长2)当测量能使入射光发生漫反射的粗糙表面被测件的表面形变时，采用双波长散斑干涉系统工作模式，采用可变倍成像镜头，打开可变扩束器：2.1)打开第一激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，通过计算机进行四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ1下的相位结果φ3(x,y)；2.2)关闭第一激光器，打开第二激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，通过计算机进行四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ2下的相位结果φ4(x,y)；2.3)当待测物体受到额外的加载力使表面产生形变后，同理可以得到在激光波长λ1下的相位测量结果φ3'(x,y)和在激光波长λ2下的相位测量结果φ4'(x,y)。2.4)面外变形产生的位移与相位的关系式为其中，合成波长为在激光波长λ1下待测物体变形前后的相位之差为Δφ3(x,y)＝φ3'(x,y)-φ3(x,y)，在激光波长λ2下待测物体变形前后的相位之差为Δφ4(x,y)＝φ4'(x,y)-φ4(x,y)。本专利技术的有益效果是：1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于，有双波长激光干涉和双波长散斑干涉两种工作模式，该测量装置包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一二分之一波片(3)、第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、第一偏振分光棱镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、可变扩束器(9)、扩束准直镜(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第一四分之一波片(12)、标准参考反射镜(13)、第二四分之一波片(14)、标准球面镜头(15)或者可变倍成像镜头(16)、光滑表面被测件(17)、粗糙表面被测件(18)、聚焦镜(19)、成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)、微偏振片阵列(22)、CCD探测器(23)和计算机(24)；/n沿第一激光器(1)的出射光束光路上依次设置有第一二分之一波片(3)和第一偏振分光棱镜(6)；沿第二激光器(2)的出射光束光路上依次设置有第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)和第一偏振分光棱镜(6)；所述的第一偏振分光棱镜(6)将入射光分为二束，其中一束光依次经过所述的第二反射镜(7)和第三反射镜(8)入射到所述的可变扩束器(9)，另一束光经过所述的扩束准直镜(10)入射到第二偏振分光棱镜(11)，该第二偏振分光棱镜(11)将入射光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一四分之一波片(12)入射到标准参考反射镜(13)，经该标准参考反射镜(13)反射后，并沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(12)再次入射到第二偏振分光棱镜(11)，作为参考光束；/n当双波长激光干涉工作模式时，用于检测光滑表面被测件(17)的表面形貌，所述的可变扩束器(9)处于关闭状态，所述的第二偏振分光棱镜(11)的反射光束经第二四分之一波片(14)和标准球面镜头(15)入射到光滑表面被测件(17)，被光滑表面被测件(17)的表面镜反射的光束经标准球面镜头(15)形成测试光束；/n当双波长散斑干涉工作模式时，用于检测粗糙表面被测件(18)的表面形变，所述的可变扩束器(9)处于打开状态，可变扩束器(9)将入射光进行扩束后，入射到粗糙表面被测件(18)，被粗糙表面被测件(18)的表面漫反射的光束经可变倍成像镜头(16)形成测试光束；/n所述的参考光束与测试光束经第二四分之一波片(14)和第二偏振分光棱镜(11)入射到聚焦镜(19)上，聚焦镜(19)出射的光束依次经过成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)和微偏振片阵列(22)后被CCD探测器(23)接收，在CCD探测器(23)上形成四幅相位相差π/2的干涉条纹图，与CCD探测器(23)连接的计算机(24)进行相位恢复计算得到光滑表面被测件(17)的表面形貌或粗糙表面被测件(18)的表面形变。/n...
【技术特征摘要】
1.一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于，有双波长激光干涉和双波长散斑干涉两种工作模式，该测量装置包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一二分之一波片(3)、第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、第一偏振分光棱镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、可变扩束器(9)、扩束准直镜(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第一四分之一波片(12)、标准参考反射镜(13)、第二四分之一波片(14)、标准球面镜头(15)或者可变倍成像镜头(16)、光滑表面被测件(17)、粗糙表面被测件(18)、聚焦镜(19)、成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)、微偏振片阵列(22)、CCD探测器(23)和计算机(24)；
沿第一激光器(1)的出射光束光路上依次设置有第一二分之一波片(3)和第一偏振分光棱镜(6)；沿第二激光器(2)的出射光束光路上依次设置有第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)和第一偏振分光棱镜(6)；所述的第一偏振分光棱镜(6)将入射光分为二束，其中一束光依次经过所述的第二反射镜(7)和第三反射镜(8)入射到所述的可变扩束器(9)，另一束光经过所述的扩束准直镜(10)入射到第二偏振分光棱镜(11)，该第二偏振分光棱镜(11)将入射光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一四分之一波片(12)入射到标准参考反射镜(13)，经该标准参考反射镜(13)反射后，并沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(12)再次入射到第二偏振分光棱镜(11)，作为参考光束；
当双波长激光干涉工作模式时，用于检测光滑表面被测件(17)的表面形貌，所述的可变扩束器(9)处于关闭状态，所述的第二偏振分光棱镜(11)的反射光束经第二四分之一波片(14)和标准球面镜头(15)入射到光滑表面被测件(17)，被光滑表面被测件(17)的表面镜反射的光束经标准球面镜头(15)形成测试光束；
当双波长散斑干涉工作模式时，用于检测粗糙表面被测件(18)的表面形变，所述的可变扩束器(9)处于打开状态，可变扩束器(9)将入射光进行扩束后，入射到粗糙表面被测件(18)，被粗糙表面被测件(18)的表面漫反射的光束经可变倍成像镜头(16)形成测试光束；
所述的参考光束与测试光束经第二四分之一波片(14)和第二偏振分光棱镜(11)入射到聚焦镜(19)上，聚焦镜(19)出射的光束依次经过成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)和微偏振片阵列(22)后被CCD探测器(23)接收，在CCD探测器(23)上形成四幅相位相差π/2的干涉条纹图，与CCD探测器(23)连接的计算机(24)进行相位恢复计算得到光滑表面被测件(17)的表面形貌或粗糙表面被测件(18)的表面形变。
2.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的微偏振片阵列(22)的单元尺寸与CCD探测器(23)像素单元尺寸相同，即一一对应关系，所述的微偏振片阵列(22)集成在CCD探测器(23)靶面上，并且两者的单元相互对准。
【专利技术属性】
技术研发人员：王晨，刘世杰，周游，白云波，鲁棋，徐天柱，潘靖宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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