多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统技术方案

多功能三维位移和形貌的激光干涉测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形、位移测试、形貌测量等技术领域。本发明专利技术由激光器，图像采集摄像系统，分光耦合器，分光光开关，直流电源控制器，三维激光干涉光路系统，放置试件的加载装置台，支架调节体系和计算机等组成。该测量系统可实现ｕ、ｖ、ｗ三个位移场的高精度测量，位移测量灵敏度可达波长量级，并具有数字全息和电子散斑干涉两种位移测量模式，以及数字全息测量表面形貌的模式。采用支架调节体系实现多个方向自由度的调节，方便的系统成像和测量的调节，具有使用方便，结构紧凑、测量精度高等特点。系统配有相移装置，经过相移技术处理后的位移测量精度可达纳米量级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种构件变形和位移测试的三维位移和形貌激光干涉测量系统，属于光测力 学、形貌测量、工程材料、构件变形和位移测试技术等领域。
技术介绍
数字全息(DH)测量方法相对于其它光学干涉的测量方法有很多的优点，能够进行物体相 位分析，及相位物质的显微结构分析；能利用其优良的相位分析可对相位物质进行动态分析 等，具有测量装置简单、非入侵及动态测量的特点。经常用于微机电系统(MEMS)器件、空间 微观粒子成像和跟踪、生物样本的变形或空间位置测量。数字全息测量方法其分辨率主要由 系统结构来决定。电子散斑干涉技术(ESPI)利用激光散斑效应，用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑 场的相关条纹来检测双光束波前之间的相位变化。三维相移电子散斑干涉技术是电子散斑干 涉技术给合相移技术向三维、高精度和自动化方向的发展，具有灵敏度高、可同时获得全场 三维位移、非接触等优点。目前现有的技术中应用的位移及形貌测量的激光干涉测量系统多属于在实验台上临时搭 建的组装结构，无法适用于更加复杂的现场及要求。针对这种情况，国内外已推出一些便携 式商用激光干涉测量系统包括显微数字全息装置及电子散斑干涉仪。比较著名的数字全息装 置国外有瑞士的Lynceetec公司推出了 DHM-1000数字显微全息，国内有上海大学的"数字全 息显微测量装置"(专利号:200610117319.8)，中国科学院上海光学精密机械研究所的大视场 数字全息成像装置(专利号:200240082611. 7);比较著名的电子散斑干涉仪器国内有包括中国 科技大学研制的电子散斑干涉仪和西安交通大学研制的多功能数字散斑干涉仪，中国船舶重工集团公司第七一一研究所的一种三维电子散斑干涉仪(专利号200610024276. O)等。这几 种干涉仪均配有摄像机和图像卡，采集到图像由计算机进行数据处理。但是，国内的数字显 微全息仪器其应用的场合不多，实现透明显微物体轮廓测量检测，透明显微物体的形态变化， 电子散斑干涉仪一般只是对平面或离面位移等的测量。由于数字全息方法和电子散斑方法的 局限性，它们各自测量时均只能测量物体的形貌或形变，该系统在已有的三维电子散斑系统 的基础上进行了较大的改进以适应数字全息的测量环境，能够实时地测量物体的形貌和形变。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，即可实现物体表面 三维位移场(面内位移u， v和离面位移w)的实时测量，又可实现三维形貌测量的目的，同时具有灵敏度高，结构紧凑的优点。本专利技术的技术方案如下 一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，含有激光器l，图像采集拍摄系统3， 六维支架调节系统5，分光开关6，放置试件的加载装置台7以及计算机8，其特征在于该所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统还包括三维干涉光路系统4和分光耦合器2， 所述的三维干涉光路系统包括场镜18、准直镜20、分光棱镜21和成像透镜22;所述的分光 耦合器将激光发出的光分为参考光和物光，参考光通过准直镜20,再经过分光棱镜21入射 到场镜18上，通过成像透镜22到达图像采集摄像系统3;所述的分光开关6将物光分为第 一通道13、第二通道14、第三通道15和第四通道16，所述的计算机8通过控制线与分光开 关相连接，来控制通道的开关，且每次只开通一个通道；四个通道分别与固定在套筒12上的 平移台17上的四个扩束器11相连，且四个扩束器呈90度均匀分布；物光通过第一通道13 到达扩束器ll，通过扩束器照射到试件表面，反射光通过套筒12到达分光棱镜21，再经过 场镜18和成像透镜22到达图像采集摄像系统3;所述的图像采集摄像系统通过数据线与计 算机8相连，所述的六维调节系统与套筒12相连。本专利技术的技术特征还在于所述的三维干涉光路系统4中还含有压电陶瓷驱动器，所 述的压电陶瓷驱动器通过直流稳压电源9与计算机相连。本专利技术的又一技术特征在于所述的三维干涉光路系统3中的成像透镜22、场镜18、 压电陶瓷驱动器19、准直镜20和分光棱镜21被封装在一个暗箱内。本专利技术所述激光器，图像采集拍摄系统，六维支架调节系统，直流稳压电源，放置试 件的加载装置台，全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统固定在套筒中，通过 六维支架调节系统固定在工作台上。本专利技术所述的六维支架调节系统5由升降平移台24、精 密平移台26、面内旋转台23、俯仰台23和垂直面内旋转台29五部分组成；所述的垂直面内 旋转台29固定在俯仰台28上，精密平移台26通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转 台29上，升降平移台24借助于燕尾槽导轨和精密平移台26相连，面内旋转台23通过滑块 机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台24相连。本专利技术装置与现有技术相比，具有以下特点 一、能够同时进行三维的电子散斑干涉方 法和数字全息方法的测量；二、通过计算机程序控制PZT的精确位移，从而达到精确的相移 调节；三、通过计算机程序控制光开关方便快捷的转换四个方向的光路；四、方便的成像调 节体系能够满足多种不同方位的需求，特别是对于大小尺寸不同的物体，能够方便地调节物 距使成像清晰；五、可通过双(多)波长干涉技术，利用数字全息干涉方法来测量物体的形貌; 六、整个测量系统具有动态性好、非接触，而且测量装置简单紧凑，自动化程度较高等优点。 附图说明图1为本专利技术提供的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统的原理结构示意图。 图2为三维干涉光路系统的结构示意图。 图3为六维支架调节系统的结构示意4a和4b分别为平移台的主视图和俯视图。图中l一激光器；2 —分光耦合器；3—图像采集拍摄系统；4一三维干涉光路系统；5 一六维支架调节系统；6 —分光开关；7 —放置试件的加载装置台；8 —计算机；9一直流稳压 电源；IO —试件；11 —四个扩束器；12 —套筒；13 —第一通道；14 —第二通道；15 —第三通 道；16 —第四通道；17 —平移台；18 —场镜；19一压电陶瓷驱动器；20 —准直镜；21 —分光 棱镜；22 —成像透镜；23 —面内旋转台；24 —升降平移台；25 —燕尾槽导轨；26 —精密平移 台；27 —旋转螺杆；28 —俯仰台；29 —垂直面内旋转台；30 —调节旋钮；31—测微丝杆；32-45°板；33-联接圆环板。 具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的原理、工作过程和具体实施例方式图1为本专利技术提供的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统的原理结构示意图。该装置含有激光器l、分光耦合器2、图像采集拍摄系统3，三维干涉光路系统4、六维支架调节 系统5，分光开关6、放置试件的加载装置台7和计算机8，所述的三维干涉光路系统包括场 镜18、准直镜20、分光棱镜21和成像透镜22;所述的分光耦合器将激光发出的光分为参考 光和物光，参考光通过准直镜20，再经过分光棱镜21入射到场镜18上，通过成像透镜22 到达图像采集摄像系统3，分光棱镜21与压电陶瓷驱动器19相连，压电陶瓷驱动器与直流 稳压电源9相连并达到输出一致的效果。直流稳压电源9通过计算机8控制。通过分光棱镜 21的平移，改变参考光的光程，在电子散斑干涉或是数字全息图像记录过程中起到了相移器 的作用；所述的分光开关6将物光分为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统，含有激光器（１），图像采集拍摄系统（３），六维支架调节系统（５），分光开关（６），放置试件的加载装置台（７）以及计算机（８），其特征在于：该所述的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统还包括三维干涉光路系统（４）和分光耦合器（２），所述的三维干涉光路系统包括场镜（１８）、准直镜（２０）、分光棱镜（２１）和成像透镜（２２）；所述的分光耦合器将激光发出的光分为参考光和物光，参考光通过准直镜（２０），再经过分光棱镜（２１）入射到场镜（１８）上，通过成像透镜（２２）到达图像采集摄像系统（３）；所述的分光开关（６）将物光分为第一通道（１３）、第二通道（１４）、第三通道（１５）和第四通道（１６），所述的计算机（８）通过控制线与分光开关相连接，来控制通道的开关，且每次只开通一个通道；四个通道分别与固定在套筒（１２）上的平移台（１７）上的四个扩束器（１１）相连，且四个扩束器呈９０度均匀分布；物光通过第一通道（１３）到达扩束器（１１），通过扩束器（１１）照射到试件（１０）表面，反射光通过套筒（１２）到达分光棱镜（２１），再经过场镜（１８）和成像透镜（２２）到达图像采集摄像系统（３）；所述的图像采集摄像系统通过数据线与计算机（８）相连，所述的六维调节系统与套筒（１２）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴福隆，谢惠民，胡振兴，王怀喜，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]