專利名稱：二維相移云紋干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電子和光測(cè)量?jī)x器，更具體地指一種二維相移云紋干涉儀。
背景技術(shù)：
云紋干涉(Moire Interferometry)，是計(jì)算機(jī)圖像處理、激光云紋及干涉相結(jié)合的一種綜合技術(shù)。
云紋干涉法具有靈敏度高、條紋反差好、分辨率高、可實(shí)時(shí)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已在斷裂力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力測(cè)試等力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方面得到了推廣和應(yīng)用，成功地解決了許多實(shí)際問題。近些年來，人們的研究已深人到更深的層次。包括高溫和動(dòng)態(tài)狀況下各種力學(xué)量的測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間疲勞、蠕變測(cè)試等。特別是隨著細(xì)觀力學(xué)研究的深入和新材料的不斷出現(xiàn)，云紋干涉法作為一種重要的實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法正發(fā)揮著重要的作用。尤其是近年來，云紋干涉法在高溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的發(fā)展，已能解決許多與高溫或溫度應(yīng)力有關(guān)的課題、復(fù)合材料層間固化殘余應(yīng)變、微電子封裝件的熱應(yīng)變、主蒸汽管道的蠕變應(yīng)變以及激光焊接試件焊縫附近的殘余應(yīng)變場(chǎng)等力學(xué)問題。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、北京大學(xué)以及同濟(jì)大學(xué)在此方面都做了大量工作。通常云紋干涉法都建立在直接觀測(cè)面內(nèi)位移場(chǎng)的二個(gè)分量(u、v)基礎(chǔ)上。
云紋在光測(cè)力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用、研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中用途廣泛，非接觸測(cè)量可獲得被測(cè)物面內(nèi)場(chǎng)位移場(chǎng)(U、V場(chǎng))的條紋；為有限元提供可靠的邊界條件；可用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化；能應(yīng)用在細(xì)觀力學(xué)；殘余應(yīng)力測(cè)量、復(fù)合材料研究。尤其在結(jié)構(gòu)分析及非破壞性檢測(cè)上應(yīng)用廣泛。通過必要的后處理獲得設(shè)計(jì)者所需要的信息(數(shù)字化)。結(jié)束了傳統(tǒng)光力學(xué)研究所必須配備暗房、顯定影濕處理、繁復(fù)搭建光路等大量工作。
由此可見，云紋干儀有著良好的應(yīng)用前景，但到目前為止，大多數(shù)云紋干涉儀的測(cè)量靈敏度較低，而且結(jié)構(gòu)均非常復(fù)雜、體積龐大而不便于攜帶，在應(yīng)用上也因此而受到限制，影響到該項(xiàng)技術(shù)的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案該二維相移云紋干涉儀，包括底座、激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均依次置于光路中，激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置后投射到被測(cè)物上，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均設(shè)于底座上。
所述的非球面分光裝置還包括一非球面鏡、八只全反射鏡、外框，八只全反射鏡置于非球面鏡之后并固定于外框上。
所述的八只全反射鏡均呈兩兩相對(duì)固定于非球面鏡后。
所述的八只全反射鏡中，垂置固定于全反射鏡后的的兩只全反射鏡分別通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置來調(diào)節(jié)全反射鏡的俯仰角，以及通過時(shí)間相移裝置來調(diào)節(jié)該全反射鏡的位移量。
所述的干涉儀還包括一光路提升機(jī)構(gòu)，光路提升機(jī)構(gòu)含有提升架和提升反射鏡，提升架置于底座上，光路提升機(jī)構(gòu)置于激光器與擴(kuò)束鏡之間。
所述的提升反射鏡包括兩只反射鏡，兩只反射鏡的位置和角度均是可調(diào)的。
所述的擴(kuò)束鏡通過升降桿置于底座上。
在本實(shí)用新型的技術(shù)方案中，云紋干涉儀包括了底座、激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均依次置于光路中，激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置后投射到被測(cè)物上，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均設(shè)于底座上；此外非球面分光裝置中的非球面鏡的采用，以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)全反射鏡俯仰角的調(diào)節(jié)和相移裝置對(duì)光程的調(diào)節(jié)，使得云紋干涉儀較傳統(tǒng)的云紋干涉儀的測(cè)量靈敏度有較大的提高，同時(shí)，使得儀器的結(jié)構(gòu)更為緊湊，便于攜帶；若再配合計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，使得該干涉儀能直接用于現(xiàn)場(chǎng)非接觸測(cè)量，而且不用暗房和顯定影濕處理。能解決工程中的靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)及動(dòng)態(tài)問題，具有良好地應(yīng)用前景。


圖1為本實(shí)用新型干涉儀結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為非球面分光裝置示意圖。
圖3為本實(shí)用新型干涉儀光路原理示意圖。
具體實(shí)施方式
為進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的上述目的、技術(shù)方案和效果，以下通過實(shí)施例結(jié)合上述各圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
請(qǐng)先參閱圖1所示，該二維相移云紋干涉儀包括底座10、激光器11、擴(kuò)束鏡12、非球面分光裝置13、被測(cè)物14，激光器11、擴(kuò)束鏡12、非球面分光裝置13、被測(cè)物14均依次置于光路中，激光器11發(fā)出的光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡12、非球面分光裝置13后投射到被測(cè)物14上，激光器11、擴(kuò)束鏡12、非球面分光裝置13、被測(cè)物14均設(shè)于底座10上。
請(qǐng)?jiān)俳Y(jié)合圖2、圖3所示，所述的非球面分光裝置13還包括一非球面鏡131、八只全反射鏡132、外框133，八只全反射鏡132置于非球面鏡131之后并固定于外框上133。
所述的八只全反射鏡132均呈兩兩相對(duì)固定于非球面鏡后，其中四只全反射鏡M1、M2、M3、M4呈兩兩相對(duì)固定于非球面鏡131后，四只全反射鏡M1、M2、M3、M4形成的平面面積小于等于非球面鏡131的平面面積，另外四只全反射鏡Ma、Mb、Mc、Md也呈兩兩相對(duì)固定于非球面鏡131后，但形成的平面面積大于非球面鏡131的平面面積。
所述的八只全反射鏡132中，豎直方向固定于非球面鏡131后的兩只全反射鏡Ma、Mc分別通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置134來調(diào)節(jié)全反射鏡的俯仰角，以及通過時(shí)間相移裝置135來調(diào)節(jié)該全反射鏡的位移量。
需要說明的是，圖3中的非球面分光裝置僅反了四只全反射鏡Ma、Mc、M1、M3，另四只全反射鏡Mb、Md、M2、M4應(yīng)該在垂直于紙的平面中，所以未能示意出。
所述的干涉儀還包括一光路提升機(jī)構(gòu)15，光路提升機(jī)構(gòu)15含有提升架151和提升反射鏡152，提升架151置于底座10上，光路提升機(jī)構(gòu)15置于激光器與11擴(kuò)束鏡12之間。
所述的提升反射鏡152包括兩只反射鏡，兩只反射鏡的位置和角度均是可調(diào)的。
所述的擴(kuò)束鏡12通過升降桿121置于底座10上。
本干涉儀的光路原理解釋如下激光器11出射光經(jīng)光路提升機(jī)構(gòu)15的兩個(gè)全反射鏡152提升到一定高度，即是干涉儀中非球面鏡131的中心高；激光光束打在擴(kuò)束鏡12中心，經(jīng)擴(kuò)束后照射在非球面鏡131上，調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡12和非球面鏡131的距離，即為非球面鏡131的焦距，這樣的擴(kuò)束光經(jīng)過非球面鏡131后變成了準(zhǔn)直光；在非球面鏡131后部垂直和水平方向各放置一全反射鏡，再次反射到被測(cè)物14表面，被測(cè)物14表面貼有正交柵，當(dāng)其變形時(shí)，激光本身干涉產(chǎn)生的虛柵和被測(cè)物表面的柵干涉出云紋條紋；在被測(cè)物的正前方布置一全反射鏡16將變形信息(條紋)反射出來，通過觀察或攝像機(jī)17拍攝到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；加上時(shí)空間相移功能，可以實(shí)現(xiàn)采集圖像的位相變化，從而得到數(shù)值化的變形場(chǎng)；圖3僅顯示的是一個(gè)方向(設(shè)v場(chǎng))，由于非球面鏡后部還有四塊全反射鏡，故同時(shí)也能得到u場(chǎng)的信息，只要將v場(chǎng)的光路遮擋住即可。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2所示，擴(kuò)束光直接照射在非球面鏡131上，經(jīng)過非球面鏡時(shí)變成準(zhǔn)直光；非球面鏡131后部對(duì)稱分部四只全反射鏡M1、M2、M3、M4，這樣準(zhǔn)直光分成四路，反射到對(duì)應(yīng)的另四只全反射鏡上Ma、Mb、Mc、Md；其中Ma、Mb兩路光測(cè)量的是v場(chǎng)，而Mc、Md兩路光測(cè)量的是u場(chǎng)。
八塊全反射鏡均固定在非球面分光裝置13的框架133上，角度可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)被測(cè)物的位置；其中Ma、Md上裝設(shè)的相移裝置135驅(qū)動(dòng)Ma、Md作微小平移產(chǎn)生光波位相的均勻細(xì)微改變，在時(shí)間序列上采集多幅圖像，即為時(shí)間相移過程，而Mb、Mc上裝有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置134，能完成空間相移(轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，帶動(dòng)Mb、Mc作微小偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生均勻的空間載波，利用載波調(diào)制變形條紋，即為空間相移過程)。
本實(shí)用新型的干涉儀中，采用632.8nm紅光氣體激光器作為光源，體積小巧，可固定在儀器底座上，可以使整臺(tái)儀器結(jié)構(gòu)更為緊湊。
采用小直徑高折射率的過球面擴(kuò)束鏡，從而可使激光擴(kuò)散面積較大，如1m處，可以測(cè)量的面積為300mm。
采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)擋格裝置，使得U和V場(chǎng)獨(dú)立分離出來。
直接獲取U和V場(chǎng)變形信息，所用軟件可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、計(jì)算及圖像后處理。
此外，采用了200大直徑、精密非球面鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面準(zhǔn)直鏡作為獲取高質(zhì)量準(zhǔn)直光的光學(xué)部件，成功的消除了像差，提高了干涉儀的測(cè)量精度和靈敏度。整臺(tái)干涉儀器顯得輕型、緊湊，剛度高，便于攜帶。
當(dāng)然，本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本實(shí)用新型，而并非用作為對(duì)本實(shí)用新型的限定，只要在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本實(shí)用新型權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種二維相移云紋干涉儀，其特征在于該云紋干涉儀包括底座、激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均依次置于光路中，激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置后投射到被測(cè)物上，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均設(shè)于底座上。
2.如權(quán)利要求1所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的非球面分光裝置還包括一非球面鏡、八只全反射鏡、外框，八只全反射鏡置于非球面鏡之后并固定于外框上。
3.如權(quán)利要求2所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的八只全反射鏡均呈兩兩相對(duì)固定于非球面鏡后。
4.如權(quán)利要求2或3所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的八只全反射鏡中，垂置固定于全反射鏡后的的兩只全反射鏡分別通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置來調(diào)節(jié)全反射鏡的俯仰角，以及通過時(shí)間相移裝置來調(diào)節(jié)該全反射鏡的位移量。
5.如權(quán)利要求1所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的干涉儀還包括一光路提升機(jī)構(gòu)，光路提升機(jī)構(gòu)含有提升架和提升反射鏡，提升架置于底座上，光路提升機(jī)構(gòu)置于激光器與擴(kuò)束鏡之間。
6.如權(quán)利要求5所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的提升反射鏡包括兩只反射鏡，兩只反射鏡的位置和角度均是可調(diào)的。
7.如權(quán)利要求1、2或5任一項(xiàng)所述的二維相移云紋干涉儀，其特征在于所述的擴(kuò)束鏡通過升降桿置于底座上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種二維相移云紋干涉儀，包括了底座、激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均依次置于光路中，激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置后投射到被測(cè)物上，激光器、擴(kuò)束鏡、非球面分光裝置、被測(cè)物均設(shè)于底座上。該干涉儀較傳統(tǒng)的云紋干涉儀的測(cè)量靈敏度有較大的提高，同時(shí)，使得儀器的結(jié)構(gòu)更為緊湊，便于攜帶，能解決工程中的靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)及動(dòng)態(tài)問題，具有良好地應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01B9/02GK2791597SQ20052004081
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者張熹, 陸鵬, 吳君毅, 夏遠(yuǎn)富 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所