背景技術(shù)：

本申請根據(jù)美國法典第35篇第119(e)條主張于2014年6月27日提交的美國臨時專利申請序號62/018,071的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容為了所有目的通過引用的方式全部并入本文中并且作為其一部分。

本發(fā)明涉及使用薄的多層組件通過光學(xué)方法遠(yuǎn)程測量測試材料的應(yīng)變響應(yīng)的方法。

現(xiàn)有技術(shù)的描述

基于pct/us10/148921，2012年7月12日公開了題為“遠(yuǎn)程位移傳感器，包括光學(xué)應(yīng)變計及其組件和系統(tǒng)”的美國專利公開號2012/0176629a1。本申請的同一發(fā)明人在該專利申請中公開了一種遠(yuǎn)程位移傳感器，如光學(xué)應(yīng)變計，該遠(yuǎn)程位移傳感器使用由圖案(例如，但不限于，莫爾圖案)實施的光學(xué)放大器來計算位置或標(biāo)距的變化。在以莫爾圖案實施為應(yīng)變計的實施例中，設(shè)置了兩個箔層：具有參考或靜態(tài)莫爾圖案的下箔層，通過疊加具有第一基本頻率的平行線的第一圖案來產(chǎn)生參考或靜態(tài)莫爾圖案；以及具有第二基本頻率的平行線的第二圖案。下箔層進一步包括具有第一圖案的第一部分，該第一圖案具有第一基本頻率的平行線，而上層提供具有第二圖案的第二部分，該第二圖案具有第二基本頻率的平行線。箔的疊加導(dǎo)致第一區(qū)段和第二區(qū)段疊置，從而引起與參考圖案相同波長的莫爾圖案。然而，響應(yīng)于根據(jù)試樣應(yīng)變產(chǎn)生的標(biāo)距運動，兩個箔與平行線垂直的相對運動在重疊圖案中引起比相對運動大的相位變化。相機或其他光學(xué)裝置獲取光學(xué)應(yīng)變計的圖像，并且通過快速傅立葉變換或類似算法來處理所得的圖像以確定相位變化，從而計算標(biāo)距的變化，并且因此計算所得的應(yīng)變。

盡管此申請很好地適應(yīng)其預(yù)期目的，但是還需要對此公開進行改進。

另外，相對于其他夾式引伸計，復(fù)合材料非常堅硬，并且在拉伸試驗中容易爆炸性地斷裂。這抑制了夾式引伸計的使用，因為斷裂的力通常會損壞夾式引伸計。這些類型的引伸計很昂貴，成本高達(dá)上千美金，并且因此并非旨在作為一次性裝置。非接觸式光學(xué)引伸計，通常成本超過$50,000，通常無法測量應(yīng)力達(dá)到確定這些剛性材料的正確模量所需的精度。測量復(fù)合材料的模量通常要求在很低的應(yīng)變水平下小于20微應(yīng)變單位的應(yīng)變精度誤差(每百萬20份標(biāo)距變化)，通常在0.1％-0.6％的應(yīng)變范圍內(nèi)。這等同于50毫米的標(biāo)距下的亞微米位移測量精度。

復(fù)合材料行業(yè)因此依賴于標(biāo)準(zhǔn)黏合應(yīng)變計以達(dá)到所需的應(yīng)變精度，并且在可接受的成本內(nèi)作為一次性裝置。黏合應(yīng)變計由一片精確蝕刻的薄金屬箔組成，約10mm×10mm(通常使用集成電路級微光刻精度)，該金屬箔通過環(huán)氧樹脂黏合在試樣表面的表面上。隨著應(yīng)變計受壓而產(chǎn)生微小的電阻變化來測量應(yīng)變。為了測量這些精細(xì)的電阻變化，將其電性連接到外部橋放大電路中。在黏合金屬箔之前，必須通過以下方式特殊地制備試樣表面：機加工精確平坦的表面，拋光，然后使用化學(xué)浴來去除任何殘留碎屑。

對每個測試的試樣，黏合應(yīng)變計的過程通常如下：機加工，拋光并清潔試樣表面；化學(xué)浴(通常2次化學(xué)浴)；非常小心地定位應(yīng)變片，其中對準(zhǔn)非常關(guān)鍵，因為其有效長度短；在裝置上制備并涂覆均勻的一層環(huán)氧樹脂并等待干燥；在裝置的金屬焊盤上釬焊絲，并且當(dāng)其安裝在負(fù)載框架上時將試樣連接至外部電橋電路。

這些步驟對每次測試達(dá)到相當(dāng)長的安裝勞動時間。另外，裸箔應(yīng)變計的成本范圍可能相當(dāng)大。統(tǒng)計地，由于例如使用的化學(xué)品的可能影響和對樣品的切割和敲擊，制備步驟有可能對試樣材料造成損壞。

另外的現(xiàn)有技術(shù)包括：haywood的題為“試樣測試”的美國專利號7,047,819；brandstetter的題為“使用莫爾圖案的結(jié)構(gòu)的角度對準(zhǔn)的計算機控制的光學(xué)系統(tǒng)”的美國專利號6,075,893；royallen(本發(fā)明人)的題為“圖像參數(shù)檢測”的美國專利號6,164,847；shoup的題為“光柵應(yīng)變計”的美國專利號2,787,834ludwig的題為“用于確定材料的運動參數(shù)和蠕變狀態(tài)的裝置”的de3120653a1以及buckingham和blackwood的題為“高靈敏度應(yīng)變檢測器”的ep0255300a2。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本公開的目的是開發(fā)出對于光學(xué)應(yīng)變計的進一步改進。

本公開提出了通過使用被稱為光學(xué)應(yīng)變計或osg的薄的多層組件的光學(xué)裝置來遠(yuǎn)程測量測試材料的應(yīng)變響應(yīng)的方法，該光學(xué)應(yīng)變計通過僅僅使用內(nèi)置在組件中的一對粘合貼片直接附連在測試試樣上。小的平面箔組件通常非常輕，約1g，并且在附連時平齊地粘附在測試材料的表面上。憑借兩個壓力激活的粘合貼片通過將其壓至試樣上來附連osg組件。測試試樣通常不需要表面制備。粘貼在試樣表面上的兩個貼片之間的空間間距用來通過在在測試試樣上施加負(fù)載時測量此間距(△l)的應(yīng)力誘導(dǎo)變化來建立用于計算應(yīng)變的初始標(biāo)距(l)。

附圖說明

從以下說明和附圖將明白本公開的其他目的和優(yōu)點，其中：

圖1是本公開的光學(xué)應(yīng)變計的實施例的俯視圖。

圖2是本公開的光學(xué)應(yīng)變計的實施例的側(cè)視圖。

圖3a是本公開的包括參考圖案的光學(xué)應(yīng)變計的實施例的俯視圖。

圖3b是本公開的包括參考圖案的光學(xué)應(yīng)變計的側(cè)視圖。

圖4圖示了圖3a和圖3b的光學(xué)應(yīng)變計的相機視圖。

圖5圖示了圖3a和圖3b的光學(xué)應(yīng)變計的傳感器處理。

圖6和圖7圖示了光學(xué)應(yīng)變計的實施例，其中兩個箔通過粘合貼片直接固定在試樣上。

圖8是圖6和圖7的光學(xué)應(yīng)變計的側(cè)視圖。

圖9和圖10是本公開的光學(xué)應(yīng)變計的另外的實施例的視圖。

圖11是本公開的光學(xué)應(yīng)變計的典型的底部箔的平面圖。

圖12是本公開的光學(xué)應(yīng)變計的典型的頂部箔的平面圖。

圖13a是來自相機的光學(xué)應(yīng)變計的實施例的視圖，其中光學(xué)應(yīng)變計正在測量零應(yīng)變。

圖13b是來自相機的光學(xué)應(yīng)變計的實施例的視圖，其中光學(xué)應(yīng)變計正在測量106微米的位移。

圖14a、圖14b和圖14c示出了兩個點陣圖案以及從用于測量兩個正交軸線上的應(yīng)變的兩個點陣圖案的正交疊加得到的干涉圖案。

圖15圖示了使用用于本公開的光學(xué)應(yīng)變計的另外的實施例的衍射光學(xué)元件的視覺投射圖案。

圖16圖示了可以在本公開的另外的實施例中使用的緊湊型飛點激光掃描器和單光二極管紅帽。

具體實施方式

現(xiàn)在詳細(xì)參見附圖，其中貫穿若干個附圖，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件，參見圖1和圖2，其圖示了多層光學(xué)應(yīng)變計組件100的實施例如何工作。第一光柵箔10重疊第二光柵箔12。第一光柵箔10和第二光柵箔12可以是具有高對比度光柵圖案的聚酯基板，這些高對比度光柵圖案在重疊時產(chǎn)生莫爾圖案或調(diào)節(jié)強度的相似圖案。第一光柵箔10通過第一粘合貼片14附連到待測試樣1000上。類似地，第二光柵箔12通過第二粘合貼片16附連到待測試樣上。第一光柵箔10和第二光柵箔12也分別通過第三粘合貼片22和和第四粘合貼片24抵靠透明順應(yīng)層20保持在位。傳感器100進一步通過圍繞透明順應(yīng)層20周界的輔助粘合貼片30抵靠試樣1000保持。將相應(yīng)的第一光柵箔10或第二光柵箔12保持在待測試樣1000的表面上的第一粘合貼片14或第二粘合貼片16的運動使第一光柵箔10或第二光柵箔12精確地運動相同的量。第一光柵箔10和第二光柵箔12因此在其相關(guān)聯(lián)的物理接觸點，即第一粘合貼片14和第二粘合貼片16處，跟隨試樣表面的應(yīng)變誘導(dǎo)運動。預(yù)料到透明順應(yīng)層20比試樣1000彈性高得多，使得第三粘合貼片22和和第四粘合貼片24可以從試樣1000跟隨應(yīng)變誘導(dǎo)運動。當(dāng)試樣1000張緊時，具有高對比度光柵圖案的兩個光柵箔10、12在彼此上滑動，產(chǎn)生重疊區(qū)域，在該區(qū)域中兩個圖案一起產(chǎn)生高可見性干涉效果，這種高可見性的效果與箔運動成正比地變化。通過遠(yuǎn)程像機(未示出)觀察這種高可見性效果，例如，莫爾干涉圖案，并跟蹤一段距離。這樣，在調(diào)節(jié)強度的圖案的相位變化(和相應(yīng)的平移)或相似的變化中反映的試樣上的兩個計量點的微小應(yīng)變運動通過標(biāo)準(zhǔn)圖像處理技術(shù)，如傅立葉變換處理，被無線地傳送到相機進行解釋，以在遠(yuǎn)程產(chǎn)生試樣應(yīng)變的實時高精度測量。應(yīng)當(dāng)指出的是，第三粘合貼片22和和第四粘合貼片24可以是任選的。消除第三粘合貼片22和和第四粘合貼片24得到如圖8所示的實施例。在這種實施例中，順應(yīng)層20可以變成在存儲多層光學(xué)應(yīng)變計組件100期間使用的封裝的一部分，但是在安裝多層光學(xué)應(yīng)變計組件100期間被去除，并且因此不需要是透明的。也就是說，順應(yīng)層20可以在多層光學(xué)應(yīng)變計組件100的頂部和底部實施為封裝，從而允許用戶通過剝離一個或多個順應(yīng)層20并且在試樣1000上固定多層光學(xué)應(yīng)變計組件100來安裝多層光學(xué)應(yīng)變計組件100。作為另外的替代方式，可以消除第三粘合貼片22和和第四粘合貼片24，并且保持輔助的粘合貼片30，使得透明順應(yīng)層20粘附在試樣1000上，并且其在沒有任何直接粘合附連的情況下保持多層光學(xué)應(yīng)變計組件100在位。

如圖1所示，第一光柵箔10和第二光柵箔12用于產(chǎn)生干涉圖案，該干涉圖案高度放大試樣表面上兩個明確定義的點之間的應(yīng)變。通過試樣1000上起到油墨點一樣限定已知的標(biāo)距的作用的兩個小粘合點(第一粘合點14和第二粘合點16)附連第一光柵箔10和第二光柵箔12。第一光柵箔10和第二光柵箔12的相反端通過相應(yīng)的第一粘合點14和第二粘合點16機械地耦接至試樣1000，而第一光柵箔10和第二光柵箔12的剩余端未耦接。第一光柵箔10和第二光柵箔12在測量方向上自由浮動以允許它們在拉伸應(yīng)變的作用下在彼此上滑動，而不引起光柵箔10、12的節(jié)距的任何變化。光柵箔10、12都在拉伸方向上運動，從而跟隨它們的相應(yīng)的粘合劑接觸點14、16采樣的試樣1000的表面。這些是在薄的透明基板的輥上以高分辨率大批量打印的一次性光柵傳感器。也可以通過光刻掩模(可以印刷或類似地實施)建立第一粘合點14和第二粘合點16的精確的位置。用戶像使用一片膠帶一樣使用粘貼式傳感器或傳感器陣列。通常不需要精確的定位或處理。在一個視頻幀中遠(yuǎn)程讀取單個傳感器或傳感器陣列。這通常比遠(yuǎn)程跟蹤個別特征如小點要求更少的關(guān)鍵光學(xué)系統(tǒng)和更少的視頻處理。因此，通常不需要對長間隔距離的小特征進行1微米級的測量。通常不需要進行長間隔距離的1微米視頻測量。干涉圖案可以具有正弦強度，其中標(biāo)距的應(yīng)變誘導(dǎo)變化引起干涉圖案的相位變化，由此正弦圖案的位移是標(biāo)距的變化的二十倍或更多倍。20或更大的因子被稱為光學(xué)增益因子。

圖3a、圖3b、圖4和圖5圖示了兩個重疊光柵圖案10、12如何產(chǎn)生莫爾干涉圖案以及處理相機圖案以測量標(biāo)距(△l)的變化的方法的包括參考圖案40(通常形成在光柵箔10、12之一上)的實施例。應(yīng)該指出的是，如果相機能夠分辨兩個基本圖案的微小節(jié)距，附圖中圖示的相鄰且分離的固定的參考圖案40是任意的并且不是必需的。

圖3a和圖3b圖示了具有固定的參考圖案40并且還包括可見的第一粘合接觸貼片14和第二粘合接觸貼片16的粘貼式光學(xué)應(yīng)變計100(或osg)的實施例，該粘貼式光學(xué)應(yīng)變計將箔10、12保持在試樣1000上并且建立相機可測量的標(biāo)距。傳感器100包括在彼此上滑動的兩個重疊箔10、12。通過比較運動的參考圖案與固定參考圖案40的相位來測量位移。如圖4所示，典型的處理包括獲得具有200mm視場的ave視頻圖像300，然后獲得將(調(diào)節(jié)的正弦強度的)參考條紋圖像302與(調(diào)節(jié)的正弦強度的)活動條紋圖案304進行比較的條紋圖像300'。然后，ccd像素用于產(chǎn)生128像素fft(快速傅立葉變換)窗口306。如圖5所示，通過對正交軸線中的每個區(qū)域取平均值，如306和308所示，活動和參考圖像區(qū)域可以壓縮成強度信號。通過fft方法追蹤活動和參考信號的相位用于高噪聲抑制。給定圖像幀的計量變化是活動信號與參考信號之間的相位差。根據(jù)已知的圖案幾何形狀和實時fft節(jié)距測量計算相位毫米轉(zhuǎn)換因子。

在本公開的另外的實施例中，用更粗糙的光柵線來印刷光學(xué)應(yīng)變計100，使得基本的光柵節(jié)距實際上對相機可見。因此，基本圖案之一可以用作普通模式定位參考。另外，相機透鏡系統(tǒng)的預(yù)期光學(xué)放大(視場60mm)將比這些附圖所示大3倍，從而提供信號強度波形的成比例較高的像素采樣。

本公開的另外的實施例是圖6、圖7和圖8所示的撕粘式自粘合光學(xué)位移傳感器。此實施例在一些應(yīng)用中旨在對于標(biāo)準(zhǔn)的粘貼式應(yīng)變計在測量復(fù)合材料和具有類似的測量難度的其他材料的應(yīng)變方面更加精細(xì)。

本公開的另外的實施例通常會提供優(yōu)于粘貼式應(yīng)變計的實質(zhì)性優(yōu)點。

這些典型的優(yōu)點包括不需要表面制備，特別是對原始狀態(tài)下具有寬范圍的深層織物狀表面紋理的復(fù)合材料很重要；不存在對其進行機加工而改變材料性能的風(fēng)險；使用無線技術(shù)使得通過不昂貴的低分辨率相機來遠(yuǎn)程測量應(yīng)變；使用無源感測裝置，使得不需要電力、導(dǎo)線和放大器；快速且容易的剝離和粘貼安裝；剝離底部保護層以暴露兩個粘貼式貼片；將裝置放置在試樣上，并且施加手指壓力以貼合粘合劑；保持osg元件對齊的頂部保護層然后剝離，使得箔自由運動，并且完成安裝。此外，設(shè)置內(nèi)置式邊緣引導(dǎo)特征以容易對齊；對齊公差對粘貼式應(yīng)變計不太重要；可以通過機器人測試固定裝置實現(xiàn)自動化安裝；應(yīng)變測量精度等于或優(yōu)于粘貼式應(yīng)變計；并且獲得非常低的成本，通常比粘貼式應(yīng)變計低得多。

在高容量印刷機上使用標(biāo)準(zhǔn)墨水來產(chǎn)生光學(xué)應(yīng)變計，通常沒有像粘貼式應(yīng)變計一樣地使用特殊材料和ic級顯微光刻工藝。通常比粘貼式應(yīng)變計獲得高得多的應(yīng)變測量動態(tài)范圍，粘貼式應(yīng)變計在其變成非線性并且發(fā)生變形之前限于百分之幾，而不發(fā)生變形的光學(xué)應(yīng)變計在其整個范圍內(nèi)是線性的，并且并非固有地限于最大應(yīng)變，并且還提供自標(biāo)定特征。粘貼式應(yīng)變計沒有用戶可使用的應(yīng)變計因子(增益)測量的獨立方法，這只是根據(jù)批量測試從工廠獲得的值。相比之下，根據(jù)其圖案幾何形狀的知識(如圖案的節(jié)距比、粘合貼片的應(yīng)變計間距)可以在測試過程中快速地原位測量osg增益。用戶，如有需要，例如通過數(shù)字顯微鏡總是能夠獲取這些osg標(biāo)定特征用于其他獨立的驗證方法。此外，osg能夠在對粘貼式應(yīng)變計沒有固有的疲勞限制的情況下測量重復(fù)的應(yīng)變循環(huán)；性能優(yōu)于非接觸式光學(xué)伸長計；osg提供亞微米測量精度，并且對成像參數(shù)變化敏感，而成像參數(shù)變化通常對光學(xué)應(yīng)變計測量很關(guān)鍵，如相機振動、z軸位置(深度)變化、照明的動態(tài)變化、氣流折射效果、聚焦質(zhì)量以及z軸傾斜。osg在試樣表面局部的坐標(biāo)空間中自標(biāo)定，不需要標(biāo)定遠(yuǎn)程相機的位置和穩(wěn)定性，而非接觸式光學(xué)引伸計通常必須標(biāo)定包括相機和安裝試樣的整個工作空間體積，在此全局工作體積中的每件事物都必須在標(biāo)定之后保持穩(wěn)定。

此另外的實施例是如圖6、圖7和圖8所示的粘貼式光學(xué)應(yīng)變計。其通常包括兩個聚酯感光膠片50、52，這兩個聚酯感光膠片的每個膠片僅使用6×12mm的小片雙面膠帶直接粘附在復(fù)合材料試樣1000上，如圖6和圖7所示。這可能會被認(rèn)為是最基本的osg構(gòu)造之一。通常不需要使用任何硬銷或刀刃的情況下通過粘合貼片的中心來建立標(biāo)距，作為建立與試樣表面的應(yīng)變計機械接觸的方法。每個貼片通常還用作傳感器100的平面上的箔運動的單獨的引導(dǎo)形式。通常沒有其他約束來旋轉(zhuǎn)或平移箔。設(shè)想粘貼式傳感器能夠以可能低至0.5微米的峰到峰(10微米應(yīng)變的峰到峰)的精度跟蹤與同一個試樣附連上的傳統(tǒng)的粘貼式應(yīng)變計。

圖6圖示了光學(xué)應(yīng)變計的實施例，其中兩個箔通過粘合貼片直接固定在試樣上。圖6的傳感器右側(cè)的光學(xué)透明套管60用于保持頂部箔的寬松端與底部箔平齊地接觸。它不觸動傳感器的光學(xué)活性區(qū)域，并且是基本上不產(chǎn)生額外摩擦的寬松裝配。類似地，圖7是粘合貼片應(yīng)變計觸點和墊片膠片的近距離視圖。應(yīng)該指出的是，通過使用稍微更厚的聚酯基板(如7密爾，代替4密爾)，在寬松端沒有任何潛在升降的情況下，在操作期間，箔保持與試樣表面平齊。

圖8示出了第一膠片50和第二膠片52與膠帶的層疊，從而圖示簡化傳感器100的此實施例的構(gòu)造。每個箔或膠片50、52用沖裁成12×6mm的單個矩形的雙面膠帶(粘合貼片14和16)保持到試樣上。一小片透明墊片膠片可以事先粘貼在第一膠片50(即，頂部膠片)上，使得當(dāng)膠片50、52被卡在試樣1000的表面上時頂部膠片50保持與底部膠片52平行。粘合貼片14、16對相機可見是有用的，使得可以遠(yuǎn)程進行貼片式應(yīng)變計間距的獨立的光學(xué)測量。因此，貼片(或粘合劑顏色本身)通常是高對比度，并且將其覆蓋的任何元件層，如墊片53，是透明的，使得貼片對相機是透光的。

因為一個實施例使用薄而柔軟的4密爾聚酯膠片，可以有另外的構(gòu)造來進一步確保在不形成摩擦源的情況下抵靠底部箔52的表面保持頂部箔50的寬松端平坦。若干個簡單的方法是可用的。一種方法是在底部箔52的貼片端上粘貼適當(dāng)間隔的懸掛垂片，其垂直地約束頂部箔50的寬松端。懸掛垂片通常僅約4mm長，并且不撞擊傳感器100的光學(xué)活性區(qū)域。懸掛垂片的墊片高度被選定為適當(dāng)?shù)仄ヅ漤敳坎?0的頂面。

圖9圖示了自粘附光學(xué)位移傳感器的另外的實施例。位于傳感器100的相反端上的高對比度白色粘合貼片14、16對相機清晰地可見。在此實施例中，個別4密爾光敏膠片圖像均粘附在u型透明的10密爾聚酯框架114、116上，聚酯框架用于提供剛度和線性導(dǎo)槽以保持膠片在沒有摩擦力的情況下彼此平齊。

圖10圖示了具有粘附的粘貼式應(yīng)變計的相同的復(fù)合材料試樣的相反側(cè)。粘貼式應(yīng)變計通常安裝成用于對比應(yīng)變測量。整個背表面通常被拋平以適應(yīng)粘貼式應(yīng)變計101的需求。通常很少或沒有自粘附光學(xué)位移傳感器實施例所需的試樣表面制備。

現(xiàn)在將進一步詳細(xì)描述光學(xué)應(yīng)變計100的實施例的圖像。osg傳感器通常包括兩個圖像，通常為在單獨的多塊膠片基板上實施的線性光柵圖案(例如參見圖1和圖2的光柵箔10、12)，其彼此疊加以隨著一個圖像相對另一個圖像運動而產(chǎn)生干涉效果。本公開限定被稱為箔的一對膠片圖像的幾何形狀和圖像質(zhì)量。然而，設(shè)想到這些也可以通過使用平版印刷法來制造。設(shè)想到以下描述的制造過程有很多變型(例如，通過印刷技術(shù)壓印的薄聚酯基板)。

圖11和圖12圖示了在膠片上通過拍照的方式成像以分別產(chǎn)生底部光柵箔10和頂部光柵箔12的圖像。每個圖像占據(jù)約1.2平方英寸，包括在裝配期間用于對齊的基準(zhǔn)標(biāo)。在osg組裝期間，兩個圖像要彼此疊加，而它們的感光乳劑面彼此相對。因此，將翻轉(zhuǎn)到底部圖像的頂部圖像以反向讀取模式被印刷。當(dāng)它們疊加時，它們都被正向讀取。

用于產(chǎn)生膠片的寫入引擎是內(nèi)鼓式激光膠片記錄器(圖像輸出機)，或者就圖像質(zhì)量和線性特性而言的其等同形式。單頁輸出膠片將包含就是個這些圖像組成的陣列，使得兩個組成圖像被打印成彼此相鄰以最小化兩者之間的任何幾何差異。將從此頁成對地精確切出箔，并且與其他墊片和粘合基板層一起裝配成多層層壓堆疊的osg傳感器。

膠片記錄器的輸入可以是，但是不限于，matlab程序產(chǎn)生的二進制tiff圖像文件。這將保證圖像中每個特征的像素到像素的完整性，而不是將這些細(xì)節(jié)留給供應(yīng)商的光柵圖像處理軟件，這會造成微小的圖像質(zhì)量變化和假設(shè)。這允許獨立于供應(yīng)商的rip軟件在像素水平控制并修改這些特征。

從將以2400dpi的可尋址性輸出的二進制tiff文件可以產(chǎn)生圖像?？梢允褂么朔椒ǖ淖冃?。因此，二進制中的每個像素將在暴露的圖像中呈現(xiàn)10.58微米。給出的所有尺寸基于2400dpi可尋址性的假設(shè)。tiff文件的極性，不論是正像或負(fù)像，將取決于使用的感光介質(zhì)的極性。為了本說明書的目的，tiff文件的極性將定義成如下：1＝激光器開啟，在處理膠片時，膠片上的曝光像素區(qū)域?qū)⒆兊们逦?。所有的圖像采用這種極性。

圖11示出了將用于底部osg箔12的典型圖像。其包括用虛線封閉以幫助膠片切割的三個拐角基準(zhǔn)標(biāo)和傳感器圖像。虛線是任選的。它們以及位置和基準(zhǔn)的類型可以根據(jù)適應(yīng)生產(chǎn)裝配過程及其變化的需要而進行修改。如圖所示(用虛線圍住)的圖示的11×35mm箔圖像不包括作為裝配過程的一部分可能需要的任何尾部延伸。

箔圖像被示出為正極性，即，白色區(qū)域在曝光膠片中將是透明的。在osg層壓堆疊裝配中，在此膠片下方將有反光的白色背層(或等同形式)，使得透明區(qū)域?qū)⒊拾咨?，將光發(fā)射到相機?？商娲?，聚酯箔可以用各種彩色油墨印刷以提供所需的對比度，并且減小或消除背襯的需要。

圖像(旨在說明一個實施例)包括：11×35mm的圖像區(qū)域(1040×3308像素)；中心9×32mm的光學(xué)圖案區(qū)域(850×3024像素)，包括均勻間隔開的橫線，這是相機觀察到的傳感器的光學(xué)活性區(qū)域并且在更大的圖像區(qū)域內(nèi)的中心，而圖案化區(qū)域的最大范圍為9mm(9mm的寬度是圖案化區(qū)域的最大范圍)；黑色邊緣區(qū)域，包圍圖案化區(qū)域以保證有高對比度的背景用于圖案的相機視圖，而不論最終使用者的相機視野中可能存在的任何人工痕跡或其他視覺混亂；任選的小文字區(qū)域，在圖像的附連端以在切割和裝配過程期間識別箔和圖案(此id與osg組件在一起)；以及三個基準(zhǔn)標(biāo)，與傳感器圖像區(qū)域的三個拐角相關(guān)聯(lián)。它們的主要功能之一是表示頂部箔的對應(yīng)的三個基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)在何處疊加。每個基準(zhǔn)與圖像區(qū)域的拐角垂直偏移3.0mm，水平偏移2.5mm，如圖所示。水平軸線定義為這些視圖的長軸。

此參考o(jì)sg設(shè)計的圖案化區(qū)域通常包括以下：

1.12像素開×12像素關(guān)的線條圖案，在總共32mm長的顯示區(qū)域上延伸。在2400dpi可尋址性，這代表0.254mm節(jié)距的光柵。在所有圖案上維持一致且統(tǒng)一的可尋址性是關(guān)鍵的圖像質(zhì)量因子。

1a.線條圖案的長度和高度：3024×540像素(32×5.715mm)

1b.圖案從圖案化區(qū)域的左下角偏移：水平＝0，垂直＝35像素。

2.三個透明點，1.5mm直徑，用于提供獨立于條紋測量的箔跟蹤和初始化功能。這些點在最終的多層osg裝配中將呈白色。

2a.點定向在沿著傳感器的軸測量方向的線。

2b.點的形心由288像素(3.048mm)分離。

2c.中間點的形心從圖案化區(qū)域的右上角偏移：水平＝576，垂直＝155像素。

3.16×2.5mm(1512×240像素)透明矩形。在最終裝配中，這將變成白色反射區(qū)域，相機可以在白色反射區(qū)域上觀察到疊加在頂部箔上的透明點。矩形從圖案化區(qū)域的左上角偏移：水平＝0，垂直＝35像素。

中心9×32mm的光學(xué)圖案區(qū)域的以上內(nèi)容定義表示參考設(shè)計。一般來講，在此區(qū)域中可以使用很多其他圖案設(shè)置以實現(xiàn)不同的osg性能特性。

這些點旨在是主要用于演示目的的osg設(shè)計的臨時特征。它們提供了在演示中用于osg測量精度的實時比較的獨立方法。此外，它們提供了橫向運動測量檢查和數(shù)據(jù)，用于在開始實時測量之前的圖像初始化。另外的實施例可以省略這些點。

圖12示出了將用于頂部osg箔10的典型圖像。其包括用虛線封閉以幫助膠片切割的三個拐角基準(zhǔn)標(biāo)和傳感器圖像。注意，如圖所示(用虛線圍住)的11×35mm箔圖像不包括作為裝配過程的一部分可能需要的任何尾部延伸，例如向外抵達(dá)應(yīng)變計接觸點的延伸。

箔圖像被圖示為正極性，即，白色區(qū)域在曝光膠片中將是透明的。在osg層壓堆疊裝配中，此箔將翻轉(zhuǎn)到底部箔上使得其乳劑側(cè)面對底部箔的乳劑側(cè)。頂部箔的透明區(qū)域允許入射光穿過它，并且通過底部箔組件的非不透明區(qū)段將入射光反射出來回到相機。

頂部箔圖像上的三個基準(zhǔn)當(dāng)其翻動并且疊加在其上時通常精確地疊加在底部箔的對應(yīng)的基準(zhǔn)上。

圖示的圖像包括：

1.11×35mm圖像區(qū)域(1040×3308像素)。

2.中心9×32mm的光學(xué)圖案區(qū)域(850×3024像素)。這是相機觀察到的傳感器的光學(xué)活性區(qū)域并且圖示為包括周期性間隔開的橫線。它在更大的圖像區(qū)域內(nèi)的中心。9mm的寬度是圖案化區(qū)域的最大范圍。

3.包圍圖案化區(qū)域的黑色邊緣區(qū)域。這保證有高對比度的背景用于圖案的相機視圖，而不論最終使用者的相機視野中可能存在的任何人工痕跡或其他視覺混亂。

4.小文字區(qū)域(任選)，在圖像的附連端以在切割和裝配過程期間識別箔和圖案。此id與osg組件在一起。

5.與傳感器圖像區(qū)域的三個拐角相關(guān)聯(lián)的三個基準(zhǔn)標(biāo)。每個基準(zhǔn)與圖像區(qū)域的拐角垂直偏移3.0mm，水平偏移2.5mm，如圖所示。

此osg設(shè)計的圖案的圖案化區(qū)域包括以下：

1.12像素開×13像素關(guān)的線條圖案，在總共32mm長的顯示區(qū)域上延伸。在2400dpi可尋址性，這代表0.2646m節(jié)距的光柵。在所有圖案上維持一致且統(tǒng)一的可尋址性是關(guān)鍵的圖像質(zhì)量因子。要注意的是，此參考o(jì)sg設(shè)計期待兩個疊加的圖案之間特定的24/25的比率。典型的標(biāo)度和線性要求是線條圖案的長度和高度為3024×540像素(32×5.715mm)，并且此圖案從圖案化區(qū)域的左上角偏移：水平＝0，垂直＝35像素。

2.三個透明點，1.5mm直徑，用于提供獨立于條紋測量的箔跟蹤和初始化功能。這些點在最終的多層osg裝配中將呈白色。

2a.點定向在沿著傳感器的軸測量方向的線。

2b.點的形心由288像素(3.048mm)分離。

2c.中間點的形心從圖案化區(qū)域的左下角偏移：水平＝576，垂直＝155像素。

3.16×2.5mm(1512×240像素)透明矩形。在最終裝配中，這將變成相機可以觀察到下方的底部箔上的白點所透過的透光窗口。矩形從圖案化區(qū)域的右下角偏移：水平＝0，垂直＝35像素。

圖13a和圖13b中給出了從相機視角的osg傳感器的視圖。這些視圖示出了在兩個不同的相對位移的疊加的頂部箔10和底部箔12，從而產(chǎn)生具有正弦變化強度的干涉圖案，其中相位在箔的兩個不同的相對位移之間移動(圖13a與圖13b)。在附圖中保留在裝配之前通常從箔修剪掉的基準(zhǔn)以標(biāo)識箔之間的軸向位移的程度。為了清晰的目的留下傳感器端部的文本id標(biāo)簽。

用于位移測量的線條圖案通常具有三個重要的尺寸考量：(1)間距在圖案長度上的線性；(2)線與線的間距的均勻性；和(3)隨時間變化和在傳感器工作期間的間隔穩(wěn)定性。線條間距的絕對標(biāo)度通常很重要，但不是關(guān)鍵，因為在需要時可以對其進行測量，作為生產(chǎn)過程的一部分。

下述圖案生成的典型平版印刷要求代表生成2400dpi可尋址性的圖案的高質(zhì)量內(nèi)鼓式激光膠片記錄器。對于這種類型的記錄器，曝光點的直徑與元件地址尺寸的比例接近1：1。使用能夠產(chǎn)生更高圖像質(zhì)量(例如，3600dpi可尋址性)的系統(tǒng)可以潛在地提供osg方法的性能提高。

圖案生成的典型最小可尋址性是每英寸2400點(dpi)，而平版印刷系統(tǒng)的典型最小分辨率為每毫米100條線50％mtf。重復(fù)線條圖案節(jié)距的典型線性為每25mm長度0.05％，并且x和y軸兩者的典型線條直線度為每25毫米長度0.05％。然而，使用印刷的聚酯基板減少了所需的分辨率和圖像質(zhì)量。

以上提到的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)是重現(xiàn)精細(xì)細(xì)節(jié)的系統(tǒng)能力的度量并且類似于定義信號帶寬極限。對于在感光介質(zhì)中忠實地重現(xiàn)所有細(xì)節(jié)的非常粗糙的正弦圖案，mtf為100％。

mtf＝100×(最大強度-最小強度)/(最大強度+最小強度)

光學(xué)應(yīng)變計100通過調(diào)節(jié)并反射入射光來操作。入射到頂面上的光穿過兩個疊加的圖案化箔層的透明區(qū)域，被下方的白色反射表面層反射，以使回程通過箔再次返回并且出來抵達(dá)遠(yuǎn)程相機。定義這些元件的性能的有效方法是描述包括兩個重疊的箔和下方反射層的整個組件的性能要求。

圖示的實施例對傳感器的光學(xué)活性區(qū)域的典型的反射要求如下——裝配的傳感器的非不透明區(qū)域的反射均勻性：小于10％峰值變間化；莫爾干涉圖案反射大于50％的光照強度(最亮的峰值)；莫爾干涉圖案具有大于30：1的亮峰值與暗峰值之間對比率；并且25毫米圖案長度的最大對比度變化為10％(峰值間)。

以下描述典型的光學(xué)應(yīng)變計(osg)處理。此描述中不包括點跟蹤(如果使用)。

可以在光學(xué)應(yīng)變計圖案上使用或不使用點，用于(1)初步尋找光學(xué)應(yīng)變計的圖案區(qū)域，(2)粗糙的跟蹤比較，(3)作為診斷工具以用osg應(yīng)變計測量來同時證實點應(yīng)變計測量。它們在頂部水平是任選特征。在一個實施例中，用光學(xué)應(yīng)變計測量來同時跟蹤六個點。因此，另外的實施例可以跟蹤點，或者至少需要使用點的形心數(shù)據(jù)或等效的粗糙特征進行初始化。

典型的初始化步驟包括：

1.獲取并測量光學(xué)應(yīng)變計的條紋圖像。這可以是單個圖像或者以非實時幀速(例如，10hz響應(yīng))連續(xù)發(fā)生以產(chǎn)生測試開始的初始化數(shù)據(jù)。

2.自動定位視頻幀圖像中的兩個條紋區(qū)域。一些實施例僅要求一個待測條紋區(qū)域，例如，當(dāng)不需要相鄰的參考條紋區(qū)域時。

3.壓縮橫軸上的各個感興趣的二維條紋區(qū)域以產(chǎn)生每個感興趣的區(qū)域的軸向強度信號矢量。

4.從每個矢量減去平均強度值。

5.該矢量乘以包含固定的加權(quán)因子的第二等長矢量，例如，漢寧加權(quán)函數(shù)。

6.計算此條紋信號矢量的快速傅立葉變換，從而提供大小和相位矢量。

7.自動定位快速傅立葉變換的大小矢量中的三個特定峰值。從(1)圖案幾何形狀和(2)相機光學(xué)放大因子的粗略估計(mm/相機像素)事先已知這些峰值的粗略的空間頻率。這些頻譜代表相機可見的三個圖案元件：頂部箔圖案、底部箔圖案和莫爾干涉圖案。一些實施例僅要求兩個待測圖案元件。

8.測量它們的各個峰值位置處的這些頻譜的每個的相位。在光學(xué)應(yīng)變計操作的整個剩余過程中將使用這些峰值地址位置從而以實時模式測量相位。通常不需要以實時測量模式跟蹤峰值。然而，在實時測量模式期間的峰值(節(jié)距)跟蹤可以用于其他實施例。

9.在這點進行錯誤檢查以驗證我們具有正確的信號和正確的頻譜。

10.從頻譜測量(標(biāo)量數(shù)學(xué))可以進行相機光學(xué)放大因子和相位位置增益因子的高精度測量。在整個實時測試模式中使用這些初始固定的增益因子以將快速傅立葉變換相位測量數(shù)據(jù)定標(biāo)成正確的標(biāo)距測量。

實時測試通常包括以下步驟：

1.以跟蹤感興趣的點區(qū)域的類似方式自動跟蹤感興趣的條紋區(qū)域的運動。

1a.如果參考光柵的相位偏移超過兩個相機像素的等同形式，則條紋的感興趣的區(qū)域發(fā)生偏移以趕上它。

1b.感興趣的區(qū)域的形狀和大小通常在初始化階段中建立為固定的。

1c.在感興趣區(qū)域每次偏移之前和之后進行相位測量，使得可以精確地重新標(biāo)定新的感興趣的區(qū)域的相位。

2.低應(yīng)變試樣，如復(fù)合材料，通常不要求感興趣區(qū)域跟蹤偏移。

3.壓縮橫軸上的各個感興趣的條紋區(qū)域以產(chǎn)生每個感興趣的區(qū)域的強度信號矢量。

4.減去每個矢量的平均強度。

5.該矢量乘以包含固定的加權(quán)因子的第二等長矢量。

6.計算此條紋信號矢量的快速傅立葉變換，以提供大小和相位矢量。此實時快速傅立葉變換用作實例。應(yīng)當(dāng)理解，僅兩個或三個預(yù)建立的固定頻譜長度需要測量，其他替代的正弦波相關(guān)法可以用于產(chǎn)生所需的相位測量。實時測量模式中的大小部分可以僅用于診斷。

7.測量它們的各個峰值位置處的頻譜的每個的相位。在初始化階段期間確定這些峰值地址位置。

8.使用初始化期間建立的固定增益因子以將快速傅立葉變換相位測量數(shù)據(jù)定標(biāo)成正確的標(biāo)距測量。

可以設(shè)想光學(xué)應(yīng)變計作為競爭替代形式以在許多其傳統(tǒng)應(yīng)用中使用粘結(jié)的應(yīng)變計。從衛(wèi)星地面目標(biāo)應(yīng)用到顯微位移感測，光學(xué)應(yīng)變計的標(biāo)度可以顯著變大或變小，并且仍然保留其基本優(yōu)點：

1.位移感測精度超過使用的箔光柵的精度和線性達(dá)數(shù)量級——通常，僅使用4條線/mm(其固有線性誤差高達(dá)0.1％)的印刷塑料光柵實現(xiàn)的0.5微米的精度。

2.通過無線方法遠(yuǎn)程讀取

3.自標(biāo)定——光學(xué)應(yīng)變計裝置本身提供其自身的標(biāo)定特征——不需要標(biāo)定相機全局圖像間距，并且要求其在整個測試過程中保持穩(wěn)定。

4.位移(或應(yīng)變)范圍是大于傳統(tǒng)的粘結(jié)應(yīng)變計的數(shù)量級。

5.在沒有破裂、物理扭曲或累積誤差效果的情況下可以重復(fù)使用直至位移極限。

6.單個遠(yuǎn)程相機可以同時觀察并處理多個傳感器。

7.多個傳感器可以在不同的取向。

8.遠(yuǎn)程讀取相機、網(wǎng)絡(luò)攝像頭能力的低分辨率要求。

9.遠(yuǎn)程讀取很大程度上獨立于相機方位、振動、視野深度和聚焦效果。

10.不同于粘結(jié)的應(yīng)變計，在沒有破壞或扭曲的情況下可以在工廠對其進行測試至其極限以記錄每個裝置的精確的增益數(shù)據(jù)，或者將每個裝置調(diào)整到精確的增益。

11.要注意的是，在不依賴于莫爾干涉通用的有效位移放大因子的情況下通?？蓪崿F(xiàn)這些優(yōu)點。在這種情況下，相機需要能夠分辨每個箔上的基本圖案的節(jié)距——基本節(jié)距大于5個相機像素的當(dāng)前應(yīng)用中的任何容易的任務(wù)。

光學(xué)應(yīng)變計可以被配置成通過使用點矩陣或等效陣列圖案來測量位移的兩個正交軸線，同時對計算機處理負(fù)載帶來最小的影響。圖14a至圖14c示出了從兩個點陣圖案的正交疊加得到的干涉圖案。圖14a和圖14b分別圖示了兩個基本圖案500、501，并且圖14c圖示了疊加的圖案。每個軸可以具有獨立的莫爾增益和節(jié)距值。在此實例中，兩個圖案被設(shè)計成在光學(xué)應(yīng)變計構(gòu)造中工作，從而除軸向應(yīng)變測量之外還提供箔橫向運動的精確測量。監(jiān)測的這些額外的箔運動提供某些接觸質(zhì)量和對齊問題的實時測量，這些問題在未來可能由這些額外的數(shù)據(jù)進行補償。它們是提供額外的編碼內(nèi)容以產(chǎn)生用于在檢測器的兩個軸上實施的設(shè)置和自動標(biāo)定的傅立葉譜線的實例。

雙軸光學(xué)應(yīng)變計的概念的另一種變型是測量兩個獨立的標(biāo)距對，例如同時測量橫向和軸向應(yīng)變。類似的陣列圖案可以在具有正交計量接觸或者可能甚至具有在一個窗口中重疊的所有四個箔的兩對相鄰的重疊箔中實施。通過使用粘合接觸方法，容易想象具有四個接觸焊盤和普通中心窗口的交叉形急救繃帶狀結(jié)構(gòu)，在該中心窗口中一次看到全部四個重疊的箔。

通過使用二維點陣列圖案，似乎在理論上能夠僅用單對重疊的箔和設(shè)置在對角線上的兩個應(yīng)變計接觸點來測量軸向和橫向應(yīng)變。對角線的軸向間隔元件用于軸向標(biāo)距，并且正交元件用于橫向標(biāo)距。二維感測圖案跟蹤兩個接觸點的獨立的x-y位移。

受壓箔的概念是保留如上列舉的光學(xué)應(yīng)變計的基本資產(chǎn)但是使用疊加有(或與之相鄰)單個不受壓(剛性)箔的受壓箔的變型。不受壓箔提供了一種一體式參考圖案，其在兩個重疊箔的osg概念中執(zhí)行第二箔的功能。參考箔的運動并不是關(guān)鍵的，因此，例如，它可以僅基本上浮在應(yīng)變圖案的表面上，而不考慮其微小運動。證實最簡單的構(gòu)造的一個實施例是直接在試樣上印刷線條圖案，并且用包含參考圖案的剛性薄膜與之疊加，僅僅通過少量透明油脂的表面張力將參考圖案保持在試樣上。

受壓箔和不受壓箔的整合提供了對于直接應(yīng)變標(biāo)定(與只是位移標(biāo)定相反)的獨特機會。受壓箔可以采用簡單地直接印刷在試樣上的圖案的形式，上面印刷有圖案的彈性箔或薄膜附連在整個表面上或者僅通過兩個粘合貼片附連在應(yīng)變計點。不采用伸展的簡單圖案化薄膜，可以使用在與固定的剛性參考圖案疊加時產(chǎn)生周期性視覺效果的更復(fù)雜應(yīng)變敏感箔結(jié)構(gòu)。

受壓箔的另一個應(yīng)用是提供剛好在開始測試之前對每個光學(xué)應(yīng)變計原位標(biāo)定絕對應(yīng)變的方法，作為在例如預(yù)加載或夾緊閉合階段期間的初始化過程的一部分。這種增加應(yīng)變光柵元件(受壓箔)提供數(shù)據(jù)以標(biāo)定osg的絕對應(yīng)變響應(yīng)，而不是像目前在光學(xué)應(yīng)變計中實施的那樣僅僅依賴于絕對位移標(biāo)定以及初始接觸應(yīng)變計的知識。在本申請中，受壓箔甚至可以采用一次性事件的形式，類似于電熔絲，其在精確標(biāo)定的應(yīng)變水平以已知的方式斷裂或變化。理想的是，它會提供很低應(yīng)變值的標(biāo)定點，比如小于0.1％，使得在試樣引起任何顯著應(yīng)力水平之前標(biāo)定/驗證安裝的光學(xué)應(yīng)變計。這個想法的目的是對于具有有效的試樣應(yīng)變計接觸點的準(zhǔn)確知識提供一種替代形式，或者補充。注意，當(dāng)前的osg構(gòu)造的應(yīng)變分辨率是優(yōu)于0.000005％應(yīng)變(5微應(yīng)變)，所以在0.1％標(biāo)定是可行的。

光學(xué)應(yīng)變計的概念變型是元件圖案510之一例如通過低成本的緊湊封裝光學(xué)投射到試樣上的投射方法，該緊湊封裝包含激光二極管和衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件將點或線陣列投射到試樣表面上(參見圖15)。此圖案變成參考圖案，該參考圖案對印刷到試樣上的類似的受壓圖案造成干涉。放置在試樣表面上的圖案可以用油墨通過以下方式實施：橡膠圖章、可拉伸粘合貼花、具有隨著下方表面的應(yīng)變而運動的標(biāo)記陣列的薄彈性膜，或者低成本且容易實施的其他方法。

衍射光學(xué)元件(doe)是在不昂貴的介質(zhì)中實施的定制設(shè)計的全息圖案，例如從主全息圖像(很像cd記錄)壓下多波束形成圖像的塑料。它們與激光二極管耦合通常提供用于在沒有任何運動件的情況下在較遠(yuǎn)距離投射固定的激光圖案的低成本的緊湊方法。

另一個潛在的超低成本投射圖案方法是使用標(biāo)準(zhǔn)條碼閱讀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常廉價大批量制造的裝置的核心是緊湊型飛點激光掃描器和單光二極管讀頭，均為520單元，約1/2英寸立方(參見圖16)。沿著試樣表面上的軸向線漸進掃描激光束。操縱激光束的元件也操縱單個光電二極管的觀察點，使得此單個裝置變成圖案化光源和相機兩者。通過隨著掃描激光點移動經(jīng)過試樣表面調(diào)節(jié)掃描激光點來建立投射的參考圖案。如此前所述，圖案將印刷在試樣上，通過監(jiān)測結(jié)合的干涉效果和相位偏移效果，將對該圖案與投射圖案進行視覺比較。要注意的是，此方法的特征是投射的圖案可以在測試期間進行調(diào)節(jié)以便適當(dāng)?shù)貙υ嚇由系倪\動圖案進行干涉和跟蹤。因此，形成在試樣上的簡單圖案的圖像質(zhì)量通?？梢詷O為寬松并且可變，因為其缺陷將被實時測量并適應(yīng)，這可以極大地簡化實施表面圖案的方法。

因此，最有效地獲得了幾個上述目的和優(yōu)點。雖然本文中已經(jīng)公開并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明絕不局限于此。