一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：能夠給出激光加工過(guò)程中的瞬態(tài)三維位移，并且其時(shí)間和空間的分辨能力會(huì)隨著高速攝影系統(tǒng)和長(zhǎng)距離顯微鏡的進(jìn)一步發(fā)展而獲得提高；將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)結(jié)合并利用了它們各自的優(yōu)勢(shì)，方便測(cè)量，為研究激光加工所需的微尺度瞬態(tài)三維熱變形提供了有效、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段。
【專利說(shuō)明】
一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)試技術(shù)，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量微尺度瞬態(tài)三維位移場(chǎng)的雙光路高速顯微散斑干涉系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光學(xué)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)研究的重要手段并滲透于各個(gè)研究領(lǐng)域，為工程技術(shù)領(lǐng)域提供所需的特殊測(cè)量技術(shù)和方法及實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)試技術(shù)信息的高精度快速提取，一直是測(cè)試領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)的重要課題和努力目標(biāo)。
[0003]由于激光加工技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)非接觸式微尺度瞬態(tài)三維熱變形測(cè)量技術(shù)的需要隨之與日倶增。激光加工技術(shù)擁有可精確控制微觀過(guò)程、生產(chǎn)效率高、加工成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，并因此廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光子晶體器件、微機(jī)械加工以及微細(xì)醫(yī)療器件的制作和細(xì)胞生物工程等領(lǐng)域。然而，在激光加工過(guò)程中往往產(chǎn)生熱變形，而過(guò)度的熱變形常常是限制被加工器件速度、壽命及輸出功率等性能的主要因素。所以，研究激光加工中微尺度瞬態(tài)三維熱變形是控制被加工器件的質(zhì)量、掌握被加工器件的熱量產(chǎn)生與傳輸及提高器件設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵，也是相關(guān)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)課題，國(guó)內(nèi)外在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析研究三方面都在為解決這一難題而努力。但是，相對(duì)于微尺度條件下的理論研究和數(shù)值模擬，微尺度實(shí)驗(yàn)技術(shù)在需要完整、清晰的基本原理和理論的同時(shí)，還需要借助基本的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)平臺(tái)，但目前這兩方面的發(fā)展卻非常有限，而且激光加工中瞬態(tài)熱變形的測(cè)量環(huán)境較差(照射時(shí)間短，被測(cè)區(qū)域小，溫度高)，因此，在現(xiàn)有的條件下，研究和發(fā)展具有時(shí)間和空間分辨功能的有效的微尺度瞬態(tài)三維熱變形實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，是急需解決的并具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，有著重要的科學(xué)意義和工程實(shí)際價(jià)值。
[0004]當(dāng)前，電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)法均已廣泛地應(yīng)用于位移場(chǎng)測(cè)量，最具代表性的是德國(guó)Dantec Dynamics company開發(fā)的三維電子散斑干涉儀(3D ESPI System Q-300)和三維數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)(Digital 3D Image Correlat1n System Q-400)，但他們的三維電子散斑干涉儀需用4光路，三維數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)需要兩個(gè)CCD攝像系統(tǒng)。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所張熹等開發(fā)了 3光路三維散斑干涉儀，該干涉儀利用一組分光鏡將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)法有機(jī)結(jié)合，建立了雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并為此提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有較高精度和實(shí)用性的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)。
[0008]本發(fā)明用于微尺度瞬態(tài)三維位移場(chǎng)的測(cè)量時(shí)，所述激光器發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡后，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡；
[0009]從第二分光鏡分出的光路一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡；從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經(jīng)第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡到被測(cè)物;第三全反鏡的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡到被測(cè)物，經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測(cè)物后返回到第五分光鏡并通過(guò)第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來(lái)，完成面內(nèi)位移的測(cè)量；
[0010]從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測(cè)物，與經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測(cè)物后返回第五分光鏡并通過(guò)第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來(lái)，完成離面位移的測(cè)量。
[0011 ]面內(nèi)位移測(cè)量光路和離面位移測(cè)量光路的激光能量由能量衰減器控制；
[0012]在離面位移測(cè)量光路中若加入相移器可實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測(cè)量。
[0013]所述的CXD攝像機(jī)采用高速攝像機(jī)和長(zhǎng)距離顯微鏡。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，能夠給出激光加工過(guò)程中的瞬態(tài)三維位移，并且其時(shí)間和空間的分辨能力會(huì)隨著高速攝影系統(tǒng)和長(zhǎng)距離顯微鏡的進(jìn)一步發(fā)展而獲得提高。
[0016](2)將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)結(jié)合并利用了它們各自的優(yōu)勢(shì)，為研究激光加工所需的微尺度瞬態(tài)三維熱變形提供了有效、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段，
【附圖說(shuō)明】
[0017]附圖是本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖；
[00?8]圖中標(biāo)記:1-激光器，2-第一全反鏡，3-第一分光鏡，4-第二分光鏡，5-第三分光鏡，6-第四分光鏡，7-第四全反鏡，8-第五分光鏡，9-放大系統(tǒng)，10-CXD攝像機(jī)，11-第二全反鏡，12-第一擴(kuò)束鏡，13-被測(cè)物，14-第二擴(kuò)束鏡，15-第三全反鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本領(lǐng)域技術(shù)人員了解，電子散斑干涉術(shù)(ESPI)和數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)(這里將ESPI和DSCM統(tǒng)稱為散斑干涉術(shù))都是非接觸式全場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，數(shù)字散斑相關(guān)法(DSCM)在面內(nèi)位移測(cè)量方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它與其它干涉計(jì)量法相比具有光路簡(jiǎn)單、要求測(cè)量環(huán)境低、可以是人工散斑或者某些自然紋理等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量范圍上也可自由變化，大至宏觀尺度小至納米變形測(cè)量，對(duì)于大變形或微變形的測(cè)量尤為有利，并且應(yīng)用DSCM測(cè)量面內(nèi)位移，比用ESPI測(cè)量面內(nèi)位移少一種光路布置。但DISC對(duì)離面位移的測(cè)量較為困難，電子散斑干涉(ESPI)可實(shí)現(xiàn)離面位移的測(cè)量。盡管這兩種技術(shù)有著本質(zhì)的不同，但他們都是利用變形前后的散斑圖來(lái)獲得被測(cè)物理量。所以，本發(fā)明技術(shù)利用一組分光鏡將電子散斑干涉和數(shù)字散斑相關(guān)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，建立器一個(gè)雙光路布置的三維散斑干涉系統(tǒng)，再藉助高速攝影系統(tǒng)和長(zhǎng)距離顯微鏡建立一套用于激光加工中瞬態(tài)面內(nèi)位移和離面位移的測(cè)量系統(tǒng)。
[0020]為了使本發(fā)明更容易被清楚理解，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作以詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]參照附圖，本發(fā)明基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器1、第一全反鏡2，第一分光鏡3，第二分光鏡4，第三分光鏡5，第四分光鏡6，第四全反鏡7，第五分光鏡8，放大系統(tǒng)9，CXD攝像機(jī)1，第二全反鏡11，第一擴(kuò)束鏡12，被測(cè)物13，第二擴(kuò)束鏡14，第三全反鏡15。
[0022]附圖示出的本發(fā)明系統(tǒng)用于測(cè)量微尺度瞬態(tài)三維位移場(chǎng)，其中與被測(cè)物13斜入射的兩條光線構(gòu)成的光路，用于面內(nèi)位移測(cè)量;其中一條斜入射光線和一條垂直入射光線構(gòu)成的光路，用于離面位移測(cè)量。具體測(cè)量方法如下:
[0023]從所述激光器I發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡3，從第一分光鏡3分出的光路一部分到第一全反鏡2，另一部分到第二分光鏡4;
[0024]從第二分光鏡4分出的光路一部分到第二全反鏡n，另一部分到第三分光鏡5;從第三分光鏡5分出的光路到第四分光鏡6;從第四分光鏡6分出的光路一部分經(jīng)第二分光鏡4到第二全反鏡11，另一部分到第三全反鏡15;第二全反鏡11的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12到被測(cè)物13;第三全反鏡15的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡14到被測(cè)物13，經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12和第二擴(kuò)束鏡14的光作用在被測(cè)物13后返回到第五分光鏡8并通過(guò)第五分光鏡8到放大系統(tǒng)9，最終由CXD攝像機(jī)10記錄下來(lái)，完成面內(nèi)位移的測(cè)量；
[0025]從第一全反鏡2反出的光到第四全反鏡7，再由第四全反鏡7反射到第五分光鏡8，從第五分光鏡8分出的一路光到被測(cè)物13，與經(jīng)第一擴(kuò)束鏡12和第二擴(kuò)束鏡14的光作用返回第五分光鏡8并通過(guò)第五分光鏡8到放大系統(tǒng)9，最終由CCD攝像機(jī)10記錄下來(lái)，完成離面位移的測(cè)量。
[0026]以上兩種光路所需要的激光能量可以由能量衰減器控制，在離面位移測(cè)量光路中，若加入相移器，還可以實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測(cè)量。
[0027]由于激光加工的時(shí)間很短且被測(cè)區(qū)域較小，故其中的CCD攝像機(jī)10最好采用高速攝像機(jī)和長(zhǎng)距離顯微鏡，利用高速顯微數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量激光加工中不同時(shí)刻的面內(nèi)位移，并利用高速顯微電子散斑干涉法測(cè)量激光加工中不同時(shí)刻的離面位移。
[0028]以上參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了示意性描述，該描述沒(méi)有限制性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理解，在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明中各個(gè)技術(shù)特征的設(shè)置方式均可能發(fā)生某些變化，而其他人員在其啟示下也可能做出相似設(shè)計(jì)。特別需要指出的是:只要不脫離本發(fā)明的設(shè)計(jì)宗旨，所有顯而易見的細(xì)節(jié)變化或相似設(shè)計(jì)，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、放大系統(tǒng)以及CCD攝像機(jī)，其特征在于: 所述激光器發(fā)出的光路主線傳遞到第一分光鏡后，分出一部分到第一全反鏡，另一部分到第二分光鏡； 從第二分光鏡分出的光路，一部分到第二全反鏡，另一部分到第三分光鏡;從第三分光鏡的光路全部到第四分光鏡;第四分光鏡的光路一部分經(jīng)第二分光鏡到第二全反鏡，另一部分到第三全反鏡;第二全反鏡的光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡到被測(cè)物;第三全反鏡的光經(jīng)第二擴(kuò)束鏡到被測(cè)物，經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測(cè)物后返回到第五分光鏡并通過(guò)第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來(lái)，完成面內(nèi)位移的測(cè)量； 從第一全反鏡反出的光到第四全反鏡，再由第四全反鏡反射到第五分光鏡，從第五分光鏡分出的一路光到被測(cè)物，與經(jīng)第一、第二擴(kuò)束鏡的光作用在被測(cè)物后返回第五分光鏡并通過(guò)第五分光鏡到放大系統(tǒng)，最終由CCD攝像機(jī)記錄下來(lái)，完成離面位移的測(cè)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:面內(nèi)位移測(cè)量光路和離面位移測(cè)量光路的激光能量由能量衰減器控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:在離面位移測(cè)量光路中加入相移器，實(shí)現(xiàn)相移電子散斑干涉測(cè)量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分光鏡的雙光路三維散斑干涉系統(tǒng)，其特征在于:所述的CCD攝像機(jī)采用高速攝像機(jī)和長(zhǎng)距離顯微鏡。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK106052565SQ201610411978
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】唐晨, 陳明明, 蘇永鋼, 李碧原
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)