專利名稱：基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)三維變形測量系統(tǒng)，特別是一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對材料受力后產(chǎn)生的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等性能參數(shù)的研究和應(yīng)用要求不斷提高。從過去的只能應(yīng)用于物體單點測量的金屬應(yīng)力量表到可以測量物體較大區(qū)域的散斑技術(shù)，在變形測量技術(shù)方面得到了很大的進(jìn)步。利用散斑技術(shù)對物體進(jìn)行兩維或三維的變形測量的硬件系統(tǒng)和變形處理等算法處理方面已經(jīng)有不少的方法。在專禾[!"Method and apparatus for determining deformation and elongation on curved bodies”(專利號US 6188483 Bl)中，利用一個激光器提供光源，將兩個雙光束電子散班干涉系統(tǒng)和一個離面變形檢測系統(tǒng)結(jié)合到一個系統(tǒng)中，分別依靠出射的四束激光束完成面內(nèi)變形檢測，并利用四束激光中的一束和另一束光束構(gòu)成離面變形檢測系統(tǒng)。將變形前后獲得的電子散斑圖運用直接相減算法進(jìn)行處理后，得到三維變形數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)的缺點是不能同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量，對測量環(huán)境要求嚴(yán)格，而且，利用一個激光光源采用分立的元件進(jìn)行分光、傳光，光學(xué)器件繁多。在專禾Ij “基于旋轉(zhuǎn)Y型光纖的三維變形測量系統(tǒng)”(專利號ZL 2007 1 0038728. 3 )中，通過光纖的空間位置旋轉(zhuǎn)控制，來實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統(tǒng)的缺點是不能同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。在專利“基于分束光纖的三維變形測量系統(tǒng)”(專利號ZL 2007 0038782.8)中， 通過光纖出口端的遮擋開關(guān)的選擇，來實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統(tǒng)的缺點是不能同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。在文獻(xiàn)"Three-wavelength electronic speckle pattern interferometry with the Fourier-transform method for simultaneous measurement of microstructure-scale deformations in three dimensions，，(Applied Optics, Vol. 45, Issuel4, pp. 3218-3225 (2006))是通過三個CCD攝象機同時采集來實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統(tǒng)的缺點是由于采用多個CCD攝象機，且圖像需要同步采集和位置匹配，系統(tǒng)復(fù)雜不容易產(chǎn)品化。通過其它文獻(xiàn)的查閱可以得出基于激光電子散斑干涉技術(shù)的三維變形測量系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)三維測量但不能實現(xiàn)瞬態(tài)測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并能保證測量精度。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基本原理是
一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，如圖1所示，它由光源組件，分光和傳光組件，被測物體，彩色CCD攝像機和計算機組成。其中光源組件由紅綠藍(lán)三種波長的激光器組成，分光和傳光系統(tǒng)組件由平面反射鏡及透鏡或光纖組成。其特征在于所述的紅綠藍(lán)三種波長的激光器分別與彩色CCD攝像機的三原色相對應(yīng)，由三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，從而使本系統(tǒng)能同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。根據(jù)上述原理，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，由光源組件、分光和傳光組件、被測物體、彩色CCD攝像機和計算機組成，其中光源組件由紅綠藍(lán)三種波長的激光器組成，分光和傳光組件由平面反射鏡及透鏡或光纖組成，其特征在于所述的紅綠藍(lán)三種波長的激光器分別與彩色CCD攝像機的三原色相對應(yīng)，該激光器出射光束經(jīng)分光和傳光組件，向被測物體分別出射面內(nèi)垂直變形測量光束、面內(nèi)水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，然后由彩色CCD攝像機采集記錄，送入計算機。所述三個激光器波長取值范圍分別為450-470nm、540-550nm和630_650nm。所述分光和傳光組件的結(jié)構(gòu)是由一個棱鏡將激光器出射光束分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，另一束光經(jīng)過兩個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器出射光束由一個棱鏡分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，另一束光經(jīng)過兩個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器出射光束由一個棱鏡分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡和一個棱鏡進(jìn)入CCD，另一束光經(jīng)過一個棱鏡，一個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面離面方向的變形。所述分光和傳光組件的結(jié)構(gòu)是所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡進(jìn)入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡后照射物體，另一束經(jīng)一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡進(jìn)入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡后照射物體，另一束經(jīng)一個二合一型光纖耦合器和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡進(jìn)入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡和一個棱鏡后照射(XD，另一束經(jīng)一個二合一型光纖耦合器和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面離面方向的變形。所述彩色CCD攝像機采用單CCD彩色攝像機，微型濾光片的光譜分別取 460nm 士 30nm、545nm 士 30nm 和 640nm 士 30nm。本發(fā)明與現(xiàn)有三維電子散斑變形檢測系統(tǒng)相比較，具有如下突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本系統(tǒng)中采用了三個激光器從而減少了分光元件；三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，本發(fā)明專利所需光學(xué)器件少，結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的瞬態(tài)三維變形測量。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明中的一個分光和傳光組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中的另一個分光和傳光組件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作具體的說明。實施例一
參見圖1，基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，由光源組件(38)、分光和傳光組件 (39)、被測物體(21)、彩色CXD攝像機(20)和計算機(40)組成，其中光源組件(38)由紅綠藍(lán)三種波長的激光器(1、2、；3)組成，分光和傳光組件(39)由平面反射鏡及透鏡或光纖組成，其特征在于所述的紅綠藍(lán)三種波長的激光器(1、2、3)分別與彩色CXD攝像機的三原色相對應(yīng)，該激光器(1、2、3)出射光束經(jīng)分光和傳光組件(39)，向被測物體(21)分別出射面內(nèi)垂直變形測量光束、面內(nèi)水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，然后由彩色CCD攝像機(20)采集記錄，送入計算機(40)。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
如圖2所示，所述的藍(lán)綠紅三種激光器的波長取值范圍分別為450-470nm、540-550nm 和630-650nm，所述分光和傳光組件(39 )的結(jié)構(gòu)是激光器(1)發(fā)出的光束經(jīng)過棱鏡(6 )分成兩束光，兩束光豎直對稱于成像透鏡(18)的光軸，并滿足近似等光程的要求，一束光經(jīng)平面反射鏡(13)和擴束透鏡(19)照射物體，另一束光經(jīng)過平面反射鏡(11、7)和擴束透鏡
(14)照射物體，它們完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器(2)發(fā)出的光束經(jīng)過棱鏡(5) 分成兩束光，兩束光水平對稱于成像透鏡(18)的光軸，并滿足近似等光程的要求，一束光經(jīng)平面反射鏡(12)和擴束透鏡(17)照射物體，另一束光經(jīng)過平面反射鏡(10、8)和擴束透鏡
(15)照射物體，它們完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過棱鏡(4)分成兩束光，一束光經(jīng)平面反射鏡(9)和棱鏡(16)進(jìn)入(XD，在水平面內(nèi)垂直于成像透鏡(18) 的光軸，另一束光經(jīng)過棱鏡(5)，平面反射鏡(12)和擴束透鏡(17)照射物體，并滿足近似等光程的要求，它們完成測量離面方向的變形。最后同時經(jīng)過成像透鏡(18)和棱鏡(16)被彩色CXD攝像機采集，以上三組光路信息是同時被彩色CXD攝像機記錄，送入計算機進(jìn)行處理。實施例三
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
如圖3所示，所述分光和傳光組件(39)的結(jié)構(gòu)是激光器(1)發(fā)出的光束經(jīng)過顯微透鏡 (27)進(jìn)入一分二型光纖分光器(28)分成兩束光，兩束光豎直對稱于成像透鏡(37)的光軸， 并滿足近似等光程的要求，一束經(jīng)擴束透鏡(36)照射物體，另一束經(jīng)擴束透鏡(34)照射物體，它們完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器(2)發(fā)出的光束經(jīng)過顯微透鏡(26)進(jìn)入一分二型光纖分光器(29)分成兩束光，兩束光水平對稱于成像透鏡(37)的光軸，并滿足近似等光程的要求，一束經(jīng)擴束透鏡(35)照射物體，另一束經(jīng)二合一型光纖耦合器(31)和擴束透鏡(33)照射物體，它們完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過顯微\- -/ ShIfJr ^ // y 可/Us —-,V/Tl ^ -Γ t JtIT Iv小χρ[φ,J 位^ 少相/JL\ ， /TJ2 fcJc ,￡ ？Λ /I I, ,__,M ^ 向IIk 方J 入X一一 一 ？ / 解XIn夂 MK../TLtS SS 功αλ Il 訂 K V-.(4 11:1( 1。力辦軛027等 C 共[O得在頻域空間，通過選擇合適的濾波器分別把Cfc (χ 換后得G(U)，物光波相位可由公式(5)計算得到。透鏡(25 )進(jìn)入一分二型光纖分光器(30 )分成兩束光，一束經(jīng)擴束透鏡(32 )和棱鏡(16 )照射CXD，在水平面內(nèi)垂直于成像透鏡(37 )的光軸，另一束經(jīng)二合一型光纖耦合器(31)和擴束透鏡(33)照射物體，并滿足近似等光程的要求，它們完成測量離面方向的變形。最后同時經(jīng)過成像透鏡(37)和棱鏡(16)被彩色CXD攝像機采集，以上三組光路信息是同時被彩色 CXD攝像機記錄，送入計算機進(jìn)行處理。
變形量計算方法本發(fā)明由于采用紅綠藍(lán)三種波長的激光器和彩色CCD攝像機從而能夠同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。本系統(tǒng)既具有現(xiàn)有三維電子散斑變形檢測系統(tǒng)能單獨測量各個方向的變形優(yōu)點，又克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點。
本發(fā)明的操作步驟如下在物體變形前彩色CCD攝像機采集一幅帶有載波的圖像，對被測物體加載后再采集第二幅載波加變形的圖像，并利用傅里葉變換法或小波變換法，分別解調(diào)出各個方向的變形場相位，實現(xiàn)三維變形場的測量。
Uk y)=uk v)exp[zO(χ, ν)](1)R.k (x^ y) = h “，y )exP [-+ fky y )|(2 >公式(1)，(2)分別表示物光波和參考光波。其中，fkx，A7分別表示在χ , y向上的載波頻率。
變形前采集的圖像可以表示為數(shù)復(fù)勺V，k5XLftC是Λχ等式(3)進(jìn)行兩維傅立葉變換后(4)分離出來，再進(jìn)行傅立葉反變權(quán)利要求
1.一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，由光源組件(38)、分光和傳光組件 (39)、被測物體(21)、彩色CXD攝像機(20)和計算機(40)組成，其中光源組件(38)由紅綠藍(lán)三種波長的激光器(1、2、；3)組成，分光和傳光組件(39)由平面反射鏡及透鏡或光纖組成，其特征在于所述的紅綠藍(lán)三種波長的激光器(1、2、3)分別與彩色CXD攝像機的三原色相對應(yīng)，該激光器(1、2、3)出射光束經(jīng)分光和傳光組件(39)，向被測物體(21)分別出射面內(nèi)垂直變形測量光束、面內(nèi)水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，然后由彩色CCD攝像機(20)采集記錄，送入計算機(40)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述三個激光器(1、2、3)波長取值范圍分別為450-470nm、540-550nm和630_650nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述分光和傳光組件(39)的結(jié)構(gòu)是由一個棱鏡(6)將激光器(1)出射光束分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡(13)和一個擴束透鏡(19)后照射物體，另一束光經(jīng)過兩個平面反射鏡(11、7)和一個擴束透鏡(14)后照射物體，完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器(2)出射光束由一個棱鏡(5 )分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡(12 )和一個擴束透鏡(17 )后照射物體，另一束光經(jīng)過兩個平面反射鏡(10、8)和一個擴束透鏡(15)后照射物體，完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器(3 )出射光束由一個棱鏡(4 )分成兩束光，一束光經(jīng)一個平面反射鏡(9 )和一個棱鏡(16 )進(jìn)入CXD，另一束光經(jīng)過一個棱鏡(5 )，一個平面反射鏡(12) 和一個擴束透鏡(17)后照射物體，完成測量面離面方向的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述分光和傳光組件(39 )的結(jié)構(gòu)是所述激光器(1)發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡(27 )進(jìn)入一個一分二型光纖分光器(28 )分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡(36 )后照射物體，另一束經(jīng)一個擴束透鏡(34)后照射物體，完成測量面內(nèi)豎直方向的變形；激光器(2)發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡(26)進(jìn)入一個一分二型光纖分光器(29)分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡(35 )后照射物體，另一束經(jīng)一個二合一型光纖耦合器(31)和一個擴束透鏡(33 )后照射物體，完成測量面內(nèi)水平方向的變形；激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過一個顯微透鏡(25)進(jìn)入一個一分二型光纖分光器(30)分成兩束光，一束經(jīng)一個擴束透鏡(32)和一個棱鏡(16)后照射(XD，另一束經(jīng)一個二合一型光纖耦合器(31)和一個擴束透鏡(33)后照射物體，完成測量面離面方向的變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)，其特征在于 所述彩色CXD攝像機采用單CXD彩色攝像機，微型濾光片的光譜分別取460nm士30nm、 545nm 士 30nm 和 640nm 士 30nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于三色激光的瞬態(tài)三維變形測量系統(tǒng)。它由紅綠藍(lán)三種波長的激光器組件、一個彩色CCD攝像機的圖像接收系統(tǒng)和平面反射鏡及透鏡或光纖構(gòu)成分光和傳光系統(tǒng)組成。三原色同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離。本系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)物體面內(nèi)豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量，克服了現(xiàn)有散斑三維變形測量系統(tǒng)分時測量的缺點。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的瞬態(tài)三維變形測量。
文檔編號G01B11/16GK102506735SQ20111033281
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者于瀛潔, 劉祎慶, 唐智, 孫流星 申請人:上海大學(xué)