專利名稱：基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離面位移測(cè)量技術(shù)，具體來說，涉及基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
一直以來，工業(yè)領(lǐng)域中的離面位移測(cè)量很大一部分采用的是以位移計(jì)為代表的傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)。然而這些測(cè)量技術(shù)大多是單點(diǎn)式檢測(cè)，難以得到全場(chǎng)的變形分布，即使采用快速掃描的方法也要面臨逐點(diǎn)測(cè)量使得檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，很難做到多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)狀態(tài)同步的問題。另外，接觸式測(cè)量在一定程度上阻礙了樣品表面的變形，且易對(duì)樣品表面造成損傷，使傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)在越來越多的新材料檢測(cè)領(lǐng)域不能被接受。結(jié)構(gòu)光投影等非接觸式三角測(cè)量技術(shù)以其相對(duì)復(fù)雜的標(biāo)定和有限的精度而受限于高精度測(cè)量，普通的激光電子散斑干涉離面位移測(cè)量技術(shù)則因?yàn)檩^高的隔振與環(huán)境要求而難以應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng) 域中的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置及測(cè)量方法，使用該測(cè)量裝置進(jìn)行光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量時(shí)，可以使得被測(cè)樣品表面無損、全場(chǎng)測(cè)量、分辨率高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、且便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括設(shè)有鏡頭、光圈調(diào)節(jié)裝置和聚焦調(diào)節(jié)裝置的攝像機(jī)、第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第三半透半反鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、壓電陶瓷器、電壓控制器和計(jì)算機(jī)；其中，第一半透半反鏡的第一側(cè)面與攝像機(jī)的鏡頭相對(duì)；第一半透半反鏡的第二側(cè)面與第二半透半反鏡的第四側(cè)面相對(duì)，第一半透半反鏡的第三側(cè)面與第三半透半反鏡的第一側(cè)面相對(duì)，第一半透半反鏡的第一側(cè)面和第一半透半反鏡的第三側(cè)面為第一半透半反鏡相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，第一半透半反鏡的反射面的一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第三側(cè)面和第一半透半反鏡的第二側(cè)面連接處，第一半透半反鏡的反射面的另一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第一側(cè)面和第一半透半反鏡的第四側(cè)面連接處；第二半透半反鏡的第二側(cè)面與第二反射鏡相對(duì)，第二反射鏡與第二半透半反鏡之間設(shè)有第二開關(guān)，第二半透半反鏡的第一側(cè)面與第一反射鏡相對(duì)，第一反射鏡與第二半透半反鏡之間設(shè)有第一開關(guān)；第二半透半反鏡的第四側(cè)面和第二半透半反鏡的第二側(cè)面為第二半透半反鏡相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面；第二半透半反鏡的反射面的一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第三側(cè)面和第二半透半反鏡的第四側(cè)面連接處，第二半透半反鏡的反射面的另一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第一側(cè)面和第二半透半反鏡的第二側(cè)面連接處；第三半透半反鏡的第三側(cè)面與第三反射鏡相對(duì)，第三半透半反鏡的第一側(cè)面和第三半透半反鏡的第三側(cè)面為第三半透半反鏡相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，第三反射鏡背離第三半透半反鏡的一面設(shè)有壓電陶瓷器，壓電陶瓷器與電壓控制器通過導(dǎo)線連接，電壓控制器與計(jì)算機(jī)連接，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括以下步驟步驟I.調(diào)試測(cè)試裝置放置被測(cè)樣品，使被測(cè)樣品與第一半透半反鏡的第四側(cè)面對(duì)準(zhǔn)，然后用激光照明被測(cè)樣品表面，分別切換到圖像的X方向和y方向兩個(gè)剪切方向，并標(biāo)定χ方向和I方向兩個(gè)剪切方向的剪切量，其中，χ方向?yàn)樗椒较?，y方向?yàn)樨Q直方向；步驟2.在被測(cè)樣品發(fā)生變形前，采集相移圖在被測(cè)樣品發(fā)生變形前，分別切換到X方向和I方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器產(chǎn)生相移，并采集相移圖；步驟3.在被測(cè)樣品發(fā)生變形后，采集相移圖對(duì)被測(cè)樣品加載，使被測(cè)樣品產(chǎn)生離面位移，然后分別切換到X方向和I方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器產(chǎn)生相移，并采 集相移圖；步驟4.測(cè)量離面位移梯度場(chǎng)根據(jù)步驟2和步驟3采集到的相移圖，利用相移算法測(cè)算出沿χ方向和 方向的離面位移梯度場(chǎng)；步驟5.測(cè)量出離面位移場(chǎng)在沿X方向的剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿X方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿y方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)；或者在沿y剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿y方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿χ方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(I)被測(cè)樣品表面無損。與工業(yè)領(lǐng)域中以位移計(jì)為代表的傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)相比，本發(fā)明采用是光學(xué)測(cè)量技術(shù)，不需要與被測(cè)樣品表面接觸，因而對(duì)被測(cè)樣品的表面沒有損傷，也不會(huì)阻止其變形。(2)全場(chǎng)測(cè)量。傳統(tǒng)方法是采用單點(diǎn)式測(cè)量，難以得到全場(chǎng)的變形分布。而本發(fā)明在測(cè)量的過程中，是對(duì)被測(cè)樣品表面整體成像。因而本發(fā)明具有了全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。(3)分辨率高、精度高。激光干涉測(cè)量技術(shù)本身具有很高的精度，能達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)的靈敏度，本發(fā)明也很好地繼承了這一特性，具有非常高的分辨率和精度。(4)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。同樣屬于激光干涉測(cè)量方法的電子散斑干涉測(cè)量離面位移的技術(shù)因?yàn)閷?duì)于隔振和環(huán)境的高要求而被通常局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，無法應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)量。本發(fā)明采用了不需要參考光的剪切散斑干涉技術(shù)，對(duì)于隔振的要求大大降低，測(cè)量結(jié)果比電子散斑干涉等激光干涉測(cè)量技術(shù)更加穩(wěn)定。(5)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本發(fā)明的測(cè)量方法對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不高，適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，從而在未來的工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。


圖I是本發(fā)明的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的三個(gè)半透半反鏡的位置示意圖。圖中有攝像機(jī)I、第一半透半反鏡2、第一半透半反鏡的第一側(cè)面201、第一半透半反鏡的第二側(cè)面202、第一半透半反鏡的第三側(cè)面203、第一半透半反鏡的第四側(cè)面204、第二半透半反鏡3、第二半透半反鏡的第一側(cè)面301、第二半透半反鏡的第二側(cè)面302、第二半透半反鏡的第三側(cè)面303、第二半透半反鏡的第四側(cè)面304、第三半透半反鏡4、第三半透半反鏡的第一側(cè)面401、第三半透半反鏡的第二側(cè)面402、第三半透半反鏡的第三側(cè)面403、第三半透半反鏡的第四側(cè)面404、第一反射鏡5、第二反射鏡6、第三反射鏡7、壓電陶瓷器8、電壓控制器9、計(jì)算機(jī)10、第一開關(guān)11、第二開關(guān)12、被測(cè)樣品13。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的闡述。如圖I和圖2所示，本發(fā)明的一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，包括設(shè)有鏡頭、光圈調(diào)節(jié)裝置和聚焦調(diào)節(jié)裝置的攝像機(jī)I、第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡3、第三半透半反鏡4、第一反射鏡5、第二反射鏡6、第三反射鏡7、壓電陶瓷器8、電壓控制器9和計(jì)算機(jī)10。第一半透半反鏡的第一側(cè)面201與攝像機(jī)I的鏡頭相對(duì)。第一半透半反鏡的第二側(cè)面202與第二半透半反鏡的第四側(cè)面304相對(duì)。第一半透半反鏡的第三側(cè)面203與第三半透半反鏡的第一側(cè)面401相對(duì)。第一半透半反鏡的第一側(cè)面201和第一半 透半反鏡的第三側(cè)面203為第一半透半反鏡2相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。第一半透半反鏡的第二側(cè)面202和第一半透半反鏡的第四側(cè)面204為第一半透半反鏡2相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。第一半透半反鏡2的反射面的一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第三側(cè)面203和第一半透半反鏡的第二側(cè)面202連接處，第一半透半反鏡2的反射面的另一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第一側(cè)面201和第一半透半反鏡的第四側(cè)面204連接處。第二半透半反鏡的第二側(cè)面302與第二反射鏡6相對(duì)。第二反射鏡6與第二半透半反鏡3之間設(shè)有第二開關(guān)12。若第二開關(guān)12處于打開狀態(tài)，射向第二反射鏡6的光線和經(jīng)過第二反射鏡6反射出的光線將不受影響。若第二開關(guān)12處于關(guān)閉狀態(tài)，射向第二反射鏡6的光線將被第二開關(guān)12完全吸收，那么也就不會(huì)有從第二反射鏡6反射出的光線了。第二半透半反鏡的第一側(cè)面301與第一反射鏡5相對(duì)。第一反射鏡5與第二半透半反鏡3之間設(shè)有第一開關(guān)11。若第一開關(guān)11處于打開狀態(tài)，射向第一反射鏡5的光線和經(jīng)過第一反射鏡5反射出的光線將不受影響。若第一開關(guān)11處于關(guān)閉狀態(tài)，射向第一反射鏡5的光線將被第一開關(guān)11完全吸收，那么也就不會(huì)有從第一反射鏡5反射出的光線了。第二半透半反鏡的第一側(cè)面301和第二半透半反鏡的第三側(cè)面303為第二半透半反鏡3相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，第二半透半反鏡的第四側(cè)面304和第二半透半反鏡的第二側(cè)面302為第二半透半反鏡3相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。第二半透半反鏡3的反射面的一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第三側(cè)面303和第二半透半反鏡的第四側(cè)面304連接處，第二半透半反鏡3的反射面的另一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第一側(cè)面301和第二半透半反鏡的第二側(cè)面302連接處。第三半透半反鏡的第三側(cè)面403與第三反射鏡7相對(duì)。第三半透半反鏡的第一側(cè)面401和第三半透半反鏡的第三側(cè)面403為第三半透半反鏡4相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。第三半透半反鏡的第二側(cè)面402和第三半透半反鏡的第四側(cè)面404為第三半透半反鏡4相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。第三反射鏡7背離第三半透半反鏡4的一面設(shè)有壓電陶瓷器8。壓電陶瓷器8與電壓控制器9通過導(dǎo)線連接，電壓控制器9與計(jì)算機(jī)10連接。通過計(jì)算機(jī)10中安裝的軟件來控制電壓控制器9的輸出電壓，使壓電陶瓷器8的厚度發(fā)生改變，使第三反射鏡7發(fā)生離面位移，進(jìn)而經(jīng)過第三反射鏡7反射的光的光程發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)相移。攝像機(jī)I與計(jì)算機(jī)10連接。通過計(jì)算機(jī)10中安裝的軟件控制攝像機(jī)1，使攝像機(jī)I能夠采集圖像并將圖像儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)10中。進(jìn)一步，第三半透半反鏡4的反射面的一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第一側(cè)面401和第三半透半反鏡的第二側(cè)面402連接處；第三半透半反鏡4的反射面的另一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第三側(cè)面403和第三半透半反鏡的第四側(cè)面404連接處。當(dāng)然，作為另一種方案，第三半透半反鏡4的反射面的一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第三側(cè)面403和第三半透半反鏡的第二側(cè)面402連接處；第三半透半反鏡4的反射面的另一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第一側(cè)面401和第三半透半反鏡的第四側(cè)面404連接處。進(jìn)一步，所述的第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡3、第三半透半反鏡4均為立方體，且長(zhǎng)度相等，高度相等，寬度相等。也就是說，第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡3、第三半透半反鏡4的產(chǎn)品規(guī)格相同，有利于測(cè)量的進(jìn)行。上述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟
步驟I.調(diào)試測(cè)試裝置放置被測(cè)樣品13，使被測(cè)樣品13與第一半透半反鏡的第四側(cè)面204對(duì)準(zhǔn)，然后用激光照明被測(cè)樣品13表面，分別切換到圖像的χ方向和y方向兩個(gè)剪切方向，并標(biāo)定χ方向和y方向兩個(gè)剪切方向的剪切量，其中，χ方向?yàn)樗椒较?，y方向?yàn)樨Q直方向。步驟2.在被測(cè)樣品13發(fā)生變形前，采集相移圖在被測(cè)樣品13發(fā)生變形前，分別切換到X方向和y方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器9產(chǎn)生相移，并采集相移圖。步驟3.在被測(cè)樣品13發(fā)生變形后，采集相移圖對(duì)被測(cè)樣品13加載，使被測(cè)樣品13產(chǎn)生離面位移，然后分別切換到χ方向和y方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器9產(chǎn)生相移，并采集相移圖。在步驟I、步驟2或步驟3中，分別切換到χ方向和y方向兩個(gè)剪切方向，可以采用兩種方法。第一種方法是打開第一開關(guān)11，關(guān)閉第二開關(guān)12，旋轉(zhuǎn)第一反射鏡5，使攝像機(jī)I采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿χ方向，然后關(guān)閉第一開關(guān)11，打開第二開關(guān)12，旋轉(zhuǎn)第二反射鏡6，使攝像機(jī)I采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿y方向。第二種方法是打開第一開關(guān)11，關(guān)閉第二開關(guān)12，然后旋轉(zhuǎn)第一反射鏡5，使攝像機(jī)I采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿y方向；關(guān)閉第一開關(guān)U，打開第二開關(guān)12，然后旋轉(zhuǎn)第二反射鏡6，使攝像機(jī)I采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿χ方向。在步驟2和步驟3中，利用電壓控制器9產(chǎn)生相移，并采集相移圖的方法是在計(jì)算機(jī)10安裝并運(yùn)行電壓控制程序，利用電壓控制程序改變電壓控制器9的輸出電壓，從而改變壓電陶瓷器8的厚度，使第三反射鏡7發(fā)生離面位移，經(jīng)過第三反射鏡7反射的光的光程發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)相移，并利用攝像機(jī)I采集相移圖，將相移圖儲(chǔ)存在與攝像機(jī)I相連的計(jì)算機(jī)10中。在購買電壓控制器9時(shí)，商戶會(huì)配套提供給用戶電壓控制程序光盤。步驟4.測(cè)量離面位移梯度場(chǎng)根據(jù)步驟2和步驟3采集到的相移圖，利用相移算法測(cè)算出沿χ方向和 方向的離面位移梯度場(chǎng)。在步驟4中，相移算法為現(xiàn)有技術(shù)。例如，期刊名稱為《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》，2001年03期，公開了名稱為《光學(xué)干涉計(jì)量中的位相測(cè)量方法》的文章中公開了相移算法。步驟5.測(cè)量出離面位移場(chǎng)在沿X方向的剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿X方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿y方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)；或者在沿y剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿y方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿χ方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)。本發(fā)明采用了兩個(gè)步驟來進(jìn)行離面位移場(chǎng)的測(cè)量。其中，第一步，使用剪切散斑干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)離面位移梯度場(chǎng)的測(cè)量；第二步，對(duì)第一步所得到的離面位移梯度場(chǎng)進(jìn)行積分，測(cè)算出離面位移場(chǎng)。本發(fā)明兩個(gè)步驟測(cè)量離面位移場(chǎng)中的第一步使用了剪切散斑干涉技術(shù)，天然具有光學(xué)測(cè)量方法的無損、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)。激光干涉測(cè)量技術(shù)本身具有很高的精度，能達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)的靈敏度，本發(fā)明也很好地繼承了這一特性，具有非常高的靈敏度。電子散斑干涉測(cè)量離面位移的技術(shù)因?yàn)閷?duì)于隔振和環(huán)境的高要求而被通常局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，無法應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)量。本發(fā)明采用了不需要參考光的剪切散斑干涉技術(shù)，對(duì)于隔振和環(huán)境的要求大大降低，從而在未來的工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。常規(guī)的剪切散斑干涉技術(shù)可以對(duì)樣品表面離面位移沿某一方向的梯度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然而要通過單一的位移梯度場(chǎng)計(jì)算位移場(chǎng)往往會(huì)遇到積分初始值無法確定的問題。為 了克服這一不足，本發(fā)明在經(jīng)典邁克耳遜干涉光路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用了第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡3和第三半透半反鏡4三個(gè)半透半反鏡，以及第一反射鏡5、第二反射鏡6和第三反射鏡7三個(gè)反射鏡來代替經(jīng)典邁克爾遜干涉光路中的一個(gè)半透半反鏡和兩個(gè)反射鏡。經(jīng)被測(cè)樣品13表面反射的光被第一半透半反鏡2進(jìn)行分光，其中一路反射光照射到第三半透半反鏡4，經(jīng)過第三半透半反鏡4透射到第三反射鏡7，經(jīng)第三反射鏡7又反射到第三半透半反鏡4，透射過第三半透半反鏡4和第一半透半反鏡2進(jìn)入攝像機(jī)鏡頭。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)11打開，第二開關(guān)12關(guān)閉時(shí),經(jīng)被測(cè)樣品13表面反射的光被第一半透半反鏡2進(jìn)行分光，其中另外一路透射光照射到第二半透半反鏡3，經(jīng)第二半透半反鏡3反射到第一反射鏡5，經(jīng)第一反射鏡5反射到第二半透半反鏡3，又經(jīng)第二半透半反鏡3反射到第一半透半反鏡2，并由第一半透半反鏡2反射進(jìn)入攝像機(jī)I的鏡頭中。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)11關(guān)閉，第二開關(guān)12打開時(shí)，經(jīng)被測(cè)樣品13表面反射的光被第一半透半反鏡2進(jìn)行分光，其中另外一路透射光照射到第二半透半反鏡3，經(jīng)第二半透半反鏡3透射到第二反射鏡6，經(jīng)第二反射鏡6又反射到第二半透半反鏡3，透射過第二半透半反鏡3到達(dá)第一半透半反鏡2，經(jīng)第一半透半反鏡2反射進(jìn)入攝像機(jī)I的鏡頭中。無論打開第一開關(guān)11并關(guān)閉第二開關(guān)12，還是關(guān)閉第一開關(guān)11并打開第二開關(guān)12，該光路都可以看作一個(gè)經(jīng)典的邁克耳遜剪切光路，可以用來測(cè)量被測(cè)樣品13的離面位移梯度場(chǎng)。調(diào)節(jié)第一反射鏡5和第二反射鏡6的偏轉(zhuǎn)方向使得兩個(gè)剪切像的剪切方向互相垂直并分別沿圖像坐標(biāo)的χ方向和y方向。最后按照本發(fā)明中測(cè)量方法的第五步，任意選取一個(gè)種子點(diǎn)，結(jié)合χ方向和y方向兩個(gè)方向的離面位移梯度場(chǎng)進(jìn)行積分來得到樣品的離面位移場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，該測(cè)量裝置包括設(shè)有鏡頭、光圈調(diào)節(jié)裝置和聚焦調(diào)節(jié)裝置的攝像機(jī)(I)、第一半透半反鏡(2)、第二半透半反鏡(3)、第三半透半反鏡(4)、第一反射鏡(5)、第二反射鏡(6)、第三反射鏡(7)、壓電陶瓷器(8)、電壓控制器(9)和計(jì)算機(jī)(10);其中， 第一半透半反鏡的第一側(cè)面(201)與攝像機(jī)(I)的鏡頭相對(duì)；第一半透半反鏡的第二側(cè)面(202)與第二半透半反鏡的第四側(cè)面(304)相對(duì)，第一半透半反鏡的第三側(cè)面(203)與第三半透半反鏡的第一側(cè)面(401)相對(duì)，第一半透半反鏡的第一側(cè)面(201)和第一半透半反鏡的第三側(cè)面(203)為第一半透半反鏡(2)相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，第一半透半反鏡(2)的反射面的一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第三側(cè)面(203)和第一半透半反鏡的第二側(cè)面(202)連接處，第一半透半反鏡(2)的反射面的另一個(gè)端部位于第一半透半反鏡的第一側(cè)面(201)和第一半透半反鏡的第四側(cè)面(204)連接處； 第二半透半反鏡的第二側(cè)面(302)與第二反射鏡(6)相對(duì)，第二反射鏡(6)與第二半透半反鏡(3)之間設(shè)有第二開關(guān)(12)，第二半透半反鏡的第一側(cè)面(301)與第一反射鏡(5)相對(duì)，第一反射鏡(5)與第二半透半反鏡(3)之間設(shè)有第一開關(guān)(11);第二半透半反鏡的第四側(cè)面(304)和第二半透半反鏡的第二側(cè)面(302)為第二半透半反鏡(3)相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面；第二半透半反鏡(3)的反射面的一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第三側(cè)面(303)和第二半透半反鏡的第四側(cè)面(304)連接處，第二半透半反鏡(3)的反射面的另一個(gè)端部位于第二半透半反鏡的第一側(cè)面(301)和第二半透半反鏡的第二側(cè)面(302)連接處； 第三半透半反鏡的第三側(cè)面(403)與第三反射鏡(7)相對(duì)，第三半透半反鏡的第一側(cè)面(401)和第三半透半反鏡的第三側(cè)面(403)為第三半透半反鏡(4)相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，第三反射鏡(7)背離第三半透半反鏡(4)的一面設(shè)有壓電陶瓷器(8)，壓電陶瓷器(8)與電壓控制器(9)通過導(dǎo)線連接，電壓控制器(9)與計(jì)算機(jī)(10)連接，攝像機(jī)(I)與計(jì)算機(jī)(10)連接。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述的第三半透半反鏡(4)的反射面的一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第一側(cè)面(401)和第三半透半反鏡的第二側(cè)面(402)連接處；第三半透半反鏡(4)的反射面的另一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第三側(cè)面(403)和第三半透半反鏡的第四側(cè)面(404)連接處。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述的第三半透半反鏡(4)的反射面的一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第三側(cè)面(403)和第三半透半反鏡的第二側(cè)面(402)連接處；第三半透半反鏡(4)的反射面的另一個(gè)端部位于第三半透半反鏡的第一側(cè)面(401)和第三半透半反鏡的第四側(cè)面(404)連接處。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述的第一半透半反鏡(2)、第二半透半反鏡(3)、第三半透半反鏡(4)均為立方體，且長(zhǎng)度相等，高度相等，寬度相等。
5.一種權(quán)利要求I所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，該測(cè)量方法包括以下步驟 步驟I.調(diào)試測(cè)試裝置放置被測(cè)樣品(13)，使被測(cè)樣品(13)與第一半透半反鏡的第四側(cè)面(204)對(duì)準(zhǔn)，然后用激光照明被測(cè)樣品(13)表面，分別切換到圖像的X方向和y方向兩個(gè)剪切方向，并標(biāo)定X方向和y方向兩個(gè)剪切方向的剪切量，其中，X方向?yàn)樗椒较?，y方向?yàn)樨Q直方向； 步驟2.在被測(cè)樣品(13)發(fā)生變形前，采集相移圖在被測(cè)樣品(13)發(fā)生變形前，分別切換到X方向和I方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器(9)產(chǎn)生相移，并采集相移圖；步驟3.在被測(cè)樣品(13)發(fā)生變形后，采集相移圖對(duì)被測(cè)樣品(13)加載，使被測(cè)樣品(13)產(chǎn)生離面位移，然后分別切換到X方向和y方向兩個(gè)剪切方向，利用電壓控制器(9)產(chǎn)生相移，并采集相移圖； 步驟4.測(cè)量離面位移梯度場(chǎng)根據(jù)步驟2和步驟3采集到的相移圖，利用相移算法測(cè)算出沿X方向和I方向的離面位移梯度場(chǎng)； 步驟5.測(cè)量出離面位移場(chǎng)在沿X方向的剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿X方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿y方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)；或者在沿y剪切方向的離面位移梯度場(chǎng)中選取積分初始點(diǎn)，沿y方向積分出一條離面位移曲線，然后以此曲線上的每一點(diǎn)為積分初值點(diǎn)沿X方向進(jìn)行積分，進(jìn)而測(cè)量出離面位移場(chǎng)。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟I、步驟2或步驟3中，分別切換到X方向和y方向兩個(gè)剪切方向的方法是打開第一開關(guān)(11)，關(guān)閉第二開關(guān)(12)，然后旋轉(zhuǎn)第一反射鏡(5)，使攝像機(jī)(I)采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿X方向；關(guān)閉第一開關(guān)(11)，打開第二開關(guān)(12)，然后旋轉(zhuǎn)第二反射鏡(6)，使攝像機(jī)(I)采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿y方向。
7.按照權(quán)利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟I、步驟2或步驟3中，分別切換到X方向和y方向兩個(gè)剪切方向的方法是打開第一開關(guān)(11)，關(guān)閉第二開關(guān)(12)，然后旋轉(zhuǎn)第一反射鏡(5)，使攝像機(jī)(I)采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿y方向；關(guān)閉第一開關(guān)(11)，打開第二開關(guān)(12)，然后旋轉(zhuǎn)第二反射鏡(6)，使攝像機(jī)(I)采集到的圖像中，圖像的剪切方向沿X方向。
8.按照權(quán)利要求5所述的基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟2和步驟3中，利用電壓控制器(9)產(chǎn)生相移，并采集相移圖的方法是在計(jì)算機(jī)(10)安裝并運(yùn)行電壓控制程序，利用電壓控制程序改變電壓控制器(9)的輸出電壓，從而改變壓電陶瓷器(8)的厚度，使第三反射鏡(7)發(fā)生離面位移，經(jīng)過第三反射鏡(7)反射的光的光程發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)相移，并利用攝像機(jī)(I)采集相移圖，將相移圖儲(chǔ)存在與攝像機(jī)(I)相連的計(jì)算機(jī)(10)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置，包括設(shè)有鏡頭、光圈調(diào)節(jié)裝置和聚焦調(diào)節(jié)裝置的攝像機(jī)、第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第三半透半反鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、壓電陶瓷器、電壓控制器和計(jì)算機(jī)。同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種基于剪切散斑干涉的光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟步驟1.調(diào)試測(cè)試裝置；步驟2.在被測(cè)樣品發(fā)生變形前，采集相移圖；步驟3.在被測(cè)樣品發(fā)生變形后，采集相移圖；步驟4.測(cè)量離面位移梯度場(chǎng)；步驟5.測(cè)量出離面位移場(chǎng)。使用該測(cè)量裝置進(jìn)行光學(xué)離面位移場(chǎng)測(cè)量，可以使被測(cè)樣品表面無損、全場(chǎng)測(cè)量、分辨率高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，且便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102878935SQ201210360788
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者何小元, 白鵬翔 申請(qǐng)人:東南大學(xué)