專利名稱：三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用三維數(shù)字散斑干涉技術(shù)對物體三維變形的w、K和V等三個位移分場進行獨立、同步和實時測量的方法與裝置，屬于數(shù)字散斑干涉三維變形測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于物體所發(fā)生的變形通常都是三維變形，因此采用數(shù)字散斑干涉技術(shù)開展三維變形測量的方法與裝置研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣泛的應(yīng)用價值。目前數(shù)字散斑干涉三維變形測量技術(shù)主要有兩類:第一類是非共面三光束數(shù)字散斑干涉測量技術(shù)，該技術(shù)所獲得的三個位移分場相互耦合，并不獨立，因此需要通過后續(xù)計算才能分離三個位移分場，這種技術(shù)往往會產(chǎn)生較大誤差；第二類是一維和二維數(shù)字散斑干涉測量技術(shù)的組合，該技術(shù)需要頻繁切換測量光路才能得到三維位移分場，且離面位移分場并不獨立，也需要后期分離處理，才能得到獨立的離面位移分場。綜上所述，已有技術(shù)均不能做到三個位移分場的獨立、同步和實時測量，因而嚴重阻礙了數(shù)字散斑干涉技術(shù)在三維變形測量中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)均不能做到三個位移分場的獨立、同步和實時測量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量裝置，所述裝置包括三條數(shù)字散斑干涉光路；數(shù)字散斑干涉光路1:包括第一 CCD成像系統(tǒng)、激光器以及光束分束器,所述光束分束器和第一 CCD成像系統(tǒng)共軸布置在一條直線上，光束分束器的參考面的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器；數(shù)字散斑干涉光路I1:包括第二 CCD成像系統(tǒng)、兩面平面反射鏡、一個直角全反三角棱鏡，兩面平面反射鏡分別對稱放置在第二 CCD成像系統(tǒng)水平方向的兩側(cè)，兩面平面反射鏡中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器；數(shù)字散斑干涉光路II1:包括第三C⑶成像系統(tǒng)、兩面平面反射鏡、一個直角全反三角棱鏡，兩面平面反射鏡分別對稱放置在第三CCD成像系統(tǒng)豎直方向的兩側(cè)，兩面平面反射鏡中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器；前述三個CCD成像系統(tǒng)均共軸布置在一條直線上，且三個C⑶成像系統(tǒng)均與圖像采集卡連接；所述壓電陶瓷相移器通過直流穩(wěn)壓電源與計算機連接。數(shù)字散斑干涉光路II和數(shù)字散斑干涉光路III中的兩塊平面反射鏡中接收到的被測物像如果重合，可以實現(xiàn)面內(nèi)位移水平、豎直方向分量的測量；如果接收到的被測物像稍稍錯開，可以實現(xiàn)離面位移分量水平、豎直方向?qū)?shù)的一次性測量；本發(fā)明通過設(shè)置三條數(shù)字散斑干涉光路，可分別對被測物體進行w、《!和V等三個位移分場的獨立、同步和實時測量；且通過計算機控制電陶瓷相移器帶動平面反射鏡及光束分束器的參考面平移微小距離產(chǎn)生相移，實驗結(jié)果的精確性大大提高。
為確保三個CXD成像系統(tǒng)的視場大小一致，前述CXD成像系統(tǒng)均包括一個CXD和一個可變焦成像透鏡，可變焦成像透鏡通過CXD前部的接口與之連接。一種采用所述三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量裝置實現(xiàn)的三維數(shù)字散斑干涉測量方法，包括以下過程:A)被測物加載變形前，三個CCD成像系統(tǒng)同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；B)被測物加載變形后，再同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像并與其對應(yīng)的參考圖像進行實時相減，得到三幅實時散斑干涉條紋圖；C)利用計算機控制壓電陶瓷相移器精確采集多幅具有等相移量的散斑干涉條紋圖，通過相移算法提取被測物變形后的三幅相位圖；D)通過計算機將上述三幅相位圖分別做解包裹處理，即可進一步得到三幅連續(xù)分布的相位展開圖；E)利用三幅連續(xù)分布的相位展開圖分別計算出被測物的三維位移分量。本發(fā)明的優(yōu)點是:可以進行三個位移分場的同步測量，不需要重復(fù)試驗；可以進行三個位移分場的獨立測量，不需要后續(xù)分離；可以進行三個位移分場的實時測量，適用于動態(tài)問題。另外，該技術(shù)通過采用相移干涉技術(shù)還可以進行三維位移分場的精確相位測量。


圖1是本發(fā)明一種三維數(shù)字散斑干涉測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1為激光器，2至4為CXD成像系統(tǒng)，5為平面反射鏡，6為直角全反三角棱鏡，7為帶相移裝置的光束分束器，8為被測物。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明所述裝置包括三條數(shù)字散斑干涉光路:
數(shù)字散斑干涉光路1:包括第一 CXD成像系統(tǒng)2、激光器I以及光束分束器7，所述光束分束器7和第一 CCD成像系統(tǒng)2共軸布置在一條直線上,光束分束器7的參考面的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器。數(shù)字散斑干涉光路I1:包括第二 C⑶成像系統(tǒng)3、兩面平面反射鏡5、一個直角全反三角棱鏡6，兩面平面反射鏡5分別對稱放置在第二 CCD成像系統(tǒng)3水平方向的兩側(cè)；兩面平面反射鏡5中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器。數(shù)字散斑干涉光路II1:包括第三C⑶成像系統(tǒng)4、兩面平面反射鏡5、一個直角全反三角棱鏡6,兩面平面反射鏡5分別對稱放置在第三(XD成像系統(tǒng)4豎直方向的兩側(cè)；兩面平面反射鏡5中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器。前述三個CXD成像系統(tǒng)均共軸布置在一條直線上，且三個CXD成像系統(tǒng)均與圖像采集卡連接；
所述壓電陶瓷相移器通過直流穩(wěn)壓電源與計算機連接。數(shù)字散斑干涉光路I的工作過程是:從激光器輸出的光入射到光束分束器分成兩束相干光，其中一束光照射到被測物面，另一束光照射到光束分束器參考面。從被測物面反射回來的物光和從參考面反射回來的參考光經(jīng)過分束器共同進入到第一 CCD成像系統(tǒng)中。數(shù)字散斑干涉光路I位于平面yz內(nèi)，可以單獨獲得離面仨移w分量。數(shù)字散斑干涉光路II的工作過程是:從被測物面漫反射回來的兩束物光經(jīng)平面反射鏡，反射向直角面全反射三角棱鏡，再經(jīng)過直角面全反射三角棱鏡共同進入到第二 CCD成像系統(tǒng)中。數(shù)字散斑干涉光路II位于平面 內(nèi)，可以單獨獲得面內(nèi)位移《分量。數(shù)字散斑干涉光路III的工作過程是:從被測物面漫反射回來的兩束物光經(jīng)平面反射鏡，反射向直角面全反射三角棱鏡，再經(jīng)過直角面全反射三角棱鏡共同進入到第三CCD成像系統(tǒng)中。數(shù)字散斑干涉光路III位于平面內(nèi)，可以單獨獲得面內(nèi)位移V分量。三條數(shù)字散斑干涉光路之間相互獨立，互不干擾。運用上述裝置進行試驗的方法步驟如下:
步驟一:被測物8加載變形前，調(diào)節(jié)第一 CXD成像系統(tǒng)2、第二 CXD成像系統(tǒng)3、第三CXD成像系統(tǒng)4的光圈及焦距，使得被測物在計算機屏幕上成像清晰，大小適中；
步驟二:微調(diào)數(shù)字散斑干涉光路I1、數(shù)字散斑干涉光路III中對稱放置的平面反射鏡5，使第二 CCD成像系統(tǒng)3和第三CCD成像系統(tǒng)4中被測物8的兩個像重合，數(shù)字散斑干涉光
路I1、數(shù)字散斑干涉光路III中平面反射鏡接收的激光束與2軸所成的夾角分別為芎和咚；
此時，三個CCD成像系統(tǒng)同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像；
步驟三:使被測物8加載變形，此時，同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像并與其對應(yīng)的參考圖像進行實時相減，得到三幅實時散斑干涉條紋圖；所述被測物8加載變形，即通過壓電陶瓷相移器施加時間相移，并通過圖像采集卡將結(jié)果輸入計算機內(nèi)，最終以數(shù)字化輸出；所述時間相移是指通過壓電陶瓷相移器驅(qū)動與其相粘合的光束分束器7或平面反射鏡5沿其各自的法線方向平移微小距離來實現(xiàn)相位的改變；由于光束分束器7參考面、平面反射鏡5上均粘貼有壓電陶瓷 相移器，通過直流穩(wěn)壓電源驅(qū)動該壓電陶瓷相移器，即可帶動與之相粘合的光束分束器7 和平面反射鏡5的相移。三條數(shù)字散斑干涉光路中，被測物8表面變形引起的相位變化可表示為:
權(quán)利要求
1.三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量裝置，其特征在于，所述裝置包括三條數(shù)字散斑干涉光路； 數(shù)字散斑干涉光路1:包括第一 CCD成像系統(tǒng)、激光器以及光束分束器，所述光束分束器和第一 CCD成像系統(tǒng)共軸布置在一條直線上，光束分束器的參考面的背面設(shè)有壓電陶瓷相移器； 數(shù)字散斑干涉光路I1:包括第二 CXD成像系統(tǒng)、兩面平面反射鏡、一個直角全反三角棱鏡，兩面平面反射鏡分別對稱放置在第二 CCD成像系統(tǒng)水平方向的兩側(cè)，兩面平面反射鏡中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器； 數(shù)字散斑干涉光路II1:包括第三CXD成像系統(tǒng)、兩面平面反射鏡、一個直角全反三角棱鏡，兩面平面反射鏡分別對稱放置在第三CCD成像系統(tǒng)豎直方向的兩側(cè)，兩面平面反射鏡中的一面，其背面設(shè)有壓電陶瓷相移器； 前述三個CCD成像系統(tǒng)均共軸布置在一條直線上，且三個CCD成像系統(tǒng)均與圖像采集卡連接； 所述壓電陶瓷相移器通過直流穩(wěn)壓電源與計算機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量裝置，其特征在于，前述CXD成像系統(tǒng)均包括一個CXD和一個可變焦成像透鏡，可變焦成像透鏡通過CXD前部的接口與之連接。
3.一種采用權(quán)利要求1-2中任意一項所述三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量裝置實現(xiàn)的三維數(shù)字散斑干涉測量方法，其特征在于，包括以下過程: A)被測物加載變形前，三個CCD成像系統(tǒng)同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像作為參考圖像； B)被測物加載變形后，再同步采集三幅數(shù)字散斑干涉圖像并與其對應(yīng)的參考圖像進行實時相減，得到三幅實時散斑干涉條紋圖； C)利用計算機控制壓電陶瓷相移器精確采集多幅具有等相移量的散斑干涉條紋圖，通過相移算法提取被測物變形后的三幅相位圖； D)通過計算機將上述三幅相位圖分別做解包裹處理，即可進一步得到三幅連續(xù)分布的相位展開圖； E)利用三幅連續(xù)分布的相位展開圖分別計算出被測物的三維位移分量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維數(shù)字散斑干涉三場獨立、同步和實時測量方法與裝置，該測量裝置包含三條相互獨立的數(shù)字散斑干涉光路，該方法通過三條相互獨立的數(shù)字散斑干涉光路，同步采集被測物變形前的圖像為參考圖像和被測物變形后的實時圖像各三幅，對應(yīng)的實時圖像減去參考圖像，得到三幅實時散斑干涉條紋圖；精確采集多幅具有等相移量的散斑干涉條紋圖，通過相移算法提取被測物變形后的三幅相位圖；通過計算機將上述三幅相位圖分別做解包裹處理，進一步得到三幅連續(xù)分布的相位展開圖；利用前述相位展開圖分別計算出被測物的三維位移分量。本發(fā)明可以進行三個位移分場的同步、獨立、實時測量，適用于動態(tài)問題，還可以進行三維位移分場的精確相位測量。
文檔編號G01B11/16GK103148798SQ20131008669
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者王開福, 顧國慶 申請人:南京航空航天大學(xué)