CN2760550Y - 具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，包含：激光器；扩束光学系统，其位于所述激光器出射光束的光路上，用于将光束扩展照射至被测物体表面；剪切镜，其位于从被测物体表面反射的光束的光路上，用于将来自被测物体表面上不同点的光线投射至成像平面上的同一点；剪切镜驱动机构，其与所述剪切镜相连并驱动所述剪切镜沿垂直于和平行于反射光束的方向位移；偏振片，其设置于从所述剪切镜出射的光束的光路上；以及数字化成像装置，其光敏元件位于所述成像平面处。本实用新型的电子剪切散斑干涉仪具有体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带适用于现场等诸多优点，并且可以方便地产生时间相移和空间相移。
Description
技术领域
本实用新型涉及无损、非接触式检测技术，特别涉及一种电子剪切散斑干涉仪。
背景技术
随着产品质量和可靠性指标的不断提升，需要采用无损检测方法来研究和检测材料存在的缺陷。由于具备全场、非接触和无污染等诸多优点，诸如热成像、全息成像术、电子散斑干涉术(ESPI)和电子剪切散斑干涉术(ESSPI)之类的光学技术在无损检测领域得到了广泛的应用。
ESSPI是一种基于计算机数据处理、相移技术和干涉术的激光测量技术，与其它干涉技术采用两束相同的光束产生干涉条纹的原理不同，ESSPI利用剪切器将物体表面两个点的光波反射到成像平面上的同一点以产生所谓的散斑干涉像而无需采用另外的参考光束，因此是一种自参考干涉系统。
图1示出了一种典型的电子剪切散斑干涉仪，该装置包括激光器1、扩束光学系统2、透镜系统3、改进的麦克尔逊干涉仪4和摄像机5。如图1所示，激光器1的光束经扩束光学系统2照射到被测物体6的表面，反射光束经透镜系统3后入射至麦克尔逊干涉仪4，然后投射在摄像机成像平面上。摄像机获取的图像数据经帧抓取器7输出至计算机8进行后续图像处理。
剪切器是ESSPI技术中的关键部件，它将物体表面两个点的散射光引至成像平面的同一点从而产生干涉，常用的剪切器包括光学玻璃光楔、双角度棱镜、双折射棱镜或剪切镜和改进的麦克尔逊干涉仪。图1所示ESSPI装置采用麦克尔逊干涉仪4作为剪切器，该麦克尔逊干涉仪中的反射镜4a并不垂直于反射镜4b而是偏转一个非常小的角度，从而使得测量物体6表面上的点P1和P2的光波入射至成像平面(即摄像机5的成像平面)的同一点P。
假设点P处经点P1和P2反射的光波U1和U2为：
U1＝a1eiθ1和U2＝a2eiθ2 (1)
这里的θ1和θ2分别为经点P1和P2反射的光波的相位，a1和a2分别为振幅。P点处的总光场Utot为：
Utot＝a1eiθ1+a2eiθ2 (2)
因此点P处的光强I可表示为：
I＝(a1 2+a2 2)+2cos(θ1-θ2)＝A+Bcosφ (3)
这里的φ＝θ1-θ2表示经点P1和P2反射光波的相位差。当被测物体6被施加一负荷时，其可能发生形变，从而导致相位差从φ变化为φ′，以下将Δ＝φ′-φ′称为相对相位变化，由于它是被测物体表面形变梯度的函数，因此可以直接获得物体表面的梯度分布。
利用相移技术可以定量获得相位数据φ和φ′，当采用麦克尔逊干涉仪作为剪切镜时，通过改变反射镜之间的夹角和使反射镜发生位移来改变剪切量和方向以实现相移。例如，在图1所示的麦克尔逊干涉仪中，利用压电晶体器件(PZT)来驱动反射镜4b产生位移来改变剪切量和方向，但是由于PZT的电压与位移的非线性关系，导致这种驱动方式存在控制困难和需要精确标度的缺点，此外，图1所示装置的结构复杂，抗振要求也较高。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种电子剪切散斑干涉仪，它可以精确、便捷地实现空间和时间相移功能。
本实用新型的上述发明目的通过下列技术方案实现：
一种具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，包含：激光器；
扩束光学系统，其位于所述激光器出射光束的光路上，用于将光束扩展照射至被测物体表面；
剪切镜，其位于从被测物体表面反射的光束的光路上，用于将来自被测物体表面上不同点的光线投射至成像平面上的同一点；
剪切镜驱动机构，其与所述剪切镜相连并驱动所述剪切镜沿垂直于和平行于反射光束的方向位移；
偏振片，其设置于从所述剪切镜出射的光束的光路上；以及
数字化成像装置，其光敏元件位于所述成像平面处。
在上述具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪中，比较好的是，所述激光器采用532nm泵浦激光器。
在上述具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪中，所述剪切镜驱动机构为精密螺旋机构。
在上述具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪中，所述数字化成像设备采用CCD作为光强元件。
本实用新型的电子剪切散斑干涉仪具有体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带适用于现场等诸多优点，当采用532nm泵浦激光器时，与常用的633nm激光器相比，还可以使测量灵敏度提高20％。此外，在上述干涉仪中，通过使剪切镜沿垂直和水平方向位移可以方便地产生时间相移和空间相移。
附图说明
以下通过附图描述本实用新型的较佳实施方式，附图中相同或相似的单元采用相同的标号。
图1为一种典型的电子剪切散斑干涉仪的结构示意图。
图2为按照本实用新型较佳实施例的电子剪切散斑干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
图2示出了按照本实用新型较佳实施例的电子剪切散斑干涉仪的结构，该干涉仪包括激光器1、扩束光学系统2、剪切镜9、剪切镜驱动机构(未画出)、偏振片10和数字化成像设备5′。
在本实施例中，采用532nm泵浦激光器作为激光光源，这带来了体积小、功率大、重量轻、单模输出、相干长度长、便于携带等优点，而且与633nm的氦-氖激光波长相比，可以使测量灵敏度提高20％。上述干涉仪的扩束光学系统2采用小直径高折射率的过球面扩束镜，从而可使激光扩散面积较大，例如在1m处的测量面积可以达到300mm。此外，这里采用CCD摄像头作为数字化成像设备5′，其包括物镜5a和CCD 5b，但是这并不意味着数字化成像设备局限于所述的形式，例如还可以采用数码相机作为成像设备，而且光敏元件也可以采用CMOS器件实现。
如图2所示，扩束镜2位于激光器1的出射光束的光路上，它将光束扩展照射至被测物体6的表面，剪切镜9位于从被测物体表面反射的光束的光路上，其将来自被测物体表面上不同点的光线投射至成像平面上的同一点，剪切镜驱动机构与剪切镜9相连，驱动剪切镜9沿垂直于和平行于反射光束的方向位移从而分别实现剪切镜的时间和空间相移功能。在本实施例中，剪切镜驱动机构采用精密螺旋机构实现。偏振片10位于从剪切镜9出射的光束的光路上，其作用是使投射至数字成像设备处的光束沿同一方向振动，也即实现光束的归一性。从偏振片10出射的光束经物镜5a成像至CCD 5b的光敏面上，而CCD获取的成像面上每点的光强数据输出至后续图像处理设备。
Claims (4)
1、一种具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，包含：
激光器；
扩束光学系统，其位于所述激光器出射光束的光路上，用于将光束扩展照射至被测物体表面；
剪切镜，其位于从被测物体表面反射的光束的光路上，用于将来自被测物体表面上不同点的光线投射至成像平面上的同一点；
剪切镜驱动机构，其与所述剪切镜相连并驱动所述剪切镜沿垂直于和平行于反射光束的方向位移；
偏振片，其设置于从所述剪切镜出射的光束的光路上；以及
数字化成像装置，其光敏元件位于所述成像平面处。
2、如权利要求1所述的具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述激光器采用532nm泵浦激光器。
3、如权利要求1或2所述的具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述剪切镜驱动机构为精密螺旋机构。
4、如权利要求3所述的具有时间和空间相移功能的电子剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述数字化成像设备采用CCD作为光强元件。
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