專利名稱：基于三色激光的瞬態三維變形測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學三維變形測量系統，特別是一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統。
背景技術：
隨著工業的發展，人們對材料受力后產生的變形、應力、應變等性能參數的研究和應用要求不斷提高。從過去的只能應用于物體單點測量的金屬應力量表到可以測量物體較大區域的散斑技術，在變形測量技術方面得到了很大的進步。利用散斑技術對物體進行兩維或三維的變形測量的硬件系統和變形處理等算法處理方面已經有不少的方法。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和一個離面變形檢測系統結合到一個系統中，分別依靠出射的四束激光束完成面內變形檢測，并利用四束激光中的一束和另一束光束構成離面變形檢測系統。將變形前后獲得的電子散斑圖運用直接相減算法進行處理后，得到三維變形數據。此系統的缺點是不能同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量，對測量環境要求嚴格，而且，利用一個激光光源采用分立的元件進行分光、傳光，光學器件繁多。在專禾Ij “基于旋轉Y型光纖的三維變形測量系統”(專利號ZL 2007 1 0038728. 3 )中，通過光纖的空間位置旋轉控制，來實現物體面內豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統的缺點是不能同時實現物體面內豎直方向、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”(專利號ZL 2007 0038782.8)中， 通過光纖出口端的遮擋開關的選擇，來實現物體面內豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統的缺點是不能同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。在文獻"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物體面內豎直方向，水平方向以及離面方向的變形測量。此系統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，系統復雜不容易產品化。通過其它文獻的查閱可以得出基于激光電子散斑干涉技術的三維變形測量系統雖然能實現三維測量但不能實現瞬態測量。
發明內容
本發明的目的在于針對已有技術中存在的缺陷，提供一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，結構簡單，操作方便，并能保證測量精度。
為了達到上述目的，本發明的基本原理是
一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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三種波長的激光器組成，分光和傳光系統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三種波長的激光器分別與彩色CCD攝像機的三原色相對應，由三原色同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，從而使本系統能同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。根據上述原理，本發明采用下述技術方案
一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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三種波長的激光器分別與彩色CCD攝像機的三原色相對應，該激光器出射光束經分光和傳光組件，向被測物體分別出射面內垂直變形測量光束、面內水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現物體面內豎直方向、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構是由一個棱鏡將激光器出射光束分成兩束光，一束光經一個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，另一束光經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，一束光經一個平面反射鏡和一個擴束透鏡后照射物體，另一束光經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，一束光經一個平面反射鏡和一個棱鏡進入CCD，另一束光經過一個棱鏡，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構是所述激光器發出的光束經過一個顯微透鏡進入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經一個擴束透鏡后照射物體，另一束經一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內豎直方向的變形；激光器發出的光束經過一個顯微透鏡進入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經一個擴束透鏡后照射物體，另一束經一個二合一型光纖耦合器和一個擴束透鏡后照射物體，完成測量面內水平方向的變形；激光器發出的光束經過一個顯微透鏡進入一個一分二型光纖分光器分成兩束光，一束經一個擴束透鏡和一個棱鏡后照射(XD，另一束經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。本發明與現有三維電子散斑變形檢測系統相比較，具有如下突出實質性特點和顯著優點本系統中采用了三個激光器從而減少了分光元件；三原色同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離，本發明專利所需光學器件少，結構合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的瞬態三維變形測量。
圖1是本發明的系統結構框圖。圖2是本發明中的一個分光和傳光組件結構示意圖。圖3是本發明中的另一個分光和傳光組件結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作具體的說明。實施例一
參見圖1，基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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，該激光器(1、2、3)出射光束經分光和傳光組件(39)，向被測物體(21)分別出射面內垂直變形測量光束、面內水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現物體面內豎直方向、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 )的結構是激光器(1)發出的光束經過棱鏡(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，一束光經平面反射鏡(13)和擴束透鏡(19)照射物體，另一束光經過平面反射鏡(11、7)和擴束透鏡
(14)照射物體，它們完成測量面內豎直方向的變形；激光器(2)發出的光束經過棱鏡(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，一束光經平面反射鏡(12)和擴束透鏡(17)照射物體，另一束光經過平面反射鏡(10、8)和擴束透鏡
(15)照射物體，它們完成測量面內水平方向的變形；激光器(3)發出的光束經過棱鏡(4)分成兩束光，一束光經平面反射鏡(9)和棱鏡(16)進入(XD，在水平面內垂直于成像透鏡(18) 的光軸，另一束光經過棱鏡(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)的結構是激光器(1)發出的光束經過顯微透鏡 (27)進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，一束經擴束透鏡(36)照射物體，另一束經擴束透鏡(34)照射物體，它們完成測量面內豎直方向的變形；激光器(2)發出的光束經過顯微透鏡(26)進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，一束經擴束透鏡(35)照射物體，另一束經二合一型光纖耦合器(31)和擴束透鏡(33)照射物體，它們完成測量面內水平方向的變形；激光器(3)發出的光束經過顯微\- -/ 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 )進入一分二型光纖分光器(30 )分成兩束光，一束經擴束透鏡(32 )和棱鏡(16 )照射CXD，在水平面內垂直于成像透鏡(37 )的光軸，另一束經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，送入計算機進行處理。
變形量計算方法本發明由于采用紅綠藍三種波長的激光器和彩色CCD攝像機從而能夠同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量。本系統既具有現有三維電子散斑變形檢測系統能單獨測量各個方向的變形優點，又克服了現有系統的缺點。
本發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，分別解調出各個方向的變形場相位，實現三維變形場的測量。
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復勺V，k5XLftC是Λχ等式(3)進行兩維傅立葉變換后(4)分離出來，再進行傅立葉反變權利要求
1.一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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，該激光器(1、2、3)出射光束經分光和傳光組件(39)，向被測物體(21)分別出射面內垂直變形測量光束、面內水平變形測量光束和離面變形測量光束，由三原色同時實現物體面內豎直方向、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.根據權利要求1所述的基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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.根據權利要求1所述的基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，其特征在于所述分光和傳光組件(39)的結構是由一個棱鏡(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，一束光經一個平面反射鏡(9 )和一個棱鏡(16 )進入CXD，另一束光經過一個棱鏡(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.根據權利要求1所述的基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，其特征在于所述分光和傳光組件(39 )的結構是所述激光器(1)發出的光束經過一個顯微透鏡(27 )進入一個一分二型光纖分光器(28 )分成兩束光，一束經一個擴束透鏡(36 )后照射物體，另一束經一個擴束透鏡(34)后照射物體，完成測量面內豎直方向的變形；激光器(2)發出的光束經過一個顯微透鏡(26)進入一個一分二型光纖分光器(29)分成兩束光，一束經一個擴束透鏡(35 )后照射物體，另一束經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，完成測量面內水平方向的變形；激光器(3)發出的光束經過一個顯微透鏡(25)進入一個一分二型光纖分光器(30)分成兩束光，一束經一個擴束透鏡(32)和一個棱鏡(16)后照射(XD，另一束經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.根據權利要求1所述的基于三色激光的瞬態三維變形測量系統，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
本發明涉及了一種基于三色激光的瞬態三維變形測量系統。它由紅綠藍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和平面反射鏡及透鏡或光纖構成分光和傳光系統組成。三原色同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形分離。本系統可以同時實現物體面內豎直方向、水平方向以及離面方向的變形測量，克服了現有散斑三維變形測量系統分時測量的缺點。本發明結構合理緊湊，操作簡便，適用于物體表面的瞬態三維變形測量。
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 優先權日2011年10月28日
發明者于瀛潔, 劉祎慶, 唐智, 孫流星 申請人:上海大學