[发明专利]一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法，通过开关可变扩束器，以及标准球面镜头和可变倍成像镜头的切换，形成紧凑式双波长激光干涉系统和双波长散斑干涉系统两种模式共用的测量装置。利用双波长产生的合成波长干涉信号可以提高系统的测量动态范围，同时利用偏振同步移相技术可以实现系统的动态测量，降低测量环境的抗振要求。本发明测量装置及方法可以实现高精度复合材料曲面元件的大视场、大动态范围和实时动态的光滑表面形貌及粗糙表面形变的在线原位精确测量。

技术领域

本发明涉及光学测量技术，特别是一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法。

背景技术

应用于空间、航天等领域的高精度复合材料，其表面形貌和形变与传感精度等重要特性密切相关，形貌是表面加工质量的直接体现，而形变则是材料力学性能和结构可靠性最直观的体现，因此在复合材料元件的制造过程中，对光滑表面形貌和粗糙表面形变的同步联合全视场测量非常关键。

在光学测量方法中，数字散斑干涉技术以其相对简单的光路结构、全场测量、非接触无损害等优点成为了测量粗糙表面的最有效的方法。散斑干涉形变测量方法是以粗糙物体表面的漫反射物波与参考光波干涉形成干涉条纹的形式记录物体漫反射物光波与参考光波之间的相位差关系。物体变形前后记录的两幅干涉条纹的变化中，包含物体形貌的变化信息，即形变信息。通过计算变形前后两幅干涉图中的物光波之间相位差可以获取物体的形变值。

为了解决在振动环境下高精度测量的问题，研究人员提出了偏振移相的技术，偏振移相技术是通过采用微偏振阵列实现瞬态空间同步移相，各组移相的条纹不会由于外界的振动产生移相误差，可实现高精度的动态测量。2004年Michael M等人提出了微偏振阵列的数字散斑干涉技术(M.North,J.Millerd,andN.Brock N,Proc.SPIE.5869(2004).)，该方法基于瞬态同步偏振移相的方法实现了直径约1米的詹姆斯-韦伯太空望远镜背板结构材料的形变测量同时又集成了动态泰曼格林干涉系统可以实现光滑表面的形貌测量，但是该技术使用单波长激光器，能够测量到的形貌及形变量范围有限，无法测量动态范围较大的表面。

单波长散斑干涉技术对于大形变的测量，受激光波长的限制，测量过程中会存在过多的干涉条纹，产生相位模糊的现象，从而无法进行准确的恢复，而双波长散斑干涉测量技术可以通过合成波长的方法使相位的测量范围可以被扩大到一个比原单个波长更大的合成波长，从而可以增大动态范围的测量量程，减轻相位模糊的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的不足，提出了一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法，实现复合材料元件的大视场、大动态范围和实时动态的光滑表面形貌及粗糙表面形变的在线原位精确测量。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一方面，一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，有双波长激光干涉和双波长散斑干涉两种工作模式，该测量装置包括第一激光器、第二激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、可变扩束器、扩束准直镜、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、标准参考反射镜、第二四分之一波片、标准球面镜头或者可变倍成像镜头、聚焦镜、成像透镜、第三四分之一波片、微偏振片阵列、CCD探测器和计算机；

沿第一激光器的出射光束光路上依次设置有第一二分之一波片和第一偏振分光棱镜；沿第二激光器的出射光束光路上依次设置有第二二分之一波片、第一反射镜和第一偏振分光棱镜；所述的第一偏振分光棱镜将入射光分为二束，其中一束光依次经所述的第二反射镜和第三反射镜入射到所述的可变扩束器，另一束光经所述的扩束准直镜入射到第二偏振分光棱镜，该第二偏振分光棱镜将入射光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一四分之一波片入射到标准参考反射镜，经该标准参考反射镜反射后，并沿原路返回，经所述的第一四分之一波片再次入射到第二偏振分光棱镜，作为参考光束；