CN114061803A - 一种圆偏光光弹性应力测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆偏光光弹性应力测量***及测量方法，属于光弹性测量的技术领域。所述圆偏光光弹性应力测量***包括双波长光源，起偏器，消色差四分之一波片，检偏器，成像透镜，光电探测器。本发明公开的圆偏光光弹性应力测量仪结构简单，使用方便，测量速度快；仪器所采用的各个结构工艺成熟，加工成本低，可实现大尺寸加工，对样品尺寸没有限制，测量范围更广；本发明公开的圆偏光光弹性应力测量方法，采用双波长光源照明，通过记录不同光源下应力条纹的分布及其微小差异,避免了难以区分等色线和等差线,以及反三角函数计算过程中难以确定条纹级次的问题,最终可以得到精确的应力大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆偏光光弹性应力测量***及测量方法，属于光弹性测量的技术领域。
背景技术
光弹性测量是研究光学材料及光学器件内部双折射特性或应力分布的重要技术，具有快速、直观和精度高的优点。光弹性测量的原理是，光学材料或者光学元件的折射率分布会随着内部主应力差或者结构改变而发生变化，通过测量其折射率的分布，即可推算出材料内的主应力差大小及主应力方向或者元件内部的结构。现有的光弹测量装置主要分为圆偏振应力测量仪和平行平面偏振应力测量仪两种。
如图3所示，圆偏振应力测量仪包括激光光源10、起偏器2、聚焦透镜11和准直透镜9组成的扩束***，待测样品4，成像透镜6，可用机械旋转装置调节的四分之一波片12，检偏器5和光电探测器7。通过控制四分之一波片12与待测样品4之间的相对角度，使得通过起偏器2的线偏振光经过四分之一波片12后仍为线偏振光，起偏器2自身的偏振轴方向改变的角度与待测样品4的双折射相位差成正比，可以通过旋转检偏器5对该角度进行检测。具体操作过程如下，首先将起偏器2的透光轴和四分之一波片12的快轴调整到设定的x轴方向，放置待测样品4，使待测样品4的两个主应力方向分别与x轴、y轴成45°，控制待测样品4与检偏器5转动，寻找消光位置。将四分之一波片12的快轴与待测样品4分别调整至x轴方向(与起偏器2透光轴一致)后，控制检偏器5转动一周，再次寻找消光位置，并记录两次消光位置间转过的角度φ，根据读出的φ值可以得出待测样品4的双折射相位差σ＝2φ。这种测量方法在光路中加入可以旋转的四分之一波片12等光学元件，测量过程中包含多次元件的机械运动，客观上造成光路结构和测量过程都较为复杂，而且测量仪在口径较大时非常笨重，使用范围受到较大限制。
如图4所示，平行平面偏振应力测量仪包括单色点光源13、起偏器2、准直透镜9、待测样品4、成像透镜6、检偏器5和光电探测器7。应力条纹分布情况通常由主应力方向θ及主应力差σ决定。而通过平行平面偏振应力测量仪在等色线条纹上无法准确测得θ值，通过五步彩色相移法将单色光源改为白光照明，由于不同波长的光线折射率不同，因此不同波长的光线在通过待测样品4同一位置处时的主应力差σ也不相同，白光光谱中不同波长的等色线黑条纹中心在不同的点上，从而保证了白光照明下等色线上始终有可用的等倾线信息，解决了应力方向θ的测量问题。然而这种方法无法计算应力大小，如果需要计算应力大小则需对实验装置进行改动，造成了测量不便，并且由于实验***较为复杂且对精度要求较高，测量往往只能在实验室中进行，限制了光弹性测量的应用范围。
发明内容
为了解决目前光弹性测量装置结构复杂，待测量元件尺寸受限，***成本高昂，应用范围受限的问题且无法计算应力大小等问题，本发明提供了一种圆偏光光弹性应力测量***及测量方法。
本发明的第一个目的在于提供一种圆偏光光弹性应力测量方法，所述方法基于双波长圆偏光光弹性应力测量仪实现；
所述双波长圆偏光光弹性应力测量仪包括：双波长光源，起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)；所述起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)依次位于所述双波长光源的出射光线的传播路径上；
所述方法采用双波长光源照明解得带有相位包裹的主应力差分布，采用解包裹算法对解反三角函数得到的主应力差σ(x，y)进行解包裹处理后，拼接出连续的主应力差分布。
可选的，所述方法包括：
步骤一：打开双波长光源，调节开关，将光源置于波长λ1发光模式，调节起偏器(2)偏振轴角度与消色差四分之一波片(3)快轴夹角为45°，检偏器(6)偏振轴角度任意，使得通过消色差四分之一波片(3)后的光为圆偏振光，采集图像记为I01(x,y)，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I02(x,y)；
步骤二：在起偏器(2)与检偏器(5)之间放入待测样品(4)，将光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11(x,y)，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I12(x,y)；
步骤三：根据步骤一和步骤二采集到的图像计算待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)。
可选的，所述步骤三计算计算待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)的过程包括：
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
本发明的第二个目的在于提供一种圆偏光光弹性测量***，其特征在于，所述测量仪包括：图像获取模块、主应力差计算模块；所述图像获取模块和所述主应力差计算模块连接；
所述图像获取模块包括：双波长光源，起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)；所述起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)依次位于所述双波长光源的出射光线的传播路径上；
所述主应力差计算模块用于根据所述图像采集模块获取的图片信息计算主应力差大小，计算过程包括：
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
可选的，所述双波长光源为双波长面光源(1)。
可选的，所述双波长光源包括：双波长点光源(8)和准直透镜(9)，所述双波长点光源(8)的出射光线通过准直透镜(9)后射出。
可选的，所述双波长光源由开关控制，用于控制发出波长和频率不同的光。
可选的，所述消色差四分之一波片(3)将线偏振光调节为圆偏振光。
可选的，所述检偏器(5)通过绕自身的偏转轴旋转调整角度。
可选的，所述测量***中，待测样品放置于所述消色差四分之一波片(3)和所述检偏器(5)之间。
本发明有益效果是：
(1)本发明采用了双波长光源及圆偏振光学***，摒弃了现有技术中光弹调制器及笨重的机械转动器件，达到了结构简单，方便，成本低的优势；
(2)本发明通过双波长光源，通过记录不同光源下应力条纹的分布及其微小差异,避免了难以区分等色线和等差线，以及反三角函数计算过程中难以确定条纹级次的问题,从而可以得到精确的应力大小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例三的结构示意图；
图3为现有光弹性测量技术中的圆偏振应力测量仪的结构示意图；
图4为现有光弹性测量技术中的平行平面偏振应力测量仪的结构示意图；
图中，1、双波长面光源；2、起偏器；3、消色差四分之一波片；4、待测样品；5、检偏器；6、成像透镜；7、光电探测器；8、双波长面光源；9、准直透镜；10、激光光源；11、聚焦透镜；12、四分之一波片；13、单波长点光源
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种圆偏光光弹性测量***，***包括：图像获取模块、主应力差计算模块；图像获取模块和主应力差计算模块连接；
本实施例的图像获取模块参见图1，包括：双波长面光源1，在双波长面光源1出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、消色差四分之一波片3、检偏器5、成像透镜6和光电探测器7。所述双波长面光源1可由开关控制，先后发出波长为λ1和波长为λ2两种频率相近的光。
所述主应力差计算模块用于根据所述图像采集模块获取的图片信息计算主应力差大小，计算过程包括：
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
本实施例中的波长λ1选用510nm，波长λ2选用520nm。所述起偏器2和检偏器5可绕自身的偏转轴旋转，在起偏器2和检偏器5之间放入待测样品4。所述光电探测器7将从成像透镜6透过的光信息转化为电信号并采集双波长面光源1照射待测样品4产生的条纹图。
实施例二
本实施例公开了一种圆偏光光弹性应力测量方法，所述圆偏光光弹性应力测量方法应用实施例一记载的圆偏光光弹性应力测量仪进行测量。所述方法通过采集两种不同频率的光源照射待测样品4产生的条纹图，对含有双折射信息的条纹图像进行计算处理，即可得到出待测样品4中的主应力方向及主应力差大小，从而完成定量光弹性测量，具体包括如下步骤：
步骤一：打开光源，将光源置于波长λ1发光模式，调节起偏器2偏振轴角度为0°，消色差四分之一波片3快轴角度为45°，检偏器5偏振轴角度任意，即使得通过四分之一波片3后的光为圆偏振光。采集图像记为I01，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I02；
步骤二：在消色差四分之一波片3与检偏器5之间放入待测样品4，将光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11，调整光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I12；
步骤三：根据步骤一到二采集到的图像计算待测样品4的主应力差大小σ(x，y)；
待测样品的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
通过采用本实施例提出的双波长照明能够解得带有相位包裹的主应力差分布，采用常规的解包裹算法对解反三角函数得到的主应力差σ(x，y)进行解包裹处理后可拼接出连续的主应力差分布。
实施例三
本实施例公开了一种圆偏光光弹性测量***，包括：图像获取模块、主应力差计算模块；所述图像获取模块和所述主应力差计算模块连接；
本实施例的图像获取模块如图2所示，包括双波长点光源8，在双波长点光源8出射光线的传播路径上依次设有准直透镜9、起偏器2、消色差四分之一波片3、待测样品4、成像透镜6、检偏器5和光电探测器7。所述双波长点光源8可由开关控制，先后发出波长为λ1和波长为λ2两种频率相近的光。
本实施例的圆偏光光弹性应力测量***同样可以应用实施例二公开的圆偏光光弹性应力测量方法进行测量。
实施例四
为了验证实施例二公开的圆偏光光弹性应力测量方法的测量精度，本实施例根据实施例二提供的测量方法进行推导，具体是根据
的符号来判断
是在
的上升区间还是在下降区间。
假定
和
同处于升区间或者降区间，因此在它们的拐点处，即
和
在nπ附近将有可能一个处于升区间而一个属于降区间，由于材料的应力光学系数c和样品厚度t为定值，因此随着σ(x,y)的增加，从
时开始产生误差，到
时误差消失，
时误差最大，误差数值为
和实际值
相比较，相对误差为
本实施例中的波长λ1和波长λ2分别为625nm和650nm,相对测量误差为3.85％。
一般的光弹性测量方法中，所需量程为10个条纹级次，因此，本实施例的误差分析取量程
在该条件下，本实施例的误差
为0.385个波长左右，在光弹性测量技术对误差要求范围之内，因此，本实施例能够达到简化光弹性测量装置结构的同时，满足圆偏光光弹性应力测量精度的目的。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圆偏光光弹性应力测量方法，其特征在于，所述方法基于双波长圆偏光光弹性应力测量仪实现；
所述双波长圆偏光光弹性应力测量仪包括：双波长光源，起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)；所述起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)依次位于所述双波长光源的出射光线的传播路径上；
所述方法采用双波长光源照明解得带有相位包裹的主应力差分布，采用解包裹算法对解反三角函数得到的主应力差σ(x，y)进行解包裹处理后，拼接出连续的主应力差分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主应力差σ(x，y)的计算过程包括：
步骤一：打开所述双波长光源，调节开关，将所述双波长光源置于波长λ1发光模式，调节所述起偏器(2)偏振轴角度与所述消色差四分之一波片(3)快轴夹角为45°，所述检偏器(6)偏振轴角度任意，使得通过所述消色差四分之一波片(3)后的光为圆偏振光，采集图像记为I01(x,y)，调整所述双波长光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I02(x,y)；
步骤二：在所述起偏器(2)与所述检偏器(5)之间放入待测样品(4)，将所述双波长光源置于波长λ1发光模式，采集图像记为I11(x,y)，调整所述双波长光源至波长λ2发光模式，采集图像记为I12(x,y)；
步骤三：根据步骤一和步骤二采集到的图像计算所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三中计算所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)的过程包括：
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
4.一种圆偏光光弹性测量***，其特征在于，所述***包括：图像获取模块、主应力差计算模块；所述图像获取模块和所述主应力差计算模块连接；
所述图像获取模块包括：双波长光源，起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)；所述起偏器(2)，消色差四分之一波片(3)，检偏器(5)，成像透镜(6)，光电探测器(7)依次位于所述双波长光源的出射光线的传播路径上；
所述主应力差计算模块用于根据所述图像采集模块获取的图片信息计算主应力差大小，计算过程包括：
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)满足如下关系式：
其中，I1(x，y)代表在波长λ1的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，I2(x，y)代表在波长λ2的光源照明下消去背景光影响后的归一化条纹强度分布，c为所述待测样品的应力光学系数，t为所述待测样品的厚度；
该公式进一步写成：
若λ1<λ2，则在
时，
则
是[0,π/2]范围内的减函数，即
若λ1>λ2，则
是[π/2,π]范围内的增函数，即
通过判断函数的增减性将函数的转折部分区分开，保留条纹递增的部分，将条纹递减的部分取负号进行反转，得到一幅具有跳跃间断点的条纹图I，且图中的条纹强度变化趋势与主应力差大小变化趋势相同，即：
当I1(x，y)-I2(x,y)>0时，令I＝I1(x，y)；当I1(x，y)-I2(x,y)≤0时，令I＝-I1(x，y)；
所述待测样品(4)的主应力差大小σ(x，y)为：
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述双波长光源为双波长面光源(1)。
6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述双波长光源包括：双波长点光源(8)和准直透镜(9)，所述双波长点光源(8)的出射光线通过所述准直透镜(9)后射出。
7.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述双波长光源由开关控制，用于控制发出波长和频率不同的光。
8.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述消色差四分之一波片(3)将线偏振光调节为圆偏振光。
9.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述检偏器(5)通过绕自身的偏转轴旋转调整角度。
10.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述***中，待测样品放置于所述消色差四分之一波片(3)和所述检偏器(5)之间。
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