用于三维应变测量的场分离器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.119(e)要求于2015年8月27日提交的美国临时申请序列号62/210,513的优先权，其全部内容通过引用并入本文且用于所有目的。

本公开涉及一种用于三维应变测量的场分离器，其在单个图像传感器上在指定载荷下对相同的物体的两个视图进行成像，从而提供数据用于三维应变测量。

背景技术：

在涉及应变测量的材料测试中，大多数用于三维应变测量的技术需要来自物体的不同角度的图像。当前或现有技术的三维应变测量装置通常使用两个相机以在不同的视角下对物体进行成像。两个相机都需要适时进行同步并需要在校准后进行固定的几何对齐。

其他现有技术包括genovese等在opticsandlasersinengineering，第51卷，第3期，2013年3月，第278-285页上发表的“stereo-digitalimagecorrelation(dic)measurementswithasinglecamerausingabiprism”以及pankow等在第十五届国际实验力学会议，论文参考2927中的“3ddigitalimagecorrelationusingasinglehigh-speedcameraforout-of-planedisplacementsathighrates”。

技术实现要素：

因此本公开的一个目的是提供一种装置，其在三维应变测量领域中有改进。

因此本公开的另一个目的是提供一种用于三维应变测量的装置，其使用单相机或类似的数字成像装置。

这些和其他目的是通过本公开来实现的，本公开提供了一种装置和方法，其使用场分离器或光束分离器接收处于材料测试中的测试样本的来自不同角度的两个图像，并将图像组合成单个图像，该单个图像由单个相机或类似的数字成像装置接收以用于在材料/化合物测试的背景下的三维应变测量。得益于避免了同步困难或使其最小化，该方法和装置允许在单个图像传感器上进行成像。另外，不需要两个相机电子装置，从而减轻了重量并增加了成像系统的机械稳定性。

附图说明

本公开的其他的目的和优点根据下面的描述且根据附图将变得显而易见，其中：

图1为用于光学测量二维应变的典型现有技术的设置的示意图。

图2a为关于图1的实验现有技术设置的示意图。

图2b为两个视频目标的x轴未对准的材料样本的示意图，如在图2a的实验现有技术设置情况下可能发生的。

图3为基于样品的视图的应变计算的示意图，示出了对于二维应变未承受载荷(左侧)和承受载荷(右侧)的情况。

图4示出了远离镜头移动样品是如何改变用于二维应变测量的感知到的点位置。

图5示出了使用两个图像传感器用于三维应变测量的现有技术布置。

图6为用于三维应变测量的本公开的装置的示意图。

图7为使用本公开的实施例用场分离器和单个图像传感器来计算三维应变的示意图。

图8为本公开的数字成像装置的前视图，从两个窗口观察产生向场分离器的两个输入。

图9为本公开的场分离器组装件的后视图。

图10为本公开的场分离器组装件的侧视图，进一步示出了用于作为应变检测器操作的典型的视野范围。

图11为本公开的场分离器组装件的端视图，进一步示出了用于作为应变检测器操作的典型的视野范围。

图12为本公开的场分离器的合成图像的示意图，示出材料样本的两个不同视图。

具体实施方式

现在详细地参考附图，其中在所有数幅视图中相同的数字指代相同的元件，可以看到图1至4示出现有技术的二维应变测量，图5示出使用双相机和图像传感器的现有技术的三维应变测量。图5的装置的不利之处可能在于，两个相机都必须要彼此相对地进行刚性安装且必须要适时同步。

具体地，图1示出现有技术的装置，其中视频装置或相机1000(通常使用ccd或类似的技术)捕捉因夹子102、104而处于诱导应力的载荷诸如拉伸载荷下的材料样本200的光学图像。如在图3的左侧中所示，材料样本200包括通过标距长度(gl)分开的第一和第二视频目标202、204。在材料测试期间通过视频装置1000监控、计算和记录视频目标202、204的位置和相对移动以计算应变相对于应力的曲线。如在图3中右侧中所示，在第一和第二视频目标之间的平移运动的差异能够用于计算标距长度的变化。该标距长度的变化除以图3左侧的原始标距长度用于计算应变。如在图2a中所示，图1的配置易受由视频装置或相机1000的移动或不准确放置(诸如但不限于x轴旋转或摆动，y轴旋转或摇动或z轴旋转)所致的误差影响。在视频装置或相机1000之间的工作距离z沿z轴进行定位。如在图2b中所示，视频装置或相机1000或材料样本200的任何这种移动或不准确的放置可能导致诸如沿x轴不准确的对准或未对准，如图所示。

类似地，如在图4中所示，样本200的位移导致校准平面位移δx，从而改变由视频装置或相机1000感知和计算的视频目标202的位置。

图5同样示出了现有技术系统，其中由第一和第二视频装置或相机101、102来收集三维数据，其从两个不同的角度捕捉样本200(包括视频目标202、204)的图像数据，从而创建第一和第二数据图像210、212以便由数字图像处理单元220分析以计算三维数据来执行应变计算。图像解译的原生结果可以是用于计算和输出应变的第三标记位置。根据两个可用的数据图像210、212，即使样品200在测试期间移动，也可以在任意坐标系中计算可用应变。

图6和7示出了本公开的一个实施例，其使用场分离器(或光束分离器)110以将第一和第二图像210、212分配至单个相机或类似的数字装置100(包括图像传感器)上，从而生成单个图像211，该单个图像211包括来自第一和第二图像210、212的数据以针对三维应变进行分析。在美国专利号3,218,908中可以找到现有技术的场分离器。场分离器通常使用观察仪器、两个物镜和棱镜或类似装置来接收通过物镜的两个图像并将两个图像(通常为并排的)组合成在观察仪器的焦平面上的最终单个图像。两个图像可以是相同物体的两个不同的视图。场分离器通常还具有调整两个图像在最终单个图像中的位置的能力。这可以通过调整棱镜或类似装置的位置和/或取向来完成。

图8至12示出了本公开的一个实施例的场分离器组装件300(包括其中的场分离器110)。场分离器组装件300的公开的实施例具有壳体，该壳体包括大致方形端盖302、304，由此与矩形前表面306、后表面308、顶表面310和底表面312一起形成具有正交侧的外壳。然而，其他实施例可以具有不同几何形状的场分离器组装件300。各种表面可以包括可选的安装螺柱314，以便固定场分离器组装件300的位置。类似地，帽头组装件315(其可以包括垫圈或类似的机械装置)可以保持场分离器组装件300的结构完整性并突出穿过各个面。如在图8中所示，前表面306包括第一和第二窗口(或光学路径)316、318，以便从不同角度接收材料样本200的第一和第二图像210、212(见图6)，其中包括视频目标202、204(相比于材料测试样本200通常具有对比颜色，从而允许通过光学方法测量其位置)，从而将这些图像提供至场分离器110(见图6)且随后提供至相机100。后表面308包括中央圆形输出窗口320。中央圆形输出窗口(或第三光学路径)320包括诸如但不限于外螺纹环322的装置，该装置围绕其外围以接合数字照相镜头400(参见图10和11)的前端或近端，从而提供传统的镜头安装座402以附接至数字相机或包括图像传感器(诸如图6和7的装置100)的类似的数字装置以向数字图像处理单元220生成单个合成图像211来计算视频目标202、204的三维时间依赖性和应力依赖性位移，以便计算在目标202、204之间的标距长度的变化，其中标距长度的变化除以原始标距长度(参见图3)被用于计算在材料测试时间的过程期间材料样品200的时间依赖性和应力依赖性应变。数字照相镜头400和传统的镜头安装座402的一个典型但非限制性的实例为具有c安装座的富士能hf9ha-1b镜头。具有不同焦距、光圈数和安装座的不同镜头可以适合于或适用于不同的实施例。

在图10和11中所示的尺寸、角度和关系意在示例说明。不同的实施例可以实施不同的尺寸、角度和关系。如在图10中所示，材料样本200可以被置于距离镜头安装座402约490mm处(至最佳的观察区域500的中心440mm加上50mm，即最佳观察区域500的深度的一半)。最佳观察区域500的长度为约200mm(平行于场分离器组装件300)且深度为100mm(垂直于场分离器组装件)。第一和第二窗口316、318的视野的中心线502、504可以分开20度，每个与中心线506分开10度，以便聚集在最佳观察区域500的中心处。同样地，如在图11中所示，第一和第二窗口316、318的视场可以在中心线506的任一侧上延伸约8度(总范围为16度)，产生约100mm的宽度。在使用中，场分离器组装件300可以类似地被安装至图1的数字装置或相机1000，从而典型地使场分离器组装件300和相关联的装置能够与现有的安装装置和夹子102、104结合使用。

图12包括对合成图像211的进一步描述。在图12中，第一和第二图像210、212被定向在相同的方向上，而其在图7中则被定向于相反的方向上。可以实施任一种配置。在图12中，第一和第二图像210、212的视场被并排地投射至图像传感器100上，该图像传感器100可以被实施为cmos图像传感器，其具有2048×1080像素，每个像素尺寸均为5微米×5微米。图像通常沿2048像素轴(图12的垂直轴)进行分割，该像素轴平行于视场的200mm长度轴(参见图10)。传感器100包括第一和第二462×924像素区域230、232(具有以200像素分隔两个像素区域的缓冲区域234)。所得到的配置具有每像素约216微米的像素分辨率以及约1/43的光学放大率。

两个视场在物体平面上的公共x-y区域重叠且如上所述，来自相对于材料样本200的不同的成角透视。该不同的成角透视可以分开20度，如在图10中所示。在物体空间中的公共视场可以是200mm(垂直(y)轴)和100mm(水平(x)轴)。像素空间上投射的200×100mm的物体视场可以排除过渡区域且没有交叉串扰效应。物体(例如，材料样本200的图像)可以在z轴移动正或负50mm，从而需要100mm的视场深度。整体光学系统(未示出)通常可以在单波长，诸如630纳米(led)处进行成像。在光学系统的典型配置中，最小的聚光能力将等于光圈数5.6。而且，光学系统通常必须是偏振保持的，其中从光学系统的端部到物体平面的最小净工作距离为约300mm。与图像传感器100(参见图7)相关联的棱镜/镜组装件应被设计成使灵敏性和振动最小化。进一步设想，最佳地，所得到的光学系统的重量小于2.0千克。

相对于图5的实施例，图6至12中的实施例的典型的好处包括：

1.图6至12的实施例通常能够被实施为对广泛范围的现有相机的扩展。

2.图6至12的实施例通常不需要两个单独的相机彼此进行同步。

3.图6至12的实施例通常包括小于图5的实施例的质量，从而提高了抗振动的稳定性。

4.图6至12的实施例通常比具有两个相机和成像镜头的实施例更便宜。

5.图6至12的实施例通常更易于进行三维校准，这是因为仅需要校准一个成像镜头和一个相机。

要进一步注意的是，在图7中所示的不对称的臂长通常允许与现有硬件和软件的完全后向兼容性(backwardcompatibility)，这是因为一个图像的透视未发生改变。

因此，最有效地实现了几个上述目的和优点。虽然本文已经详细公开和描述了本发明的优选实施例，但应理解本发明决不仅限于此。