專利名稱：新型電子散斑干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該實用新型屬于干涉測量儀器類，適用于位移場、變形場和振動場的測量，以及材料、構(gòu)件的無損檢測。
電子散斑干涉儀(Electronic Speckle Pattern Interferome-try，簡稱ESPI)是國際上近年出現(xiàn)的新型干涉測量儀器，該儀器利用微機數(shù)字圖象系統(tǒng)來自動、實時處理由激光干涉儀獲得的干涉圖。干涉圖由電荷藕合器件(CCD)記錄。目前各公司生產(chǎn)的電子散斑干涉儀，照射被測物體的照明光束(物光)的孔徑角調(diào)節(jié)方式有以下兩種(一)不可變孔徑角；(二)換用不同規(guī)格的發(fā)射物鏡實現(xiàn)分級改變孔徑角。為了補償物距的變化引起的物光光程的變化，這些產(chǎn)品采用量類方法來改變參考光的光程(一)在參考光路中換用不同長短的單模保偏振光纖進行補償；(二)在參考光路中采用多對棱鏡，一次折返的物光光程補償系統(tǒng)，改變棱鏡的間距進行補償(參見圖1，其中標(biāo)號1為一次折返的補償棱鏡)。前一方法只能分段進行補償，且單模保偏振光纖價格較高，換光纖后一般還要進行重新調(diào)節(jié)，帶來不便，后一方法雖能連續(xù)補償，但補償?shù)姆秶邢蓿慵?shù)較多，加工成本費高。隨著棱鏡對數(shù)的增加，調(diào)節(jié)越來越困難，占用的空間也越來越大。
該實用新型電子散斑干涉儀是為了克服上述產(chǎn)品在照明光束孔徑角的調(diào)節(jié)及物光光程的補償兩方面的缺點而設(shè)計的，具有連續(xù)、大幅度地調(diào)節(jié)照明光束孔徑角及連續(xù)、大范圍補償物光光程的特點，可稱作照明光孔徑角連續(xù)可調(diào)、物光光程連續(xù)補償?shù)男滦碗娮由吒缮鎯x。
該實用新型的設(shè)計方案及技術(shù)特征如下本儀器光學(xué)系統(tǒng)見圖2。由He－Ne激光器或帶準(zhǔn)直的半導(dǎo)體激光器輻射的細激光束通過入射窗20射入儀器后，首先經(jīng)分光鏡22分成物光和參考光。其中物光經(jīng)過負透鏡2和正透鏡3構(gòu)成的倒置望遠鏡進行預(yù)擴束，然后經(jīng)過負透鏡4和正透鏡5構(gòu)成的連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件，形成發(fā)散光束，經(jīng)固定反光鏡6和方位可調(diào)反光鏡7、出射窗8照明被測物體，在物體表面處形成散斑場，再經(jīng)過連續(xù)變焦物鏡10、光束合成棱鏡9成像在電荷藕合器件(CCD)15的探測面21上，形成像面散斑。從22反射的參考光通過拋光的表面Σ1進入物光光程補償棱鏡19，在19和另一個物光光程補償棱鏡18之間多次折返后射出該補償棱鏡組，并經(jīng)反光鏡17反射、經(jīng)連續(xù)變比中性減光盤16衰減后，通過顯微物鏡14、空間濾波器13和擴束鏡12構(gòu)成的參考光擴束部件形成平行或發(fā)散的參考光束，由反光鏡11反射進入光束合成棱鏡9與物光匯合，照射電荷藕合器件(CCD)，在21處形成散斑干涉圖，被CCD記錄并轉(zhuǎn)換成電信號，送入微機數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進行處理。
本儀器的照明光孔徑角連續(xù)調(diào)節(jié)功能由預(yù)擴束部件和連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件構(gòu)成。預(yù)擴束部件為焦距為f2的雙膠合負透鏡2及焦距為f3的雙膠合正透鏡3構(gòu)成的倒置望遠鏡，輸出準(zhǔn)直光束，擴束比(輸出激光束光斑尺寸與輸入激光束光斑尺寸之比)η＝｜ (f3)/(f2) ｜ (1)連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件由焦距為f4的雙膠合負透鏡4及焦距為f5的雙膠合正透鏡5構(gòu)成。設(shè)經(jīng)預(yù)擴束后的激光光斑尺寸為2ω(參見圖3)，則經(jīng)連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件后，出射照明光束孔徑角(弧度，下同)2u′=2ω｜ (f4+f5-l)/(f4f5) ｜其中
為零件4的后主平面H′4與零件5的前主平面H5的間距，f4＜0，f5＞0。顯然改變
的大小就可以改變孔徑角2u′的大小。當(dāng)
＝
max＝f4＋f5(3)
時，2u′＝0，出射的為準(zhǔn)直光束；當(dāng)
＝0 (4)時，2u′達到極大值2u′＝(2u′)max＝2ω｜ (f4+f5)/(f4f5) ｜ (5)亦即照明光束的孔徑角2u′在0和2u′max的范圍內(nèi)通過連續(xù)調(diào)節(jié)。
圖4為該功能組件的結(jié)構(gòu)示意圖。預(yù)擴束部件的兩個透鏡2、3裝在同一鏡筒中，構(gòu)成倒置望遠鏡。連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件的透鏡4與5的間隔
通過手輪23以大導(dǎo)程螺紋方式調(diào)節(jié)。導(dǎo)向釘24保證透鏡2、3及4沿軸向移動，從而平穩(wěn)而連續(xù)地調(diào)節(jié)出射光束的孔徑角。
本儀器的物光光程連續(xù)補償器由一對DⅡ－180類45°直角反射棱鏡18、19構(gòu)成，參見圖5。在19的上端有一個拋光的輸入端面Σ1，在端面Σ1、Σ2和Σ3上鍍有對激光波長高度增透的介質(zhì)膜層。
光斑尺寸為2ω的激光束垂直居中射入Σ1，透過19后，由Σ3導(dǎo)入18，由于18和19相對平行放置，而它們的對稱軸線沿光線入射的正交方向錯開一個間距δ，從而激光在Σ4、Σ5、Σ6、Σ7面上發(fā)生全反射，多次折返于18、19之間，最后從19的端面Σ2射出。
兩個棱鏡的間距t以及相互錯開的距離δ均可連續(xù)調(diào)節(jié)，從而激光在這一對棱鏡中的光程連續(xù)可調(diào)。
設(shè)在棱鏡間共k個光束，則k＝2［ (d)/(4δ) ］ (6)式中d為棱鏡寬度，［ ］示取整運算。顯然2δ的極小值2δmin＝ (ε＋2ω)/2 (7)其中ε是Σ1面的寬度，2ω為棱鏡中激光束的光斑尺寸的平均值。從而k的極大值
kmax＝2［ (d)/(ε＋2ω) ］ (8)激光束從Σ1面射入本部件到最后從Σ2面射出部件的總光程L＝kt＋knd＋ 1/2 n(d－ε) (9)其中n為棱鏡的折射率。當(dāng)k＝2，t＝tmin時，L取極小值L＝Lmax＝2tmax＋2nd＋ 1/2 n(d－ε) (10)當(dāng)k＝kmax，t＝tmax時L取極大值L＝Lmax＝kmaxtmax＋kmaxnd＋ 1/2 n(d－ε) (11)因而光程補償范圍ΔL＝Lmax－Lmin(12)該部件的結(jié)構(gòu)由圖6所示，通過手輪33旋轉(zhuǎn)絲杠34，在x方向拖動棱鏡19，并帶動位于31端面的指標(biāo)線，在透明長尺30上顯示出棱鏡間的相對間距t的值。通過手輪32及傘齒輪對35，轉(zhuǎn)動絲杠25，沿y方向帶動棱鏡18，并通過弦線28及轉(zhuǎn)向輪29帶動指標(biāo)線27，在透明短尺26上顯示棱鏡沿y方向的錯位量δ的值。
根據(jù)上述方案制成的電子散斑干涉儀，不僅具備現(xiàn)有電子散斑干涉儀的全部功能，而且不必更換物鏡，就可以在一個足夠大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)照明光束的孔徑角，以適應(yīng)于不同尺寸的被測物體；不必采用附加光纖，就可以在大范圍內(nèi)連續(xù)補償物光光程，以適應(yīng)位于儀器前不同物距的物體的測量。采用這一設(shè)計方案，在充分利用激光功率的前提下可使不同尺寸的被測物體表面獲得比較均勻的照明，且能在一個大范圍內(nèi)使參考光程完全補償物光光程，以獲得高反差的干涉圖。該儀器調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，而且成本較低。
本實用新型的實施例見圖2－6。預(yù)擴束及連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件的實際參數(shù)為f2＝－10mm，f3＝50mm，f4＝－10mm，f5＝50mm。若輸入光束的光斑尺寸為1mm，則預(yù)擴束部件輸出的激光束光斑尺寸為2ω＝5mm。代入(5)式，最大照明光束孔徑角(2u′)max＝0.4弧度，相當(dāng)于23°。對于一個物距為1000mm的物體，照明光斑直徑約405mm。補償棱鏡寬度d＝100mm，ε＝8mm，兩個棱鏡的間隔的極限尺寸tmin＝3mm，tmax＝100mm。代入(8)式，kmax＝16；代入(10)～(12)式，得到Lmin＝377mm，Lmax＝4085mm，(ΔL)max＝3708mm。最大照明光束孔鏡角(2u′)max和最大光程補償范圍(ΔL)max已能滿足絕大部分使用要求。


圖1多對棱鏡物光光程補償系統(tǒng)1一次折返補償棱鏡圖2光學(xué)系統(tǒng)總圖2預(yù)擴束部件負透鏡3預(yù)擴束部件正透鏡4連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件負透鏡5連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件正透鏡6固定反光鏡7方位可調(diào)反光鏡8輸出窗9光束合成棱鏡10連續(xù)變焦物鏡11反光鏡12擴束鏡13空間濾波器14顯微物鏡15電荷藕合器件(CCD)
16連續(xù)變比中性減光盤17反光鏡18物光光程補償棱鏡19物光光程補償棱鏡20輸入窗21電荷藕合器件探測面22分光鏡Σ0被測物體表面Σ1補償棱鏡輸入端面圖3預(yù)擴束及連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件光學(xué)系統(tǒng)圖H′4透鏡4后主平面H5透鏡5前主平面圖4預(yù)擴束及連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件結(jié)構(gòu)圖23手輪24導(dǎo)向釘圖5物光光程連續(xù)補償部件光學(xué)系統(tǒng)圖Σ2、Σ3透射端面Σ4、Σ5、Σ6、Σ7全反射表面圖6物光光程連續(xù)補償部件結(jié)構(gòu)圖25絲杠26透明短尺27指標(biāo)線28弦線29轉(zhuǎn)向輪30透明長尺31指標(biāo)線32手輪33手輪
權(quán)利要求1.具有激光器、照明光(物光)系統(tǒng)、參考光系統(tǒng)、電荷藕合器件(CCD)及圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型電子散斑干涉儀，其特征是激光器是一種能輻射出細激光束的半導(dǎo)體激光器，在此激光器的前方設(shè)有能產(chǎn)生物光和參考光的入射窗(20)和分光鏡(22)，在分光后的物光光路上設(shè)有一個預(yù)擴束部件和能夠連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)散光束的擴束部件，在分光后的參考光光路上設(shè)有一個拋光的表面∑1和棱鏡(18)及(19)連續(xù)補償部件。
2.按照權(quán)利要求1所述的新型電子散斑干涉儀，其特征在于a.預(yù)擴束部件是一個倒置的望遠鏡系統(tǒng)；b.連續(xù)調(diào)節(jié)擴束部件是由兩個焦距不同的雙膠合的正、負透鏡組成，調(diào)節(jié)它們的間距就可以獲得不同的照明光束孔徑角；c.設(shè)置一套大導(dǎo)程的螺紋系統(tǒng)，以螺紋方式調(diào)節(jié)，使透鏡2、3、4沿軸向平穩(wěn)移動，以達調(diào)節(jié)出射光束的孔徑角。
3.按照權(quán)利要求1所述的新型電子散斑干涉儀，其特征在于物光光程的連續(xù)補償部件是由在垂直于光軸方向互相錯開的一對DⅡ－180類45°直角反射的物光光程補償棱鏡18、19構(gòu)成，參考光通過拋光的表面Σ1進入補償棱鏡18與19之間經(jīng)多次折返后射出該補償棱鏡組，這對補償棱鏡的間距及錯開的距離是通過兩套機械結(jié)構(gòu)加以調(diào)節(jié)，并有指示a.間隔的調(diào)節(jié)，由一個螺距為1mm的精密絲杠、絲杠母及鋼絲滾珠導(dǎo)軌實現(xiàn)，并帶有指示線指示間隔的數(shù)值；b.錯位的調(diào)節(jié)由一個螺距為0.5mm的精密絲杠及燕尾導(dǎo)軌實現(xiàn)，并帶有指示線指示錯位的數(shù)值。
專利摘要該新型電子散斑干涉儀，具有連續(xù)、大幅度地調(diào)節(jié)照明光束孔徑角及連續(xù)、大范圍地補償物光光程的功能，能適應(yīng)于位于不同距離、具有不同尺寸的被測物體，光功率的利用率高，照明均勻，物光光程獲得完全的補償，干涉圖反差高，調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定。適用于物體位移場、變形場和振動場的測量以及材料、構(gòu)件的無損檢測。
文檔編號G01B9/02GK2151436SQ92239009
公開日1993年12月29日 申請日期1992年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月2日
發(fā)明者宋菲君, 俞蕾, 于國明, 冀平 申請人:中國大恒公司