專利名稱：基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及干涉測量裝置，尤其涉及一種基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量
直O(jiān)
背景技術(shù)：
激光干涉儀作為一種有效的非接觸性精密測量裝置，已經(jīng)在許多物理參量的測量上得到了越來越普遍的使用。由于其具有測量精度高、靈敏度高、動態(tài)范圍大以及非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，干涉儀在振動測量領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。振動測量中采用的激光干涉儀通?？梢苑譃閮深?1)零差干涉儀-兩束干涉光頻率相同；(2)外差干涉儀-兩束干涉光的頻率略有不同。這兩種方法都是以分振幅干涉為基礎(chǔ)，采用兩列平面波進(jìn)行干涉。其中一列作為參考光波，另外一列作為測量光波，兩列波返回后進(jìn)入接受系統(tǒng)產(chǎn)生干涉條紋。干涉信號的強(qiáng)弱是由兩束光的光程差決定的，而這反映了被測物體的振動狀況。然而采用上述傳統(tǒng)方法進(jìn)行振動測量，通常是利用平面反射鏡作為合作目標(biāo)的， 因此對測量物體平面方向上的振動不敏感，也就是說振動測量系統(tǒng)是單維的，僅能對物體一個方向的振動進(jìn)行測量分析，無法實(shí)現(xiàn)物體的三維振動測量，提供全面準(zhǔn)確的信息。例如 “Noncontacthomodyne scanning laser vibrometer for dynamic measurement，，一文中提到的測量方法，就只能對光軸方向的振動進(jìn)行測量。另一方面，在振動測量過程中，難以避免使干涉測量裝置中的各個元件相對位置發(fā)生變化的外力(如振動、溫度等)的影響。這樣測量光路本身的變化，如參考反射鏡的振動、激光器的頻率漂移等，會使干涉條紋發(fā)生變化，也就意味著無法實(shí)現(xiàn)對被測物體振動的精確測量。因此將真實(shí)訊號與此等因測量光路本身變化造成的干擾信號分離，是非常重要的工作。為解決上述問題，本申請人已經(jīng)發(fā)明了一種集成式光學(xué)干涉三維振動監(jiān)測儀。在此監(jiān)測儀中，通過特殊的分光棱鏡設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了振動源的分離，大大提高了測量精度，雖然可以測量物體的轉(zhuǎn)動信號，但遺憾的是對物體平面方向上的振動不敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，該裝置應(yīng)能夠測量物體三維振動，并且實(shí)現(xiàn)振動源分離，大大提高測量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光器， 沿該激光器輸出光束的前進(jìn)方向依次是同光軸的顯微物鏡、針孔、透鏡、分光棱鏡、光闌和球面反射鏡，所述的針孔固定在所述的顯微物鏡的焦點(diǎn)位置處，所述的透鏡到針孔的距離恰好為透鏡的焦距時，透鏡所處的位置稱為平衡位置，所述的透鏡具有在其平衡位置附近沿光軸方向前后移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的球面反射鏡作為合作目標(biāo)固定在待測物體的表面上，所述的分光棱鏡的分光面與所述的光軸成45°，該分光面將從入射面進(jìn)入的激光分為透射光和反射光，與入射面相對的一面外圍鍍有全反膜，中間留有通光孔，所述的透射光中穿過所述的通光孔和光闌并到達(dá)球面反射鏡的光作為測量光，所述的反射光射向的一面稱為反射面，鍍有全反膜，所述的反射光經(jīng)反射面反射后作為參考光，與反射面相對的一面為相干光輸出面，在該相干光輸出面外設(shè)有成像裝置。所述的球面反射鏡為平凹球面反射鏡，平面用于與待測物體相結(jié)合；凹面為球面， 鍍有全反膜，用于反射測量光，其中A點(diǎn)為球面反射鏡的頂點(diǎn)。所述的成像裝置可以是僅用于成像觀察的毛玻璃片，也可以是用于進(jìn)行定量分析的CXD探測器。激光器發(fā)出的光由顯微物鏡和針孔濾波后，通過透鏡入射到分光棱鏡上。經(jīng)過透鏡的出射光可能是發(fā)散球面波、平面波、會聚球面波三種形式，其實(shí)際形式由透鏡與針孔兩者之間的距離決定。入射到分光棱鏡的光被分光面分成兩束反射光和透射光。其中反射光被鍍有全反膜的反射面反射后，直接到達(dá)成像裝置，作為參考光束。而透射光則又分成了兩部分其中位于外圍的透射光受四周所鍍?nèi)茨さ挠绊?，直接返回到成像裝置，與參考光束干涉形成外部干涉條紋。而位于中間的透射光則通過通光孔以及光闌后，被球面反射鏡反射，作為測量光束到達(dá)成像裝置，與參考光束干涉形成內(nèi)部干涉條紋。光波經(jīng)球面鏡反射后，其形式會發(fā)生改變，反射后的光波形式由球面反射鏡的曲率半徑和反射前光波的具體形式共同決定。本發(fā)明與以前技術(shù)相比所具有的優(yōu)勢在于采用球面反射鏡作為合作目標(biāo)，克服了平面反射鏡無法反映測量物體平面方向上的振動的缺點(diǎn)；可以通過調(diào)節(jié)透鏡的位置改變?nèi)肷涔獠ǖ木唧w形式，選擇相應(yīng)的振動測量范圍及分辨率；通過本發(fā)明分光棱鏡的獨(dú)特設(shè)計，干涉條紋分為兩部分外部干涉條紋單純反映測量光路本身的變化，內(nèi)部干涉條紋同時反映兩方面的信息測量光路本身的變化和被測物體的振動，因此只有在外部干涉條紋穩(wěn)定即測量光路穩(wěn)定的情況下，內(nèi)部干涉條紋的變化才能準(zhǔn)確反映被測物體的振動，或者說通過此分光棱鏡設(shè)計形成了一個差分系統(tǒng)，大大提高了測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠。


圖1是本發(fā)明基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的球面合作目標(biāo)的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的三維振動干涉測量光路示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明參閱圖1，圖1是本發(fā)明基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，其構(gòu)成包括激光器1，沿該激光器1輸出光束的前進(jìn)方向依次是同光軸的顯微物鏡2、針孔3、透鏡4、分光棱鏡5、光闌6和球面反射鏡7，所述的球面反射鏡7作為合作目標(biāo)固定在待測物體8的表面上，所述的針孔3固定在所述的顯微物鏡2的焦點(diǎn)位置處，所述的透鏡4到針孔3的距離恰好為透鏡4的焦距時，透鏡4所處的位置稱為平衡位置，所述的透鏡4具有在其平衡位置附近沿光軸方向前后移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的分光棱鏡5的分光面與所述的光軸成45°，該分光面將從入射面進(jìn)入的激光分為透射光和反射光，與入射面相對的一面外圍鍍有全反膜52，中間留有通光孔53，所述的透射光中穿過所述的通光孔53和光闌6并到達(dá)球面反射鏡7的光作為測量光，所述的反射光射向一面51稱為反射面，鍍有全反膜，所述的反射光經(jīng)反射面 51反射后作為參考光，與反射面51相對的一面為相干光輸出面，在該相干光輸出面外設(shè)有成像裝置9。所述的球面反射鏡7作為合作目標(biāo)固定在待測物體8的表面上。球面合作目標(biāo)即球面反射鏡7的具體結(jié)構(gòu)參閱圖2所示。所采用的球面合作目標(biāo)為平凹球面反射鏡，面71 為平面，用于與待測物體8相結(jié)合；凹面72為球面，鍍有全反膜，用于反射測量光。其中A 點(diǎn)為球面反射鏡的頂點(diǎn)。所述的成像裝置9為毛玻璃片，或CXD探測器。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的三維振動干涉測量光路示意圖。參照圖3所示， 在本實(shí)施例中，激光器1為He-Ne激光器。透鏡4處于平衡位置，即其與針孔3之間的距離恰好為透鏡4本身的焦距。成像裝置9為C⑶探測器。采用曲率半徑比較大的球面反射鏡作為合作目標(biāo)。本裝置的光路原理解釋如下由激光器1發(fā)出波長為632. Snm的激光經(jīng)過顯微物鏡2和針孔3的濾波以及擴(kuò)束之后，到達(dá)透鏡4。由于針孔3位于透鏡4的前焦平面，因此擴(kuò)束光經(jīng)過透鏡4之后會變成平行光，然后照射在分光棱鏡5上，被分光面分成了兩束光， 即反射光和透射光。其中反射光經(jīng)過分光棱鏡5的全反面51的反射后，直接到達(dá)CCD探測器9。這束光位于光線10與11之間，稱為參考光。而透射光則又分成了兩部分其中位于光線12與14之間以及13與15之間的透射光經(jīng)過全反膜52的反射后，也直接到達(dá)CXD探測器9。這部分光，即光線10與16之間以及光線11與17之間的光，與參考光相干涉形成外部干涉條紋，用于監(jiān)測測量光路本身的變化。另一部分位于光線18與19之間的透射光， 則在通過通光孔53以及光闌6之后到達(dá)球面反射鏡7。由于所選的球面反射鏡7的曲率半徑比較大，入射的平行光由球面反射鏡7反射會聚后，最終仍以會聚光的形式到達(dá)CCD探測器9。這部分會聚光位于光線20與21之間，作為測量光，與參考光相干涉形成內(nèi)部干涉條紋，用于監(jiān)測被測物體的振動。另外，光線14與18之間以及15與19之間的透射光由于光闌6表面的漫反射并沒有反射回CCD探測器9。最后，CCD探測器9將所采集的干涉信號傳輸至計算機(jī)(圖中未示)中進(jìn)行處理，獲得被測物體的振動信息。只有在外部干涉條紋穩(wěn)定，即測量光路本身是不變的情況下，內(nèi)部干涉條紋才可以準(zhǔn)確反映出被測物體的振動。此時，CCD探測器上干涉場的光強(qiáng)為I(X,y) = I0[1 + cos {φο (χ, y) - φκ (χ,y)]⑴ 其中，隊(W)與禮(W)分別為參考光與測量光在C⑶成像平面(X，y)位置處的相位，Itl為激光器的輸出光強(qiáng)度。在本實(shí)施例中，所用的參考光為平行光，因此它的相位外江力為常量。這樣，CCD成像平面上光強(qiáng)的分布就只與測量光在成像平面上的相位分布有關(guān)，而由球面反射鏡7反射回的測量光，以會聚球面波的形式照射在CCD平面上，因此形成的干涉條紋應(yīng)是一族同心圓，其中圓心對應(yīng)球面反射鏡7的頂點(diǎn)垂直反射回的光線22照射在C⑶平面上的位置。因此，當(dāng)被測物體8沿χ或者y方向振動時，球面反射鏡7作為合作目標(biāo)會發(fā)生同樣的振動，由于CCD成像平面上干涉條紋圓心位置對應(yīng)球面反射鏡7的頂點(diǎn)垂直反射回的光線22，所以在被測物體沿χ或者y方向振動時，CXD上圓心位置會發(fā)生同樣的變化。這樣我們通過監(jiān)測CCD上圓心位置的改變就可以得知被測物體在χ或者y方向上的振動量，實(shí)際可以達(dá)到的分辨率主要由CCD分辨率以及成像倍率所決定。當(dāng)被測物體8沿ζ方向振動時，雖然測量光仍是以會聚球面波的形式照射在CCD 平面上，但是由于光程發(fā)生了變化，所以相位分布化江力亦發(fā)生變化，形成的干涉圓環(huán)會相對收縮或者擴(kuò)張，圓心位置處也會相應(yīng)地發(fā)生明暗變化。在被測物體8沿ζ方向振動λ/2 的過程中，光線22的光程發(fā)生λ的變化，從而使得圓心處測量光的相位變化2 π，根據(jù)公式 (1)，圓心位置處的光強(qiáng)就會變化一個周期，即經(jīng)歷一次明暗變化。因此我們通過圓心位置處光強(qiáng)的明暗變化次數(shù)就可以得知被測物體8在ζ方向的振動量，并且可以達(dá)到λ /2的分辨率，更加細(xì)微的分辨率可以由D/A轉(zhuǎn)換精度保證。在本實(shí)施例中，所用的參考光為平行光，當(dāng)透鏡4在其平衡位置附近沿光軸方向前后微動調(diào)節(jié)時，參考光會變?yōu)闀矍蛎娌ɑ蛘甙l(fā)散球面波，此種情況與上述分析類似，只不過參考光與測量光的干涉變?yōu)閮闪星蛎娌ǖ母缮妫直媛室约皽y量范圍也會發(fā)生相應(yīng)的變化。調(diào)節(jié)透鏡4位置的主要目的就是為了達(dá)到所需的分辨率以及測量范圍。根據(jù)上述分析，可以得出結(jié)論，無論被測物體8沿x、y、ζ哪一個方向振動，通過本發(fā)明干涉測量裝置都可以實(shí)現(xiàn)精確測量，也就是說本發(fā)明完全可以實(shí)現(xiàn)三維振動測量。綜上所述，本發(fā)明將主要光路集成于單塊光學(xué)介質(zhì)分光棱鏡中，結(jié)構(gòu)簡單；實(shí)現(xiàn)了被測物體振動監(jiān)測與測量光路變化監(jiān)測的分離；并且使用球面反射鏡作為合作目標(biāo)從而達(dá)到了三維振動測量的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，特征在于其構(gòu)成包括激光器 (1)，沿該激光器(1)輸出光束的前進(jìn)方向依次是同光軸的顯微物鏡O)、針孔(3)、透鏡 G)、分光棱鏡(5)、光闌(6)和球面反射鏡(7)，所述的針孔C3)固定在所述的顯微物鏡(2) 的焦點(diǎn)位置處，所述的透鏡⑷到針孔⑶的距離恰好為透鏡⑷的焦距時，透鏡4所處的位置稱為平衡位置，所述的透鏡(4)具有在其平衡位置附近沿光軸方向前后移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的球面反射鏡(7)作為合作目標(biāo)固定在待測物體(8)的表面上，所述的分光棱鏡(5)的分光面與所述的光軸成45°，該分光面將從入射面進(jìn)入的激光分為透射光和反射光，與入射面相對的一面外圍鍍有全反膜(52)，中間留有通光孔(53)，所述的透射光中穿過所述的通光孔(53)和光闌(6)并到達(dá)球面反射鏡(7)的光作為測量光，該分光棱鏡(5) 的反射面(51)鍍有全反膜，所述的反射光射向一面(51)稱為反射面，鍍有全反膜，所述的反射光經(jīng)反射面(51)反射后作為參考光，與反射面(51)相對的一面為相干光輸出面，在該相干光輸出面外設(shè)有成像裝置(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，其特征在于所述的球面反射鏡(7)為平凹球面反射鏡，平面(71)用于與待測物體(8)相結(jié)合；面(72)為球面，鍍有全反膜，用于反射測量光，其中A點(diǎn)為球面反射鏡的頂點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，其特征在于所述的成像裝置(9)為毛玻璃片，或C⑶探測器。
全文摘要
一種基于球面合作目標(biāo)的三維振動干涉測量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光器，沿該激光器輸出光束的前進(jìn)方向依次是同光軸的顯微物鏡、針孔、透鏡、分光棱鏡、光闌和球面反射鏡，所述的針孔固定在所述的顯微物鏡的焦點(diǎn)位置處，所述的透鏡到針孔的距離恰好為透鏡的焦距時，透鏡所處的位置稱為平衡位置，所述的透鏡具有在其平衡位置附近沿光軸方向前后移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的球面反射鏡作為合作目標(biāo)固定在待測物體的表面上，在所述的分光棱鏡的相干光輸出面外設(shè)有成像裝置。本發(fā)明將主要光路集成于單塊分光棱鏡中，結(jié)構(gòu)簡單；實(shí)現(xiàn)了被測物體振動監(jiān)測與測量光路變化監(jiān)測的分離；并且使用球面反射鏡作為合作目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對物體三維振動測量的目的。
文檔編號G02B1/10GK102175303SQ20111000842
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者馮滔, 劉德安, 劉芳, 張燕, 張雪潔, 朱健強(qiáng), 黃偉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所