CN101339002A

CN101339002A - 大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪

Info

Publication number: CN101339002A
Application number: CNA2008100416577A
Authority: CN
Inventors: 陆鹏; 张熹; 吴君毅; 艾钢; 曾宪友; 郑长江
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: Shanghai shine Heavy Industry Co., Ltd.
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: CN101339002B

Abstract

本发明涉及一种大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，用以进行现场测量，该干涉仪包括仪器本体和至少一光源。仪器本体包括分光棱镜、按照光路布置的物镜、场镜和第一中继镜、具有相移机构的第一、第二全反射镜、第二中继镜以及成像部件。分光棱镜具有一入射面、一出射面、一第一透射面及一第二透射面，出射面与入射面相邻。物镜面对被测物，被测物经物镜成像后在场镜会聚，再经过第一中继镜成平行光入射至分光棱镜的入射面。第一全反射镜相对分光棱镜的第一透射面设置，第二全反射镜相对分光棱镜的第二透射面设置，第二中继镜，会聚由分光棱镜的出射面射出的光，在成像部件的靶面上成像。上述干涉仪中至少有一光源用以提供被测物的照明。

Description

大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪

技术领域

本发明涉及剪切散斑干涉仪器，尤其涉及一种大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪。

背景技术

目前，剪切散斑实现有两种方式：一种是采用能够产生剪切效果的剪切元件作为光学部件的光路，例如中国专利ZL20062004933.4所公开的“数字电子剪切散斑干涉仪”，如图1所示，其中1是激光器，2是扩束镜，3是全息漫射片，4是被测物，5是剪切镜，6是电机驱动的平动台，7是偏振片，81是ZOOM成像镜，82是CCD图像采集系统，9是计算机。该光路具有简单、调节方便等优点，但剪切元件成本较高，剪切角度随剪切元件的设计而固定，从而不能调节测量的灵敏度。另一种是采用麦克尔逊式的对称光路，例如图3所示的Ettemeyer公司的电子剪切散斑干涉仪，其中11是照相机，12是全反射镜，13是分光棱镜，14是激光器，Wd是测量距离，15是被测物。通过偏转其中一块全反射镜产生剪切效果。该光路设计及调节较为复杂，但是成本相对较低，剪切角度可调节，从而实现了测量的灵敏度可调节。但是其缺点是测量角度受棱镜限制，不能实现大角度的测量。

目前的剪切散斑干涉仪均未能摆脱实验环境，无法应用到现场测量。因为现场测量要求大角度测量(视场张角大于25度)，被测物体面积大(大于500mm²)，距离远(1000mm以上)。而目前的上述剪切散斑干涉仪测量的角度太小，不能测量大面积的被测试件。

发明内容

本发明的目的就是解决剪切散斑干涉仪不能实现现场测量的问题，而提出一种可应用到现场测量的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，包括仪器本体和至少一光源。仪器本体包括分光棱镜、按照光路布置的物镜、场镜和第一中继镜、具有相移机构的第一、第二全反射镜、第二中继镜以及成像部件。分光棱镜具有一入射面、一出射面、一第一透射面及一第二透射面，出射面与入射面相邻。物镜面对被测物，被测物经物镜成像后在场镜会聚，再经过第一中继镜成平行光入射至分光棱镜的入射面。第一全反射镜相对分光棱镜的第一透射面设置，第二全反射镜相对分光棱镜的第二透射面设置，第二中继镜，会聚由分光棱镜的出射面射出的光，在成像部件的靶面上成像。上述的至少一光源用以提供被测物的照明。

在上述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，物镜可根据不同的被测物更换。

在上述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，物镜为广角镜。

在上述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，成像部件与第二中继镜所会聚的光之间有一夹角，而仪器本体还包括第三全反射镜，其反射第二中继镜的会聚光至成像部件。

在上述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，成像部件与所述第二中继镜所会聚的光是相互垂直。

在上述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，上述的至少一光源是与仪器本体分离设置。其中，干涉仪可包含两个光源或者四个光源，对称设于所述仪器本体周围。

本发明的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪中，通过对光路的重新设计，使物镜、场镜和中继镜的组合可以实现大角度、大面积和长距离的测量，适应现场测量的要求。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是现有技术的一种剪切散斑干涉仪结构示意图。

图2是现有技术的另一种剪切散斑干涉仪结构示意图。

图3是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪本体结构示意图。

图4是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪光源结构示意图。

图5是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪的光源布置示意图。

图6是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪测量示意图。

图7A-7G是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪获得的测量图像。

具体实施方式

图3是根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪本体结构示意图。参照图3所示，该仪器本体100中设有：物镜101、场镜(field lens)102、第一中继镜(relaylens)103、分光棱镜104、第一全反射镜105、第二全反射镜106、第二中继镜107、第三全反射镜108以及成像部件109。

仪器本体100正对被测物体120放置，物镜101、场镜102、第一中继镜103按照光路布置组成对被测物体120的一组成像镜，其中物镜101被放置在被测物体120正面，被测物体经物镜101成像并在场镜102上会聚，再经过第一中继镜103成平行光进入分光棱镜104。由于物镜102放置位置使得其便于更换，只要选择相应的物镜(如广角、标准、长焦等)及其配合的场镜和中继镜就可以实现成像大小和远近的调节。在本实施例中，选择广角镜头的物镜102就可以实现大角度的测量，方便的实现了测量角度的扩大。举例来说，物镜102为六倍可变焦的镜头。

另外值得一提的是，场镜102的设置，减少了渐晕，可使得图像锐度提高；而采用中继镜，使得光线准直，减少象差。场镜及中继镜均可采用胶合透镜，而不是通常的单片透镜，也进一步提高了成像的质量。

为便于描述，将分光棱镜104的四个面分别定义为入射面a、出射面b、第一透射面c、和第二透射面d，其中入射面a与出射面b相邻。入射面a面对第一中继镜103所入射的平行光。光线经过分光棱镜6分成透射光线I和反射光线II，经过各自的第一全反射镜105、第二全反射镜106，反射后再进入分光棱镜104，然后由出射面b射出后经过第二中继镜107会聚到成像部件109的靶面成像。

第一全反射镜105、第二全反射镜106各自带有相移机构105a、106a，第一全反镜105、第二全反射镜106在测量中可以用计算机300(如图6)控制自动相移，从而将成像部件109得到的相移图像采集到计算机300中，进行运算。成像部件109例如是CCD。

在一个较佳实施例中，为缩短仪器X方向的尺寸，使成像部件109与第二中继镜107所会聚的光之间夹一角度，该角度较佳地为直角(如图3所示)或锐角。在保持成像距离不变的条件下，在第二中继镜107与成像部件109之间放置一第三全反射镜108，以将第二中继镜107所会聚的光反射至成像部件109的靶面成像。

另外，可以采用更加小型化的光学及调节机构，如分光棱镜104的尺寸和各透镜的尺寸均在

左右，可以进一步使体积小型化。在一个实施例中，仪器本体100为100mm×80mm×80mm的紧凑装置。

在图1、图2所示的现有剪切散斑干涉仪中，激光光源都集成在仪器本体上。这种实际被证明对于实际现场使用是不利的。因为被测物体照明要保证均匀，可能采用多个激光器同时照明，或者需要调节激光照射角度等，目前的设计激光在仪器内部调节极为不便。而且，大功率激光散热所需的风扇等运动件，与仪器本体装配在一体，造成测量中引入振动等影响因素。

为此，本发明的一个实施例使用与仪器本体的激光光源，如图4所示，光源200包括激光器201、扩束镜202及全息漫射片203。激光器201的激光出光经扩束镜202扩束，再经全息漫射片203进一步使光线均匀。光源200单独设于仪器本体之外，并可用三角架支撑。

图5示出根据本发明一实施例的剪切散斑干涉仪的光源布置。请结合参照图6所示，其中包含采用四个对称布置在仪器本体100周围的激光光源200a-200d，这种布置既增强了光强，也提高的照明均匀性。并且，分离式的设计也解决了光源散热，隔振等难题。

在未图示的另一实施例中，也可以采用对称布置于仪器本体周围的2个激光光源。

图6示出本发明用于测量时的总装示意图，采用激光200a-200d对称照射，既增强了光强，也提高的照明均匀性，仪器本体100放置在四个激光光源的中间位置，仪器本体100的相移器105a、106a及成像部件109均与计算机300相连，相移由计算机300自动产生并由成像部件109记录到计算机中进行图像处理和计算。

实验对象是的复合材料，材料由三层组成：表层(coat)、中间粘接层(middle adhesive)、底层(base)。表层和底层之间若粘接不牢就形成缺陷。施加载荷，内部的缺陷会在试件表面表现，通过本发明的剪切干涉仪，测量缺陷的位置，并通过相移技术精确测量变形大小。计算机300通过成像部件109采集图像并自动完成相移。

图7A-图7D显示了缺陷处的反映变形的四幅散斑图像，可以看出，现场测量的图像稳定性得到明显提高。

通过位相计算可以得到图7E和图7F所示的位相包裹和解包裹图，这是求解位移变形的中间图。

位相与位移有固定的计算关系式，通过计算机300进行计算，可以得到位移的量值，并可以根据该量值绘制如图7G所示的变形曲线，再通过该曲线可以获知任何点的变形情况。

综上所述，本发明的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪与现有的剪切散斑干涉仪相比，具有以下优点：

1、测量仪器的本体尺寸减小，为100mm×80mm×80mm的紧凑实验装置，而激光光源单独于仪器之外。

2、光路经过重新设计，测量结果更加准确。光路中场镜的设置，减少了Vignetting渐晕，使得图像锐度提高；采用中继镜，使得光线准直，减少象差；上述场镜及中继镜均为胶合透镜而不是通常的单片透镜，进一步提高了成像的质量。将传统上通常置于CCD前的物镜移至被测物正面，方便更换不同类型的物镜以适合不同测量需求和环境，并显著提高测量的角度，从而提高测量面积。上述诸多因素直接使得成像质量变好，从而使得测量结果更加准确。

3、测量角度、面积和距离得到提高。与Ettemeyer公司的麦克尔逊剪切散斑干涉仪的参数：测量的角度为24度，测量面积为100×150mm²，测量距离为200mm相比，本发明的角度(可测)扩大到28度以上，测量距离1000mm以上，测量面积500×500mm²以上。

4、隔振效果更加好。这一点可以从现场测量的图像的稳定程度上明显看出，光源与仪器本体的分开设计使得激光等震源对仪器的测量干扰降低到最小。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，包括：

仪器本体，其包括：

分光棱镜，具有一入射面、一出射面、一第一透射面及一第二透射面，所述出射面与所述入射面相邻；

按照光路布置的物镜、场镜和第一中继镜，其中所述物镜面对被测物，被测物经物镜成像后在场镜会聚，再经过第一中继镜成平行光入射至分光棱镜的入射面；

具有相移机构的第一全反射镜，相对所述分光棱镜的第一透射面设置；

具有相移机构的第二全反射镜，相对所述分光棱镜的第二透射面设置；

第二中继镜，会聚由所述分光棱镜的出射面射出的光；以及

成像部件，接收由所述第二中继镜会聚的光；以及

至少一光源，用以提供所述被测物的照明。

2.如权利要求1所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述物镜可根据不同的所述被测物更换。

3.如权利要求1所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述物镜为广角镜。

4.如权利要求1所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述成像部件与所述第二中继镜所会聚的光之间有一夹角，所述仪器本体还包括第三全反射镜，反射所述第二中继镜的会聚光至所述成像部件。

5.如权利要求4所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述成像部件与所述第二中继镜所会聚的光垂直。

6.如权利要求1所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，所述至少一光源与所述仪器本体分离设置。

7.如权利要求6所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，包含两个光源，对称设于所述仪器本体周围。

8.如权利要求6所述的大角度麦克尔逊式剪切散斑干涉仪，其特征在于，包含四个光源，对称设于所述仪器本体周围。