CN103017906B - 干涉仪剪切量在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱成像仪干涉仪组件在装配和胶合过程中剪切量的在线检测和实时监测，该系统包括光源系统、扫描系统、傅氏系统以及信号采集与处理单元；扫描系统设置于光源系统的出射光路上；傅氏系统设置于经扫描系统后的出射光路上；信号采集与处理单元设置于傅氏系统的焦平面上。本发明提供了一种可直接实时测量干涉仪剪切量、精度高、实时性强、稳定性高以及应用范围广的干涉仪剪切量在线检测系统。

Description

干涉仪剪切量在线检测系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种空间调制型干涉仪剪切量在线检测系统，尤其涉及光谱成像仪干涉仪组件在装配和胶合过程中剪切量的在线检测和实时监测。

背景技术

我国是一个自然灾害频发的大国，由于我国地域辽阔，几乎地球上发生的各种自然灾害在我国都存在，每次自然灾害都造成重大人员伤亡和巨额经济损失。而在环境灾害监测中，光谱成像仪起到功不可没的作用。它的最大特点是“图谱合一”，即它不仅能得到目标的空间信息，同时还可以得到目标的光谱信息；对于外形相似而质地不同的目标、个体极小而集群的目标、具有明显特征光谱的目标，光谱成像仪表现出了普通成像相机无法比拟的优势。

光谱成像仪光学系统是在一个宽谱段光学成像系统中加入干涉仪组件，具有光谱仪和成像仪两种仪器功能。其中干涉仪组件是光谱成像仪的核心部件，干涉仪组件将成像光束分成两束，两束成像光束经过不同路径后，在成像镜焦平面上发生干涉，通过对干涉图的处理就可以得到目标的光谱信息。

干涉仪组件在光谱成像中承担着重要的角色，而干涉仪最重要的指标就是剪切量，剪切量的大小直接影响整个系统对目标的光谱分辨能力，所以，对于涉仪组件剪切量的检测就显得至关重要。

传统检测干涉仪剪切量的方法是在干涉仪组件后安装一个汇聚透镜，在其焦平面上用CCD接收，将CCD采集到的干涉图经过处理计算得到干涉仪剪切量，由于传统的测量方法是事后处理，不能实时的得到干涉仪剪切量，因此，传统的测量方法测量效率低，给干涉仪装调带来很大的困难，尤其是在干涉仪精调阶段，装调人员至少得花费一周时间，经过反复的调试才能将干涉仪剪切量调到设计值，实时性差；之后在干涉仪固化过程中还需间断的监测剪切量是否发生变化。所以，在干涉仪粗装、精装、封胶、固化的每个步骤都离不开对干涉仪剪切量的反复测量，而传统的测量方法繁琐，效率低，精度低，严重的影响了工作效率。因此，需要研制一种新的测试设备，以达到高效率，高精度的测试干涉仪剪切量。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可直接实时测量干涉仪剪切量、精度高、实时性强、稳定性高以及应用范围广的干涉仪剪切量在线检测系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种干涉仪剪切量在线检测系统，其特殊之处在于：所述干涉仪剪切量在线检测系统包括光源系统、扫描系统、傅氏系统以及信号采集与处理单元；所述扫描系统设置于光源系统的出射光路上；所述傅氏系统设置于经扫描系统后的出射光路上；所述信号采集与处理单元设置于傅氏系统的焦平面上。

上述干涉仪剪切量在线检测系统还包括设置于光源系统以及扫描系统之间的准直系统。

上述准直系统包括毛玻璃、准直系统主镜、准直系统次镜以及第一可变光阑；所述毛玻璃设置于光源系统的出射光路上；所述准直系统次镜设置于经毛玻璃透射后的透射光路上；所述准直系统主镜设置于经准直系统次镜反射后的反射光路上；所述第一可变光阑设置于经准直系统主镜反射后的反射光路上；所述准直系统主镜是离轴抛物面反射镜；所述准直系统次镜是平面反射镜。

上述扫描系统包括双面反射镜以及用于带动双面反射镜进行匀速旋转的伺服电机；所述双面反射镜设置于经准直系统后的出射光路上。

上述傅氏系统包括第二可变光阑、傅氏系统主镜以及可见/红外切换反射镜；所述第二可变光阑设置于准直系统以及扫描系统之间；所述傅氏系统主镜设置于经扫描系统后的出射光路上；所述可见/红外切换反射镜设置在傅氏系统主镜的出射光路上；所述傅氏系统主镜是离轴反射镜或抛物面反射镜；所述可见/红外切换反射镜是平面反射镜。

上述干涉仪剪切量在线检测系统还包括控制单元以及显示单元；所述信号采集与处理单元通过控制单元接入显示单元。

上述信号采集与处理单元包括光电探测器以及与光电探测器电性相连的信号处理单元；所述光电探测器设置于傅氏系统的焦平面上。

上述光电探测器包括可见光电探测器以及红外光电探测器；所述可见光电探测器以及红外光电探测器分别置于傅氏系统的左右两个焦平面上。

上述光电探测器还包括设置于光电探测器上的消杂散光光阑。

上述光源系统包括激光器以及设置于激光器出射光路上的激光发散镜；所述激光器是可见激光器或红外激光器。

本发明的优点是：

1、可直接对干涉仪剪切量进行测量。本发明通过扫描反射镜的旋转，可将空间分布的干涉信息转化为以电流强度分布的时间信息输入给信号处理单元，经过信号处理单元的处理与计算，可将干涉仪剪切量以数字形式实时的显示出来，填补了国内无法直接实时测量干涉仪剪切量的空白。

2、测量精度高。本发明的干涉仪剪切量在线检测系统，采用的是点扫描装置，避免了传统测量方法中，由于CCD感光面与傅氏镜焦平面的不平行度对干涉条纹间距测量带来的误差；同时，本发明使用光电探测器测探干涉条纹能量的变化，由于光电探测器的响应时间为微秒量级，所以本发明所提出的测试方法比传统的测量方法采样间隔更小，测试精度更高。第三，本发明的干涉仪剪切量在线检测系统，准直镜和傅氏镜均采用离轴反射结构，避免了色差的影响，可测量可见干涉仪和红外干涉仪的剪切量。第四，本发明的干涉仪剪切量在线检测系统，在测试系统入射窗口处安装有可变光阑；在可见光电探测器和红外光电探测器前各安装有消杂散光光阑，可以有效的遮挡杂散光，提高测试精度。第五，本发明使用的扫描反射镜为双面反射镜，在一次扫描周期内可以获得两组扫描数据，提高了测量精度和测量稳定性。

3、实时性强。本发明的干涉仪剪切量在线检测系统，在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可根据不同干涉仪组件的通光口径大小调整准直系统出射光束的口径，以满足不同光谱成像仪干涉仪组件剪切量的在线检测。

4、稳定性高。本发明使用伺服电机带动扫描反射旋转，具有极高的扫描稳定性。

5、应用范围广，使用方便。本发明在傅氏镜出射光路中设置有可见/红外切换反射镜，根据干涉仪组件工作波段切换反射镜，应用范围广，使用方便。

附图说明

图1是本发明所提供的干涉仪剪切量在线检测系统的结构示意图；

其中：

1-激光器、2-激光发散镜、3-毛玻璃、4-准直系统次镜、5-准直系统主镜、6-第一可变光阑、7-干涉仪、8-第二可变光阑、9-扫描反射镜、10-伺服电机、11-傅氏镜、12-可见/红外切换反射镜、13-可见光电探测器、14-第一消杂光光阑、15-红外光电探测器、16-第二消杂光光阑、17-信号处理单元、18-控制单元、19-显示单元。

具体实施方式

参见图1，本发明的干涉仪剪切量在线检测系统，包括光源系统、准直系统、扫描系统、傅氏系统、信号采集与处理单元、控制单元和显示单元。

光源系统包括激光器1和激光发散镜2，激光发散镜2安装在激光器1的出射光路上；

准直系统20包括毛玻璃3、准直系统次镜4、准直系统主镜5和第一可变光阑6，毛玻璃3安装在准直系统20焦平面上，准直系统次镜4安装在准直系统主镜5与毛玻璃3的中间光路上，第一可变光阑6安装在准直系统20的出射窗口上。

扫描系统包括扫描反射镜9和伺服电机10，扫描反射镜9安装在被测干涉仪7和傅氏镜11之间的光路上。

傅氏系统包括第二可变光阑8，傅氏镜11，可见/红外切换反射镜12，第二可变光阑8安装在测试系统光路的入射窗口上，傅氏镜11安装在扫描反射镜9的出射光路上，可见/红外切换反射镜12安装在傅氏镜11的出射光路上。

信号采集与处理单元包括可见光电探测器13，第一消杂光光阑14、红外光电探测器15、第二消杂光光阑16和信号处理单元17，可见光电探测器13安装在傅氏系统右侧焦平面上，第一消杂光光阑安装在可见光电探测器13上，红外光电探测器15安装在傅氏系统左侧焦平面上，第二消杂光光阑16安装在红外光电探测器15上，信号处理单元17、控制单元18安装在检测系统内壁上；显示单元19安装在测试系统外壁上。

准直系统是口径Φ100mm，焦距1000mm离轴反射光学结构，傅氏系统是口径Φ200mm，焦距400mm离轴反射光学结构，毛玻璃材料为石英、口径为Φ40mm。

本发明的工作过程是：激光器1发出的准单色光照射到激光发散镜2上，经过激光发散镜2调制后，形成具有较大发散角的单色光束并充满毛玻璃3，毛玻璃3的直径为Φ40mmm，经准直系统准直后，形成视场角为±1.14°的准直单色光束，通过第一可变光阑6调整从准直系统出射的平行光束的口径，使其与被测干涉仪7的通光口径相当；从准直系统出来的准直单色光束经干涉仪7调制后形成两束具有相干性的光束入射到测试系统21中；调整第二可变光阑8的通光口径大小与从干涉仪7出射的光束口径大小相当，以减小外界杂散光进入测试系统，对测试精度产生不利影响；两相干光束进入测试系统后入射到扫描反射镜9上，由于扫描反射镜9匀速旋转，将从干涉仪7出射的各个视场的相干光束依次反射为平行于傅氏镜光轴的光束；从傅氏镜11出射的汇聚光束经可见/红外切换反射镜12反射后聚焦到可见光电探测器13或红外光电探测器15上，光电探测器根据干涉条纹亮暗的变化对应输出同频率电流强度分布的电信号，输入到信号处理单元17，电信号经过信号处理单元17的细分和处理后，根据控制单元18输入的波长参量和伺服电机的转速参量，可计算得到被测干涉仪7的剪切量，并输入到显示单元19显示出来；为了减小测试系统内壁上的漫反射光照射到光电探测器上，对采集的光信号产生影响，在可见光电探测器13和红外光电探测器15的感光面外分别安装第一消杂散光光阑14和第二消杂光光阑16。

本发明的工作原理如下：

激光器1发出的单色光经激光发散镜2发散后照射到毛玻璃3上，经过准直系统20准直后形成准直单色光束，准直单色光束经过干涉仪7调制后形成两束具有相干性的光束入射到扫描反射镜9上，经再经傅氏镜11汇聚后，在傅氏镜11焦平面上两相干光束发生干涉，形成干涉条纹，其光强能量按余弦分布。干涉仪剪切量的一般公式：

d＝f/s*λ    (1)

式中：d为干涉仪剪切量，f为傅氏镜焦距，s为干涉条纹间距，λ为单色光源波长。

由公式(1)可知，只需要测量出干涉条纹间距s就可计算出干涉仪剪切量。由于单色光的干涉条纹是等间距的，在傅氏镜11前安装一扫瞄系统，当伺服电机10以ωrad/s的角速度带动扫描反射镜9匀速旋转时，干涉条纹在傅氏镜11像面上也会匀速移动。干涉条纹在像平面上移动的速度v可用公式(2)表示

v＝2*f*ω           (2)

所以，光电探测器15可依次探测到不同视场的干涉条纹，由于像平面上的光强分布为余弦函数，所以，光电探测器15输出的也是电流强度按余弦分布的电流信号。通过信号处理单元17的计算，可得到电流峰峰响应值之间的时间差t，用公式(3)可得到干涉条纹间距s。

s＝t*v＝2*t*f*ω    (3)

将公式(3)带入公式(1)，得干涉仪剪切量d的计算公式(4)

d＝λ/(2*t*ω)      (4)

本发明的干涉仪剪切量在线检测装置，通过扫描反射镜9的旋转，将从干涉仪出来的不同视场的两束相干光束反射为平行于傅氏镜11光轴的光束，经傅氏镜汇聚发生干涉，在傅氏镜11像面上形成光强强度按余弦分布的干涉条纹，由于扫描反射镜9匀速旋转，干涉条纹在傅氏镜11像平面上也会发生匀速移动，光电探测器15将探测光强能量分布转化为电流强度分布实时的输入到信号处理单元17，信号处理单元17经过细分和插值后可得到信号峰峰值之间的时间间隔t，再根据输入的波长值λ和扫描反射镜的转速ω按照公式(4)即可实时的计算出干涉仪的剪切量，并实时显示出来。

传统测量干涉仪剪切量的方法都是在傅氏镜11焦平面上安装CCD探测器，用CCD探测将干涉条纹的二维图像信息采集并保存，再根据CCD像元尺寸的大小计算出条纹间距s，再用公式(1)计算出干涉仪剪切量。传统方法虽然能计算出干涉仪剪切量，但是存在两个很大的缺点：1、不能实时测量干涉剪切量，对干涉仪的装调效率带来严重的影响；2、由于CCD像元具有一定的大小，会丢失干涉图的细节信息，而且，CCD探测器与像面的平行度误差也会直接造成对干涉条纹间距s计算不够准确。

本发明的干涉仪剪切量在线检测装置，通过伺服电机带动扫面反射镜匀速旋转，将空间分布的干涉图光强能量信息采集为按时间的分布电流强度信息，经过信号处理单元处理后，将干涉仪剪切量实时显示出来。所以，本发明的干涉仪剪切量在检测装置，解决了传统测量方法不能实时检测干涉仪剪切量的缺点，从而提高了干涉仪装调和检测的效率，并为干涉仪的封胶固化提供了一种实时监测的手段。

现阶段，光电探测器已经成为一种成熟的产业，普通的光电探测器响应时间都在微秒量级，高性能的光电探测器可以达到纳秒级。以采样时间为1μs，傅氏镜焦距为400mm，扫描镜转速为πrad/s来计算，光电探测器对干涉条纹的采样间隔为2.5μm。而对于传统的测量方法，由于CCD像元尺寸一般在10μm左右(红外为30μm左右)，所以本发明提出的检测方法比传统测量干涉仪剪切量的方法采样密度提高了近一个数量级，提高了测量精度，并且避免了由于CCD感光面与像面平行度误差带来的测量误差。

另外，本发明所提出的检测方法可经过多次扫描，求取干涉条纹峰峰值的平均值来计算干涉仪剪切量，这样可以有效地避免伺服电机转速不稳定性带来的测量误差，提高了测量的稳定性。

Claims (8)

1.一种干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述干涉仪剪切量在线检测系统包括光源系统、扫描系统、傅氏系统以及信号采集与处理单元；所述扫描系统设置于光源系统的出射光路上；所述傅氏系统设置于经扫描系统后的出射光路上；所述信号采集与处理单元设置于傅氏系统的焦平面上；所述干涉仪剪切量在线检测系统还包括设置于光源系统以及扫描系统之间的准直系统；所述扫描系统包括双面反射镜以及用于带动双面反射镜进行匀速旋转的伺服电机；所述双面反射镜设置于经准直系统后的出射光路上。

2.根据权利要求1所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述准直系统包括毛玻璃、准直系统主镜、准直系统次镜以及第一可变光阑；所述毛玻璃设置于光源系统的出射光路上；所述准直系统次镜设置于经毛玻璃透射后的透射光路上；所述准直系统主镜设置于经准直系统次镜反射后的反射光路上；所述第一可变光阑设置于经准直系统主镜反射后的反射光路上；所述准直系统主镜是离轴抛物面反射镜；所述准直系统次镜是平面反射镜。

3.根据权利要求2所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述傅氏系统包括第二可变光阑、傅氏系统主镜以及可见/红外切换反射镜；所述第二可变光阑设置于准直系统以及扫描系统之间；所述傅氏系统主镜设置于经扫描系统后的出射光路上；所述可见/红外切换反射镜设置在傅氏系统主镜的出射光路上；所述傅氏系统主镜是离轴反射镜或抛物面反射镜；所述可见/红外切换反射镜是平面反射镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述干涉仪剪切量在线检测系统还包括控制单元以及显示单元；所述信号采集与处理单元通过控制单元接入显示单元。

5.根据权利要求4所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述信号采集与处理单元包括光电探测器以及与光电探测器电性相连的信号处理单元；所述光电探测器设置于傅氏系统的焦平面上。

6.根据权利要求5所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述光电探测器包括可见光电探测器以及红外光电探测器；所述可见光电探测器以及红外光电探测器分别置于傅氏系统的左右两个焦平面上。

7.根据权利要求6所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述光电探测器还包括设置于光电探测器上的消杂散光光阑。

8.根据权利要求1所述的干涉仪剪切量在线检测系统，其特征在于：所述光源系统包括激光器以及设置于激光器出射光路上的激光发散镜；所述激光器是可见激光器或红外激光器。