CN108303035A - 一种空间相移干涉仪 - Google Patents

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宁文斌
游强
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Abstract

本发明提供了一种空间相移干涉仪，包括激光发射机构、激光接收机构、干涉器和成像镜头，还包括第一同轴线和第二同轴线，所述激光发射机构包括激光器和扩束整型镜，所述激光接收机构、干涉器和成像镜头均分布于所述第一同轴线上，所述成像镜头和激光接收机构分别设置于干涉器的前侧和后侧，所述激光发射机构设置于所述第二同轴线并分设于所述成像镜头的两侧，当激光发射机构发射出激光束，照射到目标物体的表面后反射，并沿第一同轴线依次经过所述成像镜头和干涉器后形成两路光束，被激光接收机构接收处理。本发明的空间相移干涉仪结构简单、采集图像信息快速。

Description

一种空间相移干涉仪
技术领域
本发明涉及一种光学干涉仪器，具体涉及一种空间相移干涉仪。
背景技术
以激光散斑作为被测物场变化信息的载体,利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前后之间的相位变化，一束激光被透镜扩展并投射到被检测物体的表面上,反射光与从激光器直接投射到摄像机的参考光光束发生干涉,在被照射的表面产生散斑场及一系列散斑图像；当物体运动时,这些散斑会随之发生变化,这些变化表征出被测物体表面的位移场变化或形变信息；使用CCD(电荷耦合器件)获得图像信息,由计算机软件处理分析来表征表面变化，通过散斑干涉条纹图及相位图显示出来。
传统的干涉仪是激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹，当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由CCD图像传感器接收，进行处理，采用移动反射镜方法到达相移的目的，这是时间相移方法。
相移的方法通常分为时间相移和空间相移，时间相移是通过在时间时序中采集几幅图来计算相位；空间相移是在同一时刻采集一幅图，该图中包含不同的空间相位信息，用一幅图就可计算相位；时间相移技术存在以下的不足：结构复杂，光学元件分布多；采集图像时间长，不利于快速检测。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，在于提供一种结构简单，能够快速采集信息的空间相移干涉仪。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种空间相移干涉仪，包括激光发射机构、激光接收机构、干涉器和成像镜头，还包括第一同轴线和第二同轴线，所述激光发射机构包括激光器和扩束整型镜，所述激光接收机构、干涉器和成像镜头均分布于所述第一同轴线上，所述成像镜头和激光接收机构分别设置于干涉器的前侧和后侧，所述激光发射机构设置于所述第二同轴线并分设于所述成像镜头的两侧，当激光发射机构发射出激光束，照射到目标物体的表面后反射，并沿第一同轴线依次经过所述成像镜头和干涉器后形成两路光束，被激光接收机构接收处理。
进一步地，所述激光器为相干光激光器、半导体激光器或泵浦激光器的一种，本发明中激光器的数量和功率可以按检测面积大小来确定，从1只到20只均可。
进一步地，所述激光接收机构包括空间相移器和电荷耦合感光元件，所述空间相移器和电荷耦合感光元件无缝集成一体，且所述空间相移器分布于所述干涉器后侧，所述电荷耦合感光元件分布于空间相移器的后侧。
进一步地，所述一种空间相移干涉仪还包括一图像处理器，所述图像处理器连接所述电荷耦合感光元件，当激光接收机构接收激光束后，先经过所述空间相移器改变激光束的相位，后被所述电荷耦合感光元件采集，由所述电荷耦合感光元件将其采集的信息传输至图像处理器处理。
进一步地，所述一种空间相移干涉仪还包括控制处理机构，其分别连接所述激光发射机构和激光接收机构，所述控制处理机构可控制所述激光器的激光量，并可对所述图像处理器的数据进行处理。
进一步地，所述激光束经过所述干涉器后形成两路光束，其包括R束光和T束光，形成干涉。
进一步地，所述第一同轴线和第二同轴线之间形成夹角θ，所述夹角θ的范围为0°-90°。
进一步地，所述激光发射机构、激光接收机构、干涉器和成像镜头均安装在同一机构里。
进一步地，所述电荷耦合感光元件为CCD图像传感器或CMOS图像传感器的一种。
进一步地，所述扩束整型镜为球形扩束镜。
进一步地，所述干涉器为透过式分光镜。
进一步地，所述空间相移器包括基座以及设置于基座上的若干个相移单元，其中，每个相移单元包括n个厚度不等的相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/n，其中，λ为光波波长，且集成于基座上的每个相移单元结构均相同；激光束从干涉器分离并形成干涉后，通过空间相移器中的每一个相移单元，相邻相位都有固定的差异，可得两者的相位差(即相移量)为2π/n，光波在一个波长内的相位变化为0～2π，因此通过两相移台阶后的光的相位差等于两者的厚度差与波长的比值再乘以2π，一个相移单元中便可获得至少3幅相位差已知的干涉图纹，只要获得三幅以上已知相位差的干涉图纹，便可得相应的像素位置的相位；由于每一个相移单元与CCD镜头上的光板的一个像素对应，因此光板上的一个像素记录一个相移单元的干涉图纹，对应可算得被测物体上一个相应像素位置的相位；将多个与相移单元对应的待测面的相位组合在一起便可得到整个待测面的完整相位，从而可算得待测面的变形量。
本发明的有益效果：干涉仪采用光学元件少，利于集成，可以使仪器小型化；空间相移器和电荷耦合感光元件无缝集成于一体，每一个相移单元可测得一个像素位置的相位，使得待测面上的每一个像素位置均能测出相位，大大提高测量精度；空间相移干涉仪通过采用空间相移器，所有的相移单元集成在空间相移器上，并安装到干涉仪上使仪器结构简单，体积小，减少仪器体积和重量；另一方面，集成于基座上的每个相移单元结构完全相同，因此各个相移单元分出的分光束的强度均匀，有利于提高检测的精度。
附图说明
图1是本发明的优选实施例结构框图；
图2是本发明的优选实施例模块框图。
图中，激光发射机构10，激光器101，扩束整型镜102，激光接收机构20，空间相移器201，电荷耦合感光元件202，成像镜头30，干涉器40，第一同轴线50，第二同轴线60，控制处理机构70，目标物体80。
具体实施方式
本实施例中，参照图1和图2，一种空间相移干涉仪，包括激光发射机构10、激光接收机构20、干涉器40和成像镜头30，还包括第一同轴线50和第二同轴线60，第一同轴线50和第二同轴线60之间形成夹角θ，所述夹角θ为30°所述激光发射机构10包括激光器101和扩束整型镜102，所述激光接收机构20、干涉器40和成像镜头30均分布于所述第一同轴线50上，所述成像镜头30和激光接收机构20分别设置于干涉器40的前侧和后侧，所述激光发射机构10设置于所述第二同轴线60并分设于所述成像镜头30的两侧，当激光发射机构10发射出激光束，照射到目标物体80的表面后反射，并沿第一同轴线50依次经过所述成像镜头30和干涉器40后形成两路光束，其包括R束光和T束光，形成干涉，被激光接收机构20接收处理；其中，所述激光器101为相干光激光器，所述扩束整型镜102为球形扩束镜，所述干涉器40为透过式分光镜，所述激光发射机构10、激光接收机构20、干涉器40和成像镜头30均安装在同一机构里。
激光接收机构20包括空间相移器201和电荷耦合感光元件202，所述电荷耦合感光元件202为CCD图像传感器，所述空间相移器201和电荷耦合感光元件202无缝集成一体，且所述空间相移器201分布于所述干涉器40后侧，所述电荷耦合感光元件202分布于空间相移器201的后侧。
一种空间相移干涉仪还包括一图像处理器，所述图像处理器连接所述电荷耦合感光元件202，当激光接收机构20接收激光束后，先经过所述空间相移器201改变激光束的相位，后被所述电荷耦合感光元件202采集，由所述电荷耦合感光元件202将其采集的信息传输至图像处理器处理；一种空间相移干涉仪还包括控制处理机构70，其分别连接所述激光发射机构10和激光接收机构20，所述控制处理机构70可控制所述激光器101的激光量，并可对所述图像处理器的数据进行处理。
空间相移器201包括基座以及设置于基座上的若干个相移单元，其中，每个相移单元包括n个厚度不等的相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/n，其中，λ为光波波长，且集成于基座上的每个相移单元结构均相同；激光束从干涉器40分离并形成干涉后，通过空间相移器201中的每一个相移单元，相邻相位都有固定的差异，可得两者的相位差(即相移量)为2π/n，光波在一个波长内的相位变化为0～2π，因此通过两相移台阶后的光的相位差等于两者的厚度差与波长的比值再乘以2π，一个相移单元中便可获得至少3幅相位差已知的干涉图纹，只要获得三幅以上已知相位差的干涉图纹，便可得相应的像素位置的相位；由于每一个相移单元与CCD镜头上的光板的一个像素对应，因此光板上的一个像素记录一个相移单元的干涉图纹，对应可算得被测物体上一个相应像素位置的相位；将多个与相移单元对应的待测面的相位组合在一起便可得到整个待测面的完整相位，从而可算得待测面的变形量。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种空间相移干涉仪，包括激光发射机构、激光接收机构、干涉器和成像镜头，其特征在于：还包括第一同轴线和第二同轴线，所述激光发射机构包括激光器和扩束整型镜，所述激光接收机构、干涉器和成像镜头均分布于所述第一同轴线上，所述成像镜头和激光接收机构分别设置于干涉器的前侧和后侧，所述激光发射机构设置于所述第二同轴线并分设于所述成像镜头的两侧，当激光发射机构发射出激光束，照射到目标物体的表面后反射，并沿第一同轴线依次经过所述成像镜头和干涉器后形成两路光束，被激光接收机构接收处理。
2.根据权利要求1所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述激光接收机构包括空间相移器和电荷耦合感光元件，所述空间相移器和电荷耦合感光元件无缝集成一体，且所述空间相移器分布于所述干涉器后侧，所述电荷耦合感光元件分布于空间相移器的后侧。
3.根据权利要求2所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：还包括一图像处理器，所述图像处理器连接所述电荷耦合感光元件，当激光接收机构接收激光束后，先经过所述空间相移器改变激光束的相位，后被所述电荷耦合感光元件采集，由所述电荷耦合感光元件将其采集的信息传输至图像处理器处理。
4.根据权利要求1所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述激光束经过所述干涉器后形成两路光束，其包括R束光和T束光，形成干涉。
5.根据权利要求1所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述第一同轴线和第二同轴线之间形成夹角θ，所述夹角θ的范围为0°-90°。
6.根据权利要求2所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述电荷耦合感光元件为CCD图像传感器或CMOS图像传感器的一种。
7.根据权利要求1所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述扩束整型镜为球形扩束镜。
8.根据权利要求4所述的一种空间相移干涉仪，其特征在于：所述干涉器为透过式分光镜。
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