CN111443041B - 一种剪切散斑干涉系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种剪切散斑干涉系统，所述剪切散斑干涉系统包括：短焦距镜头、迈克尔逊干涉装置、长焦距镜头和CCD相机。通过利用短焦距镜头和长焦距镜头的组合和迈克尔逊干涉装置相结合，利用短焦距镜头将大视场范围的物体成像为缩小的实像，缩小的实像通过迈克尔逊干涉装置和长焦距镜头传递到CCD相机靶面，形成散斑干涉，从而实现大视场剪切散斑干涉测量。本发明提供了一种不影响相位计算且结构简单的大视角剪切散斑干涉系统，有效地扩大检测面积，实现了全场、快速的缺陷检测。

Description

一种剪切散斑干涉系统
技术领域
本发明涉及激光检测领域，特别涉及一种剪切散斑干涉系统。
背景技术
剪切散斑干涉技术具有可以全场测量、光路简单、调节方便、对环境要求低等特点，因此被广泛用于无损检测领域。在剪切散斑干涉系统中，采用的剪切成像装置有多种形式，如迈克尔逊干涉仪、楔形棱镜、菲涅尔棱镜和沃拉斯顿棱镜等。其中迈克尔逊干涉仪是最常用的一种剪切装置，因为它具有结构简单、剪切量和剪切方向容易调节，以及容易实现移相等优点。
但是在传统的迈克尔逊型剪切散斑干涉仪中，视场角由于受到迈克尔逊结构的限制而很小。当使用剪切散斑干涉仪对大尺寸物体进行扫描测量时，希望其具有较大的视场角，以提高扫描速度，节省工作时间；当进行全场测量时，如果被测目标尺寸较大，工作距离比较短，也要求干涉仪的视场角足够大，使之可以同时测量整个目标。因此，视场角是数字剪切散斑干涉仪的一个主要参数，是影响其应用范围的重要因素。为了满足检测的需要，特别是大尺寸全场测量，研究大视场检测成像光路有重要意义。
目前一种基于4f系统所设计的大视场散斑成像系统采用广角镜头与4f中继成像的方式扩大检测视场，例如，文献“Wu S,He X,Yang L，Enlarging the angle of view inMichelson-interferometer-based shearography by embedding a 4f system，AppliedOptics,2011,50(21):3789-3794”，但其结构较复杂、成本较高，且整机封装尺寸也较大。另外一种反远距成像的迈克尔逊剪切散斑干涉系统也实现了大视场测量，例如，文献“朱猛,李翔宇,李秀明,反远距成像相移剪切散斑干涉检测系统，激光技术,2014,38(1)”。该系统采用负透镜组和成像透镜作为成像组合，在二者中插入迈克尔逊剪切干涉光路。这种结构封装尺寸小、结构简单。但是由于采用了反远距成像，光线将发散入射至平面镜，发散光线会引入非均匀性相移误差影响相位计算。
如何提供一种不影响相位计算且结构简单的大视角剪切散斑干涉系统，实现大面积被测物体的全场测量，成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种剪切散斑干涉系统，以实现提供一种不影响相位计算且结构简单的大视角剪切散斑干涉系统，实现大面积被测物体的全场测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种剪切散斑干涉系统，所述剪切散斑干涉系统包括：
短焦距镜头、迈克尔逊干涉装置、长焦距镜头和CCD相机；
所述短焦距镜头设置在所述迈克尔逊干涉装置的光入射的方向上；所述长焦距镜头和所述CCD相机依次设置在所述迈克尔逊干涉装置的光出射的方向上；
所述短焦距镜头与所述迈克尔逊干涉装置的光入射口同轴，设为第一中心轴；所述长焦距镜头、所述CCD相机和所述迈克尔逊干涉装置的光出射口同轴，设为第二中心轴，所述第一中心轴与所述第二中心轴垂直；
被测物体的漫反射光经过所述短焦距镜头在短焦距镜头的成像平面上形成所述被测物体的缩小实像；
所述缩小实像经过所述迈克尔逊干涉装置，形成两束相干光，再经过所述长焦距镜头投射在所述CCD相机的成像靶面上。
可选的，所述迈克尔逊干涉装置包括分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜；
所述分光棱镜设置于所述成像平面的光出射的方向上，所述分光棱镜与所述第一中心轴成45°角；
所述第一反射镜设置于所述分光棱镜的光反射的方向上，所述第一反射镜与所述第一中心轴成θ角；
所述第二反射镜设置于所述分光棱镜的光透射的方向上，所述第二反射镜与所述第一中心轴垂直。
可选的，所述短焦距镜头的焦距可调节，通过调节所述短焦距镜头的焦距，进行被测物体的清晰度和视场大小调节。
可选的，所述长焦距镜头的焦距满足公式：
Figure BDA0002503597500000031
其中，f2为长焦距镜头的焦距，l1为短焦距镜头的成像平面到长焦距镜头光心之间的距离，l2为长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离。
可选的，短焦距镜头的成像平面到长焦距镜头光心之间的距离与迈克尔逊干涉装置的边长的2倍的差值小于预设阈值。
可选的，所述剪切散斑干涉系统还包括接圈，所述接圈设置于所述分光棱镜和所述CCD相机之间。
可选的，长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离通过选用不同长度的接圈进行调节。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种剪切散斑干涉系统，所述剪切散斑干涉系统包括：短焦距镜头、迈克尔逊干涉装置、长焦距镜头和CCD相机。通过利用短焦距镜头和长焦距镜头的组合和迈克尔逊干涉装置相结合，利用短焦距镜头将大视场范围的物体成像为缩小的实像，缩小的实像通过迈克尔逊干涉装置和长焦距镜头传递到CCD相机靶面，形成散斑干涉，从而实现大视场剪切散斑干涉测量。本发明提供了一种不影响相位计算且结构简单的大视角剪切散斑干涉系统，有效地扩大检测面积，实现了全场、快速的缺陷检测。而且本发明可以通过更换不同焦距的短焦距成像镜头，实现检测视场角的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种剪切散斑干涉系统的结构图；
其中：1为被测物体、2为短焦距镜头、3为成像平面、4为迈克尔逊干涉装置、5为等效共轴系统、6为长焦距镜头、7为接圈、8为成像平面、9为CCD相机。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种剪切散斑干涉系统，以实现提供一种不影响相位计算且结构简单的大视角剪切散斑干涉系统，实现大面积被测物体的全场测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
本发明为了解决基于迈克尔逊干涉装置的剪切散斑测量系统视场角小的问题，实现对大面积被测物的全场测量，提出了一种基于光学镜头组合的大视场的剪切散斑干涉系统的光路设计方案。该光路设计方案利用短焦距镜头和长焦距镜头的组合和迈克尔逊干涉装置相结合实现了大视场测量。
具体的，如图1所示，所述剪切散斑干涉系统包括：短焦距镜头2、迈克尔逊干涉装置4、长焦距镜头6和CCD相机9；所述短焦距镜头2设置在所述迈克尔逊干涉装置4的光入射的方向上；所述长焦距镜头6和所述CCD相机9依次设置在所述迈克尔逊干涉装置4的光出射的方向上；所述短焦距镜头2与所述迈克尔逊干涉装置4的光入射口同轴，设为第一中心轴；所述长焦距镜头6、所述CCD相机9和所述迈克尔逊干涉装置4的光出射口同轴，设为第二中心轴，所述第一中心轴与所述第二中心轴垂直；被测物体1的漫反射光经过所述短焦距镜头2在成像平面3上形成所述被测物体的缩小实像；所述缩小实像经所述迈克尔逊干涉装置4，形成两束相干光，再经过所述长焦距镜头6投射在所述CCD相机9的成像靶面8上。
激光器发出激光束照射在被测物体表面，激光束在被测物体表面漫反射后首先经过短焦距镜头2，在短焦距镜头2后成缩小的实像；然后经过迈克尔逊干涉装置4，接着经过长焦距镜头6，最终投射在CCD相机9成像靶面8上。
其中，所述迈克尔逊干涉装置4包括分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜；所述分光棱镜设置于所述成像平面的光出射的方向上，所述分光棱镜与所述第一中心轴成45°角；所述第一反射镜设置于所述分光棱镜的光反射的方向上，所述第一反射镜与所述第一中心轴成θ角；所述第二反射镜设置于所述分光棱镜的光透射的方向上，所述第二反射镜与所述第一中心轴垂直。
具体的，迈克尔逊干涉装置由分光棱镜和两面反射镜(第一反射镜和第二反射镜)构成。两面反射镜分别位于迈克尔逊干涉装置相邻的两侧。其中第一反射镜与所在侧面成一个不为零的夹角θ。第二反射镜与所在侧面平行。分光棱镜位于迈克尔逊干涉装置对角位置，且与两面反射镜所在侧面成45°角。被测物体表面的反射光进入迈克尔逊干涉装置后，首先由分光棱镜分为两束光，一束光经过夹角为θ的第一反射镜后以偏转角2θ反射出迈克尔逊干涉装置，另一束光经过与侧面平行的第二反射镜反射出迈克尔逊干涉装置，这两束反射出迈克尔逊干涉装置的光将投射在CCD相机9的成像靶面上干涉成像，由于其中一束光产生了2θ的偏转角，因此两束光的成像形成位错。迈克尔逊干涉装置是形成剪切散斑干涉的关键装置。
其中，所述短焦距镜头的焦距可调节，通过调节所述短焦距镜头的焦距，进行被测物体的清晰度和视场大小调节。所述长焦距镜头的焦距满足公式：
Figure BDA0002503597500000051
其中，f2为长焦距镜头的焦距，l1为短焦距镜头的成像平面到长焦距镜头光心之间的距离，l2为长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离。其中，短焦距镜头的成像平面到长焦距镜头光心之间的距离与迈克尔逊干涉装置的边长的2倍的差值小于预设阈值。长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离通过选用不同长度的接圈8进行调节。
通过图1中的等效共轴系统5可以看输出，当压缩图像从成像平面3传递到长焦距镜头6，经过的距离接近迈克尔逊干涉装置边长的2倍时，短焦距镜头2和长焦距镜头6分别位于迈克尔逊干涉装置的两侧，整个光路结构最为紧凑。根据光学成像公式
Figure BDA0002503597500000052
在迈克尔逊干涉装置尺寸确定后，即成像平面3到长焦距镜头6光心之间距离l1确定后，可以选用合适焦距f2的长焦距镜头，以及在长焦距镜头6和CCD相机9之间可以增加适当的接圈7，从而使得成像平面3上缩小的实像可以清晰地传递到成像靶面8上。
其中，选定的长焦距镜头到CCD相机的成像靶面的光程距离和到短焦距镜头成像平面的距离保持恒定，无需调节，可以方便实现成像系统的集成和封装。
具体的，由被测物体表面反射的光在进入迈克尔逊干涉装置之前，首先会经过一个短焦距镜头。短焦距镜头具有视场角大，成像焦距短的特点。本发明中短焦距镜头的作用是将大视场范围的图像在成像平面上成缩小的实像，缩小的实像通过迈克尔逊干涉装置和长焦距镜头传递到CCD相机靶面。由于迈克尔逊干涉装置的结构会将传递的光线夹角限制在28°左右，因此在迈克尔逊干涉装置之后的镜头视场角不能超过28°，否则就会有环境光线的干扰。所以需要选择视场角较小的长焦距镜头将经过迈克尔逊干涉装置的光聚焦到CCD相机靶面成像。在迈克尔逊干涉装置之前成的缩小实像到长焦距镜头光心之间的距离为l1，长焦距镜头光心到CCD相机成像靶面的距离为l2，长焦距镜头的焦距为f2，当迈克尔逊干涉装置前的实像到长焦距镜头光心之间的距离刚刚是光线在迈克尔逊干涉装置中传播的距离时，光学结构最为紧凑，此时l1的值接近迈克尔逊干涉装置的边长的2倍。而l2可以通过在长焦距镜头和CCD相机之间安装合适的接圈来调节。因此在确定迈克尔逊干涉装置的尺寸后，只需要选择焦距f2合适的长焦距镜头以及调节接圈长度，满足成像公式
Figure BDA0002503597500000061
即可。
本发明通过短焦距镜头和长焦距镜头的组合，利用短焦距镜头将大视场范围的物体成像为缩小的实像，缩小的实像通过迈克尔逊干涉装置和长焦距镜头传递到CCD相机靶面，形成散斑干涉，从而实现大视场剪切散斑干涉测量。而且可以通过更换不同焦距的短焦成像镜头，实现检测视场角的调节。
在CCD相机满足分辨率要求的前提下，使用本发明设计的成像光路可以有效地扩大检测面积，实现全场、快速的缺陷检测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种剪切散斑干涉系统，其特征在于，所述剪切散斑干涉系统包括：
短焦距镜头、迈克尔逊干涉装置、长焦距镜头和CCD相机；
所述短焦距镜头设置在所述迈克尔逊干涉装置的光入射的方向上；所述长焦距镜头和所述CCD相机依次设置在所述迈克尔逊干涉装置的光出射的方向上；
所述短焦距镜头与所述迈克尔逊干涉装置的光入射口同轴，设为第一中心轴；所述长焦距镜头、所述CCD相机和所述迈克尔逊干涉装置的光出射口同轴，设为第二中心轴，所述第一中心轴与所述第二中心轴垂直；
被测物体的漫反射光经过所述短焦距镜头在短焦距镜头的成像平面上形成所述被测物体的缩小实像；
所述缩小实像经过所述迈克尔逊干涉装置，形成两束相干光，再经过所述长焦距镜头投射在所述CCD相机的成像靶面上；
所述迈克尔逊干涉装置包括分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜；所述分光棱镜设置于所述成像平面的光出射的方向上，所述分光棱镜与所述第一中心轴成45°角；所述第一反射镜设置于所述分光棱镜的光反射的方向上，所述第一反射镜与所述第一中心轴成θ角；所述第二反射镜设置于所述分光棱镜的光透射的方向上，所述第二反射镜与所述第一中心轴垂直；
所述长焦距镜头的焦距满足公式：
Figure FDA0002983503290000011
其中，f2为长焦距镜头的焦距，l1为短焦距镜头的成像平面到长焦距镜头光心之间的距离，l2为长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离，所述剪切散斑干涉系统还包括接圈，所述接圈设置于所述分光棱镜和所述CCD相机之间，长焦距镜头光心到CCD相机的成像靶面的距离通过选用不同长度的接圈进行调节。
2.根据权利要求1所述的剪切散斑干涉系统，其特征在于，通过调节所述短焦距镜头的焦距，进行被测物体的清晰度和视场大小调节。
3.根据权利要求1所述的剪切散斑干涉系统，其特征在于，短焦距镜头成像平面到长焦距镜头光心之间的距离与迈克尔逊干涉装置的边长的2倍的差值小于预设阈值。
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