CN2679644Y - 直流光强主动抗振移相干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种直流光强主动抗振移相干涉仪。包括激光器、扩束系统、第一、第二、第三分光器、标准参考镜、测试件、聚焦对点系统、电子摄像头、变焦变倍成像系统、成象CCD，第一分光器干涉场出射方向上设置第二分光器，第二分光器将干涉场分成两部分，一部分被单点光电探测器接收，另一部分进入成像系统；光电探测器与反馈信号发生器、反馈信号发生器与PZT控制器、PZT控制器与PZT移相器连接；PZT移相器与标准参考镜连接；计算机与成象CCD、摄像头、反馈信号发生器相连。本实用新型控制PZT移相器对光波波前相位进行实时反馈补偿，可获得稳定的干涉图样，改变波前相位预设值可实现移相测量，仪器处于闭环工作状态。
Description
一、技术领域
本实用新型涉及一种激光干涉仪，特别是一种直流光强主动抗振移相干涉仪。
二、背景技术
移相干涉仪是以光波波长为单位的非接触式高精度光学测量仪器，它通过采集若干帧相移相等的干涉图，由移相算法和波面分析得到被测波前的信息，主要用于光学元件面形和光学系统成像质量的评价。随着移相干涉测量应用范围的拓展，尤其是将干涉仪用于非光学平台上的现场测试时，外界的干扰如地面的振动、空气的扰动等必然导致干涉图样的抖动、扭曲、模糊，使得CCD在采集干涉图样的过程中引入随机相位误差，难以保证测量结果的准确度，在这种情况下除了必要的隔振措施外，应该采取特殊的针对移相干涉仪的抗振技术。
目前，国外除了采用同步移相干涉术和共光路双折射散射板移相干涉术之外，较多的做法是选择主动抗振技术，如空间滤波器(SFD)振动探测补偿技术、电流注入式正弦相位调制(SPM)抗振型半导体激光干涉术、机械式光学相位调制与振动探测补偿技术、声光电光高频调制与振动探测补偿技术。但是上述技术要么光学调整困难不易控制，要么结构复杂造价高昂，不利于工程化。一般地，移相干涉仪的主动抗振技术应该具备这样的功能：干涉测量系统对振动造成的波前相位变化进行实时探测并快速反馈补偿，使干涉图样稳定，从根本上消除振动的影响；与此同时还能按要求进行准确的移相，系统处于闭环工作状态。
三、发明内容
本实用新型的目的在于提供一种直流光强主动抗振移相干涉仪，这种干涉仪能够对环境振动所造成的光波波前相位的变化进行实时反馈补偿，可以获得稳定的干涉图样，与此同时还能进行移相测量。
本实用新型的技术解决方案为：一种直流光强主动抗振移相干涉仪，包括激光器、扩束系统、第一分光器、第二分光器、第三分光器、标准参考镜、测试件、聚焦对点系统、CMOS电子摄像头、变焦变倍成像系统、成象CCD，激光器发出的窄细激光束经扩束系统成为有一定口径的平行光束，平行光束进入第一分光器，一部分直透至测试件，一部分反射至标准参考镜，从测试件返回的光束被第一分光器反射，从标准参考镜返回的光束透过第一分光器，这两束光相互干涉形成干涉场，其特征在于：在第一分光器干涉场出射方向上设置第二分光器，第二分光器将干涉场分成两部分，一部分被单点光电探测器接收，另一部分进入成像系统；光电探测器设置于涉场中任意一点，其光敏面正对干涉场；光电探测器与反馈信号发生器、反馈信号发生器与PZT控制器、PZT控制器与PZT移相器均用导线相连接；PZT移相器与标准参考镜连接；进入成像系统的干涉场被第三分光器分成两部分，一部分进入由聚焦对点系统和CMOS电子摄像头组成的对点成象系统，另一部分进入由变焦变倍成象系统和成象CCD组成的干涉图成象系统；计算机与成象CCD、CMOS摄像头、反馈信号发生器用导线相连。
本实用新型的主体是一个Twyman-Green型干涉仪，进入振动探测系统的干涉场由单点光电探测器接收，光电探测器将干涉场中任意一点的光强信号转换为电流信号，经直流放大和A/D转换后进入数字信号处理器(DSP，可采用美国TI公司的高速DSP芯片：TMS320C5402)。由于干涉场中探测点的光强信号与该点光波波前的相位紧密联系在一起，如果存在外界环境振动，则干涉场的光强发生变化(现象是干涉条纹出现抖动)，于是由DSP得到光波波前相位的变化。如果波前相位偏离预设值，则DSP根据相位偏离量由补偿算法得到反馈量，此反馈量经D/A转换后输入到PZT控制器，控制PZT移相器对光波波前相位进行实时校正，从而可以得到稳定的光波波前，干涉条纹被准确锁定(即抗振)，改变相位的预设值就可以实现干涉仪的移相功能。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：本实用新型用单个光电探测器探测干涉场，根据探测点直流光强的变化，用DSP测出环境振动所导致的光波波前相位的变化，并由波前相位预设值和补偿算法计算出反馈量，反馈量输入PZT控制器，控制PZT移相器对光波波前相位进行实时反馈补偿，可获得稳定的干涉图样；同时，改变波前相位预设值可实现移相测量，仪器处于闭环工作状态。本实用新型只需对传统型移相干涉仪作简单的改造就可获得良好的抗振和移相效果。
四、附图说明
附图是本实用新型的直流光强主动抗振移相干涉仪的结构示意图。
五、具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的结构和工作原理。
本实用新型的主体是一个Twyman-Green型干涉仪，它由激光器1、扩束系统2、第一分光器3、第二分光器17、第三分光器14、标准参考镜4、测试件6、聚焦对点系统13、CMOS电子摄像头12、变焦变倍成像系统15、成象CCD16等部分组成。激光器1可采用输出稳定的稳频激光器，激光器1发出的窄细激光束经扩束系统2成为有一定口径的平行光束；平行光束进入第一分光器3，一部分直透至测试件6，一部分反射至标准参考镜4；从测试件6返回的光束被第一分光器3反射，从标准参考镜4返回的光束透过第一分光器3，这两束光相互干涉形成干涉场。第二分光器17将干涉场分成两部分，一部分进入振动探测系统，由单点光电探测器11接收；另一部分进入成像系统。进入成象系统的干涉场被第三分光器14分成两部分，一部分进入对点成象系统，它由聚焦对点系统13和CMOS电子摄像头12组成，通过对点系统可以方便光路调整，快速获得干涉图样；另一部分进入干涉图成象系统，由变焦变倍成象系统15和成象CCD16组成，通过成象CCD16可得到干涉图的电子图像。
本实用新型用PZT移相器5推动标准参考镜4改变光波波前相位，PZT移相器的机械结构经过了特殊的设计，其机械响应速度快且运动平滑，平行度好，能满足光学移相和振动反馈补偿的双重要求，它由PZT控制器7进行驱动。PZT控制器7的工作点由直流电平控制器8或反馈信号发生器9提供。反馈信号发生器9由光电转换与直流放大电路、A/D、数字信号处理器DSP、D/A等部分组成。单点光电探测器11的光敏面正对干涉场，它接收干涉场中任意一点的光强信号并将其转换为电流信号，经直流放大和A/D转换后进入数字信号处理器DSP，由DSP对数字化的光强信号进行处理，处理结果经D/A转换后输入PZT控制器7，由PZT移相器5推动标准参考镜4控制光波波前相位。由于干涉场中测量点的光强信号与该点光波波前的相位紧密联系在一起，如果存在外界环境振动，则干涉场的光强发生变化(现象是干涉条纹出现抖动)，于是由DSP得到光波波前相位的变化。如果波前相位偏离预设值，DSP根据相位偏离量由补偿算法得到反馈量，此反馈量控制PZT移相器5对光波波前相位进行实时校正，从而可以得到稳定的光波波前，干涉条纹被准确锁定在预设相位(即抗振)，改变相位的预设值就可以实现干涉仪的移相功能。由于光波波前相位由干涉场任意一点的光强直接得到，不同的光强对应不同的相位(亦即实现移相)，因此干涉仪不必对PZT移相器5进行电压-位移标定和校正，简化了PZT移相器5在使用前的标定过程。
计算机10内部包含高速图像采集卡，它与成象CCD16、CMOS电子摄像头12用导线相连，用于采集干涉图样和监视干涉调整过程，图像由计算机显示器实时显示。此外，计算机10还通过RS232串口与反馈信号发生器9内部的DSP处理器进行通讯，以送出移相指令和抗振指令。计算机10根据所采集的稳定的移相干涉图计算出测试件6的数值表征量，如PV值、RMS值等。
Claims (4)
1、一种直流光强主动抗振移相干涉仪，包括激光器[1]、扩束系统[2]、第一分光器[3]、第二分光器[17]、第三分光器[14]、标准参考镜[4]、测试件[6]、聚焦对点系统[13]、CMOS电子摄像头[12]、变焦变倍成像系统[15]、成象CCD[16]，激光器[1]发出的窄细激光束经扩束系统[2]成为有一定口径的平行光束，平行光束进入第一分光器[3]，一部分直透至测试件[6]，一部分反射至标准参考镜[4]，从测试件[6]返回的光束被第一分光器[3]反射，从标准参考镜[4]返回的光束透过第一分光器[3]，这两束光相互干涉形成干涉场，其特征在于：在第一分光器[3]的干涉场出射方向上设置第二分光器[17]，第二分光器[17]将干涉场分成两部分，一部分被单点光电探测器[11]接收，另一部分进入成像系统；光电探测器[11]设置于涉场中任意一点，其光敏面正对干涉场；光电探测器[11]与反馈信号发生器[9]、反馈信号发生器[9]与PZT控制器[7]、PZT控制器[7]与PZT移相器[5]均用导线相连接；PZT移相器[5]与标准参考镜[4]连接；进入成像系统的干涉场被第三分光器[14]分成两部分，一部分进入由聚焦对点系统[13]和CMOS电子摄像头[12]组成的对点成象系统，另一部分进入由变焦变倍成象系统[15]和成象CCD[16]组成的干涉图成象系统；计算机[10]与成象CCD[16]、CMOS摄像头[12]、反馈信号发生器[9]用导线相连。
2、根据权利要求1所述的直流光强主动抗振移相干涉仪，其特征在于：PZT控制器[7]的工作点由直流电平控制器[8]或由反馈信号发生器[9]提供。
3、根据权利要求1所述的直流光强主动抗振移相干涉仪，其特征在于：采用机械响应速度快、平行度好且运动平滑的PZT移相器[5]。
4、根据权利要求1所述的直流光强主动抗振移相干涉仪，其特征在于：PZT移相器[5]与标准参考镜[4]机械连接。
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