十字交叉立体分光器的光强计算方法与流程

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体地说是一种十字交叉立体分光器的光强计算方法。

背景技术：

早期，与超声、射线、磁学等检测方法相比，利用光学特性进行光学检测的应用并不广泛，然而，伴随着计算机、图像处理和纤维光学等新技术的发展，光学检测方法的实用性获得了一定的发展。

激光技术的发展进一步推动了光学检测方法的发展，并在无损领域中取得了较大的成果。目前基于光学特性的检测方法主要有全息干涉法、散斑干涉法等。

1970年Leendertz建立了散斑干涉的基本原理，首次提出散斑相关干涉术(SPC)；1984年，Creath正式提出电子散斑干涉技术并将其作为一种新技术加以推广；散斑干涉法测量面内变形时，需要两束入射光以相等的角度入射到待测物表面，但现有实验装置中，分光光学零件是零散分布，如天津光学仪器厂WSG-1型电子散斑干涉装置，很难保证两束光的入射角度和光强的相等，这样得到的干涉图样效果很差。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所存在的不足，提出一种十字交叉立体分光器的光强计算方法，以期能实现一路光输入分成十字交叉立体式且各支路光强分布可调的五路光输出，满足多光束光学检测或测量系统对于测量光的需求，从而提高检测或测量系统的精度。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案为：

本发明一种十字交叉立体分光器的光强计算方法的特点是：所述十字交叉立体分光器由外壳、顶压螺丝组以及设置在所述外壳内的内部光路结构成；

所述外壳是由底板、盖板和矩形侧壁构成的腔体，所述盖板表面开设有顶部输入孔，所述底板和侧壁各开设有一个输出端孔，分别为：底部输出孔、左侧输出孔、右侧输出孔、前侧输出孔、后侧输出孔；在侧壁的左侧壁和右侧壁上各开设有四个顶压螺纹孔；

所述内部光路结构，是由4个正方体分光棱镜、11个等腰直角反射棱镜、11个等腰直角支撑块以及1个第一四方体棱镜支撑块组成底层和上层的双层结构；所述等腰直角反射棱镜的斜面上镀有反射膜；所述正方体分光棱镜的边长与所述等腰直角反射棱镜的直角边长及其高相等；所述11个等腰直角支撑块的尺寸与所述11个等腰直角反射棱镜的尺寸相同；所述1个四方体棱镜支撑块的尺寸与所述正方体分光棱镜的尺寸相同；

所述4个正方体分光棱镜包括：第一正方体分光棱镜、第二正方体分光棱镜、第三正方体分光棱镜和第四正方体分光棱镜；

所述11个等腰直角反射棱镜包括：第一等腰直角反射棱镜、第二等腰直角反射棱镜、第三等腰直角反射棱镜、第四等腰直角反射棱镜、第五等腰直角反射棱镜、第六等腰直角反射棱镜、第七等腰直角反射棱镜、第八等腰直角反射棱镜、第九等腰直角反射棱镜、第十等腰直角反射棱镜、第十一等腰直角反射棱镜；

所述内部光路结构的底层结构为：所述第二正方体分光棱镜位于所述底部输出孔的正上方；所述第一四方体棱镜支撑块贴合在所述第二正方体分光棱镜的正右方，并正对于所述前侧输出孔；所述第三正方体分光棱镜贴合在所述第二正方体分光棱镜的正后方；在所述第一四方体棱镜支撑块的正后方和第三正方体分光棱镜的正右方之间贴合设置有所述第一等腰直角反射棱镜；且所述第一等腰直角反射棱镜的两个直角面分别贴合在所述第一四方体棱镜支撑块的正后方和第三正方体分光棱镜的正右方上；在所述第三正方体分光棱镜的正后方贴合设置有所述第二等腰直角反射棱镜；且所述第二等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合所述第三正方体分光棱镜的正后方，另一个直角面朝向所述矩形侧壁的正右方；在所述第二等腰直角反射棱镜朝向所述矩形侧壁正右方的直角面上贴合设置有所述第三等腰直角反射棱镜，且所述第三等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合所述第二等腰直角反射棱镜的直角面，另一个直角面朝向所述矩形侧壁的正后方；在第三正方体分光棱镜的正左方设置有所述第十一等腰直角反射棱镜，且所述第十一等腰直角反射棱镜的一个直角面朝向所述左侧输出孔，另一个直角面朝向正上方；在所述第一等腰直角反射棱镜的正右方设置有所述第六等腰直角反射棱镜，且所述第六等腰直角反射棱镜的直角面朝向所述右侧输出孔，另一个直角面朝向正上方；

所述内部光路结构的上层结构为：所述第一正方体分光棱镜贴合在所述第二正方体分光棱镜的正上方，且位于所述顶部输入孔的正下方；在所述第一正方体分光棱镜的正右方贴合设置有所述第四等腰直角反射棱镜，且所述第四等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合在所述第一正方体分光棱镜的正右方，另一个直角面朝向所述侧壁的正后方；在所述第四等腰直角反射棱镜朝向所述侧壁正后方的直角面上贴合设置有所述第四正方体分光棱镜；在所述第四正方体分光棱镜正右方贴合设置有所述第五等腰直角反射棱镜，且所述第五等腰直角反射棱镜的两个直角面分别贴合所述第四正方体分光棱镜正右方和所述第六等腰直角反射棱镜朝向正上方的直角面；在所述第四正方体分光棱镜的正后方贴合设置有所述第七等腰直角反射棱镜，且所述第七等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合所述第四正方体分光棱镜的正后方，另一个直角面朝向所述矩形侧壁的正左方；在所述第七等腰直角反射棱镜朝向所述矩形侧壁正左方的直角面上贴合设置有所述第八等腰直角反射棱镜，且所述第八等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合所述第七等腰直角反射棱镜朝向所述侧壁正左方的直角面，另一个直角面朝向所述矩形侧壁的正前方；在所述第八等腰直角反射棱镜朝向所述侧壁正前方的直角面上贴合设置有所述第九等腰直角反射棱镜；且所述第九等腰直角反射棱镜的一个直角面贴合所述第八等腰直角反射棱镜朝向所述矩形侧壁正前方的直角面，另一个直角面朝向所述矩形侧壁的正左方；在所述第九等腰直角反射棱镜朝向所述侧壁正左方的直角面上贴合设置有所述第十等腰直角反射棱镜，且所述第十等腰直角反射棱镜的两个直角面分别贴合在所述第九等腰直角反射棱镜朝向所述侧壁正左方的直角面和所述第十一等腰直角反射棱镜朝向正上方的直角面；

并有：

所述第一正方体分光棱镜的分光面与所述第五等腰直角反射棱镜的斜面相平行；

所述第二正方体分光棱镜的分光面和所述第一四方体棱镜支撑块的正左方相垂直，且所述第二正方体分光棱镜分光面的法线方向与正后方及正上方成45度夹角；

所述第三正方体分光棱镜的分光面和所述第四正方体分光棱镜的分光面分别与所述第四等腰直角反射棱镜的斜面相平行；

利用所述11个等腰直角支撑块分别填充所述内部光路结构的外表面，使得所述内部光路结构的底层结构和上层结构分别为对称的8个立方体结构；

所述光强计算方法是按如下步骤进行：

假设所述第一正方体分光棱镜的透射量和反射量之比为a₁:a₂；所述第四正方体分光棱镜的透射量和反射量之比为b₁:b₂；所述第二正方体分光棱镜的透射量和反射量之比为c₁:c₂；所述第三正方体分光棱镜的透射量和反射量之比为d₁:d₂；假设所述输入光强为I₀；则利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)分别获得底部输出孔的输出光强I₁、左侧输出孔的输出光强I₂、右侧输出孔的输出光强I₃、前侧输出孔的输出光强I₄和后侧输出孔的输出光强I₅：

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明分光器能实现一路光输入能够分成十字交叉立体式的五路光输出，其中四路是在同一平面内各方向的输出，保证了光路很好的对称性，可以大大减小光学检测或测量系统中由光路的不对称性造成的测量误差，还可以通过选取不同反射量和透射量比值的正方体分光棱镜，得到所需的光强分布；从而解决了现有技术分光系统光路的不对称性、光强分配调整困难、占用空间大、使用寿命短、成本高等问题。

2、本发明分光器采用的双层立体对称式结构，具有高度的集成性，结构紧凑，体积小，便于安装和集成在被测环境中；由于光学器件采用的都是标准件，所以成本很低。

3、本发明分光器是采用螺丝顶压的安装方式，通过顶压螺丝旋入顶压螺纹孔，顶压螺丝一端伸入立体分光器的内腔，并且顶压在棱镜和支撑块上，整个内部光路结构就被固定在分光器腔内，克服了常规胶合固定的安装方式带来调试安装和后期维修困难的问题，从而使得整个分光器拆卸方便，也不会对光学器件产生破坏。

4、本发明分光器具有很强的灵活性，可以根据检测或测量系统的需要，对光路结构作简单的调整，可以实现水平面上四路输出光强均匀，从而提高了检测或测量系统的精度，可有效地用于物体的三维光学显微散斑变形与应变测量、多光束的无损检测等。

附图说明

图1是本发明十字交叉立体分光器的结构爆炸图；

图2是本发明十字交叉立体分光器的结构外形示意图；

图3是本发明十字交叉立体分光器的分光光路原理图；

图4是本发明十字交叉立体分光器的棱镜布局上下两层剖视图；

图5是本发明十字交叉立体分光器的实现水平面上各光路光强均匀分布的结构爆炸图；

图6是本发明十字交叉立体分光器的实现水平面上各光路光强均匀分布的分光光路原理图；

图7是本发明十字交叉立体分光器的实现水平面上各路光强均匀分布棱镜布局的上下两层剖视图；

图中标号：I盖板；II棱镜组；III矩形侧壁；IV顶压螺丝组；V底板；1第五正方体分光棱镜；2第一正方体分光棱镜；3第四等腰直角反射棱镜；4第四正方体分光棱镜；5第五等腰直角反射棱镜；6第六等腰直角反射棱镜；7第七等腰直角反射棱镜；8第八等腰直角反射棱镜；9第九等腰直角反射棱镜；10第十等腰直角反射棱镜；11第十一等腰直角反射棱镜；12第二正方体分光棱镜；13第三正方体分光棱镜；14第一等腰直角反射棱镜；15第二等腰直角反射棱镜；16第三等腰直角反射棱镜；17第一四方体棱镜支撑块；18第十二等腰直角反射棱镜；19第二四方体棱镜支撑块；A1顶部输入孔；A2底部输孔；B1右侧输出孔；B2左侧输出孔；C1前侧输出孔；C2后侧输出孔。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例中，一种十字交叉立体分光器是由外壳、顶压螺丝以及设置在外壳内的内部光路结构成；

外壳是由盖板I、矩形侧壁III和底板V构成的腔体，如图1所示，盖板I表面开设有顶部输入孔A1，底板V开设有底部输出孔A2，矩形侧壁III各开设有一个输出端孔，分别开设四个输出端孔，分别为：左侧输出孔B2、右侧输出孔B1、前侧输出孔C1、后侧输出孔C2；在侧壁III的左侧壁和右侧壁上各开设有四个顶压螺纹孔；

内部光路结构，是由4个正方体分光棱镜、11个等腰直角反射棱镜、11个等腰直角支撑块以及1个第一正方体支撑块17组成底层和上层的双层结构，结构紧凑且便于固定；正方体分光棱镜的边长与等腰直角反射棱镜的直角边长及其高相等；等腰直角反射棱镜的斜面上镀有反射膜；11个等腰直角支撑块的尺寸与11个等腰直角反射棱镜的尺寸相同；1个正方体支撑块的尺寸与正方体分光棱镜的尺寸相同；

4个正方体分光棱镜包括：第一正方体分光棱镜2、第二正方体分光棱镜12、第三正方体分光棱镜13和第四正方体分光棱镜4；

11个等腰直角反射棱镜包括：第一等腰直角反射棱镜14、第二等腰直角反射棱镜15、第三等腰直角反射棱镜16、第四等腰直角反射棱镜3、第五等腰直角反射棱镜5、第六等腰直角反射棱镜6、第七等腰直角反射棱镜7、第八等腰直角反射棱镜8、第九等腰直角反射棱镜9、第十等腰直角反射棱镜10、第十一等腰直角反射棱镜11；

如图4所示，以平行于下表面且距离下表面二分之一个正方体分光棱镜边长单位长度的平面为剖面生成的下层剖视图，内部光路结构的底层结构为：第二正方体分光棱镜12位于底部输出孔A2的正上方；第一正方体支撑块17贴合在第二正方体分光棱镜12的正右方，并正对于前侧输出孔C1；第三正方体分光棱镜13贴合在第二正方体分光棱镜12的正后方；在第一正方体支撑块17的正后方和第三正方体分光棱镜13的正右方之间贴合设置有第一等腰直角反射棱镜14；且第一等腰直角反射棱镜14的两个直角面分别贴合在第一正方体支撑块17的正后方和第三正方体分光棱镜13的正右方上；在第三正方体分光棱镜13的正后方贴合设置有第二等腰直角反射棱镜15；且第二等腰直角反射棱镜15的一个直角面贴合第三正方体分光棱镜13的正后方，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正右方；在第二等腰直角反射棱镜15朝向矩形侧壁III正右方的直角面上贴合设置有第三等腰直角反射棱镜16，且第三等腰直角反射棱镜16的一个直角面贴合第二等腰直角反射棱镜15的直角面，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正后方；在第三正方体分光棱镜13的正左方设置有第十一等腰直角反射棱镜11，且第十一等腰直角反射棱镜11的一个直角面朝向左侧输出孔B2，另一个直角面朝向正上方；在第一等腰直角反射棱镜14的正右方设置有第六等腰直角反射棱镜6，且第六等腰直角反射棱镜6的直角面朝向右侧输出孔B1，另一个直角面朝向正上方；

如图4所示，以平行于上表面且距离上表面二分之一个正方体分光棱镜边长单位长度的平面为剖面生成的上层剖视图，内部光路结构的上层结构为：第一正方体分光棱镜2贴合在第二正方体分光棱镜12的正上方，且位于顶部输入孔A1的正下方；在第一正方体分光棱镜2的正右方贴合设置有第四等腰直角反射棱镜3，且第四等腰直角反射棱镜3的一个直角面贴合在第一正方体分光棱镜2的正右方，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正后方；在第四等腰直角反射棱镜3朝向矩形侧壁III正后方的直角面上贴合设置有第四正方体分光棱镜4；在第四正方体分光棱镜4正右方贴合设置有第五等腰直角反射棱镜5，且第五等腰直角反射棱镜5的两个直角面分别贴合第四正方体分光棱镜4正右方和第六等腰直角反射棱镜6朝向正上方的直角面；在第四正方体分光棱镜4的正后方贴合设置有第七等腰直角反射棱镜7，且第七等腰直角反射棱镜7的一个直角面贴合第四正方体分光棱镜4的正后方，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正左方；在第七等腰直角反射棱镜7朝向矩形侧壁III正左方的直角面上贴合设置有第八等腰直角反射棱镜8，且第八等腰直角反射棱镜8的一个直角面贴合第七等腰直角反射棱镜7朝向矩形侧壁III正左方的直角面，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正前方；在第八等腰直角反射棱镜8朝向矩形侧壁III正前方的直角面上贴合设置有第九等腰直角反射棱镜9；且第九等腰直角反射棱镜9的一个直角面贴合第八等腰直角反射棱镜8朝向矩形侧壁III正前方的直角面，另一个直角面朝向矩形侧壁III的正左方；在第九等腰直角反射棱镜9朝向矩形侧壁III正左方的直角面上贴合设置有第十等腰直角反射棱镜10，且第十等腰直角反射棱镜10的两个直角面分别贴合在第九等腰直角反射棱镜9朝向矩形侧壁III正左方的直角面和第十一等腰直角反射棱镜11朝向正上方的直角面；

并有：

第一正方体分光棱镜2的分光面与第五等腰直角反射棱镜5的斜面相平行；

第二正方体分光棱镜12的分光面和第一正方体支撑块17的正左方相垂直，且第二正方体分光棱镜12分光面的法线方向与正后方及正上方成45度夹角；

第三正方体分光棱镜13的分光面和第四正方体分光棱镜4的分光面分别与第四等腰直角反射棱镜3的斜面相平行；

利用11个等腰直角支撑块分别填充内部光路结构的外表面，与11个等腰直角反射棱镜配对组成11小立方体，使得内部光路结构的底层结构和上层结构分别为对称的8个立方体结构，这种对称性的光路设计可以在水平面上形成十字交叉式的五路输出光，结构紧凑，安装、调试和固定都很方便；

传统的光路部分都是通过胶合的方式固定的，无法实现后期的光路调整和维修，而本发明所采用的特殊的螺丝顶压的安装方式，先将底板V和矩形侧壁III安装固定在一起，形成一个腔体，再将上述棱镜组按照一定的排列自由垒叠并放于腔体中，之后安装固定盖板I，通过顶压螺丝组IV抵于顶压螺纹孔中，利用顶压螺丝组IV顶压棱镜组II，盖板I、底板V、矩形侧壁III和棱镜组之间的相互挤压使得内部光路结构固定在外壳腔体内，各棱镜间无需胶合，当分光器需要调整光路以及后期的维修时，只需要旋动顶压螺丝即可进行光路前期调整和后期维修，非常方便，更不会破坏各棱镜；

如图3所示，分光器是按如下过程进行一路输入和五路输出的分光处理：

分光器功能是通过分光棱镜的分光和直角反射棱镜的反射来实现的，入射光从顶部输入孔A1进入分光器，经过第一正方体分光棱镜2的分光面，使得入射光被分成两路光束，包括第一反射光束和第一透射光束，第一反射光束和第一透射光束的光强是由第一正方体分光棱镜2的反射量和透射量的比值决定的；

第一反射光束经过第四等腰直角反射棱镜3的反射后，进入第四正方体分光棱镜4的分光面，使得第一反射光束被分成两路光束，包括第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束和第二透射光束的光强是由第四正方体分光棱镜4的反射量和透射量的比值决定的；

第二反射光束依次经过第五等腰直角反射棱镜5和第六等腰直角反射棱镜6的反射后从右侧输出孔B1输出，形成第一路输出光；

第二透射光束依次经过第七等腰直角反射棱镜7、第八等腰直角反射棱镜8、第九等腰直角反射棱镜9、第十等腰直角反射棱镜10和第十一等腰直角反射棱镜11的反射后从左侧输出孔B2输出，形成第二路输出光；

第一透射光束进入第二正方体分光棱镜12的分光面，使得第一透射光束被分成两路光束，包括第三反射光束和第三透射光束，第三反射光束和第三透射光束的光强是由第二正方体分光棱镜12的反射量和透射量的比值决定的；

第三透射光束从底部输出孔A2输出，形成第三路输出光；

第三反射光束进入第三正方体分光棱镜13的分光面，使得第三反射光束被分成两路光束，包括第四反射光束和第四透射光束；

第四反射光束依次经过第一等腰直角反射棱镜14的反射和第一正方体支撑块17的透射后从前侧输出孔C1输出，形成第四路输出光；

第四透射光束依次经过第二等腰直角反射棱镜15和第三等腰直角反射棱镜16的反射后从后侧输出孔C2输出，形成第五路输出光，这样一路输入光就实现了对称的十字交叉立体五路输出光。

本实施例中，十字交叉立体分光器的各输出端光强计算按如下过程进行：

假设第一正方体分光棱镜2的透射量和反射量之比为a₁:a₂；第四正方体分光棱镜4的透射量和反射量之比为b₁:b₂；第二正方体分光棱镜12的透射量和反射量之比为c₁:c₂；第三正方体分光棱镜13的透射量和反射量之比为d₁:d₂；假设输入光强为I₀；则利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)分别获得底部输出孔A2的输出光强I₁、左侧输出孔B2的输出光强I₂、右侧输出孔B1的输出光强I₃、前侧输出孔C1的输出光强I₄和后侧输出孔C2的输出光强I₅：

根据不同的输出光强需求，利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)，进行逆向计算，选取合适的分光棱镜，这样可以得到所需的输出光强分布。

有些光学检测装置中需要四路光强相同的测量光束，基于图4所示的棱镜布局作适当调整，可以实现水平面上四路输出光光强均匀，如图5、图6所示，并按如下步骤进行：

步骤1、设置一个由第十二等腰直角反射棱镜18和一个等腰直角支撑块构成的立方体结构以及第二四方体棱镜支撑块19；

步骤2、将由第十二等腰直角反射棱镜18和一个等腰直角支撑块构成的立方体结构替换第二正方体分光棱镜12的位置，并使得第十二等腰直角反射棱镜18的一个直角面贴合第一正方体分光棱镜2的正下方，另一个直角面贴合第三正方体分光棱镜13的正前方；

步骤3、在第一正方体分光棱镜2的正左方贴合设置有第五正方体分光棱镜1，且第一正方体分光棱镜2的分光面与第五等腰直角反射棱镜5的斜面相平行；

步骤4、在第五正方体分光棱镜1的正下方贴合设置有第二四方体棱镜支撑块19；且第五正方体分光棱镜1的分光面与第五等腰直角反射棱镜5的斜面相平行；

步骤5、第一正方体分光棱镜2、第四正方体分光棱镜4和第三正方体分光棱镜13全部选用透射量和反射量之比均为50：50的正方体分光棱镜，从而使得侧壁III上的四个输出孔的输出光强相同；

图7是分别以平行于上表面且距离上表面二分之一个正方体分光棱镜边长单位长度的平面和以平行于下表面且距离上表面二分之一个正方体分光棱镜边长单位长度的平面为剖面生成的剖视图。

如图7所示，十字交叉立体分光器的实现水平面上各路光强均匀分布棱镜布局的入射光进入第五正方体分光棱镜1，第三路输出光是经过第二正方体支撑块19出射的，所以相比较图4所示，顶部输入孔A1和底部输出孔A2的开孔位置都要向左平移一个正方体分光棱镜边长单位长度。