专利名称：新型电子散斑干涉仪的制作方法
技术领域：
该实用新型属于干涉测量仪器类，适用于位移场、变形场和振动场的测量，以及材料、构件的无损检测。
电子散斑干涉仪(Electronic Speckle Pattern Interferome-try，简称ESPI)是国际上近年出现的新型干涉测量仪器，该仪器利用微机数字图象系统来自动、实时处理由激光干涉仪获得的干涉图。干涉图由电荷藕合器件(CCD)记录。目前各公司生产的电子散斑干涉仪，照射被测物体的照明光束(物光)的孔径角调节方式有以下两种(一)不可变孔径角；(二)换用不同规格的发射物镜实现分级改变孔径角。为了补偿物距的变化引起的物光光程的变化，这些产品采用量类方法来改变参考光的光程(一)在参考光路中换用不同长短的单模保偏振光纤进行补偿；(二)在参考光路中采用多对棱镜，一次折返的物光光程补偿系统，改变棱镜的间距进行补偿(参见图1，其中标号1为一次折返的补偿棱镜)。前一方法只能分段进行补偿，且单模保偏振光纤价格较高，换光纤后一般还要进行重新调节，带来不便，后一方法虽能连续补偿，但补偿的范围有限，零件数较多，加工成本费高。随着棱镜对数的增加，调节越来越困难，占用的空间也越来越大。
该实用新型电子散斑干涉仪是为了克服上述产品在照明光束孔径角的调节及物光光程的补偿两方面的缺点而设计的，具有连续、大幅度地调节照明光束孔径角及连续、大范围补偿物光光程的特点，可称作照明光孔径角连续可调、物光光程连续补偿的新型电子散斑干涉仪。
该实用新型的设计方案及技术特征如下本仪器光学系统见图2。由He－Ne激光器或带准直的半导体激光器辐射的细激光束通过入射窗20射入仪器后，首先经分光镜22分成物光和参考光。其中物光经过负透镜2和正透镜3构成的倒置望远镜进行预扩束，然后经过负透镜4和正透镜5构成的连续调节扩束部件，形成发散光束，经固定反光镜6和方位可调反光镜7、出射窗8照明被测物体，在物体表面处形成散斑场，再经过连续变焦物镜10、光束合成棱镜9成像在电荷藕合器件(CCD)15的探测面21上，形成像面散斑。从22反射的参考光通过抛光的表面Σ1进入物光光程补偿棱镜19，在19和另一个物光光程补偿棱镜18之间多次折返后射出该补偿棱镜组，并经反光镜17反射、经连续变比中性减光盘16衰减后，通过显微物镜14、空间滤波器13和扩束镜12构成的参考光扩束部件形成平行或发散的参考光束，由反光镜11反射进入光束合成棱镜9与物光汇合，照射电荷藕合器件(CCD)，在21处形成散斑干涉图，被CCD记录并转换成电信号，送入微机数字图像处理系统进行处理。
本仪器的照明光孔径角连续调节功能由预扩束部件和连续调节扩束部件构成。预扩束部件为焦距为f2的双胶合负透镜2及焦距为f3的双胶合正透镜3构成的倒置望远镜，输出准直光束，扩束比(输出激光束光斑尺寸与输入激光束光斑尺寸之比)η＝｜ (f3)/(f2) ｜ (1)连续调节扩束部件由焦距为f4的双胶合负透镜4及焦距为f5的双胶合正透镜5构成。设经预扩束后的激光光斑尺寸为2ω(参见图3)，则经连续调节扩束部件后，出射照明光束孔径角(弧度，下同)2u′=2ω｜ (f4+f5-l)/(f4f5) ｜其中
为零件4的后主平面H′4与零件5的前主平面H5的间距，f4＜0，f5＞0。显然改变
的大小就可以改变孔径角2u′的大小。当
＝
max＝f4＋f5(3)
时，2u′＝0，出射的为准直光束；当
＝0 (4)时，2u′达到极大值2u′＝(2u′)max＝2ω｜ (f4+f5)/(f4f5) ｜ (5)亦即照明光束的孔径角2u′在0和2u′max的范围内通过连续调节。
图4为该功能组件的结构示意图。预扩束部件的两个透镜2、3装在同一镜筒中，构成倒置望远镜。连续调节扩束部件的透镜4与5的间隔
通过手轮23以大导程螺纹方式调节。导向钉24保证透镜2、3及4沿轴向移动，从而平稳而连续地调节出射光束的孔径角。
本仪器的物光光程连续补偿器由一对DⅡ－180类45°直角反射棱镜18、19构成，参见图5。在19的上端有一个抛光的输入端面Σ1，在端面Σ1、Σ2和Σ3上镀有对激光波长高度增透的介质膜层。
光斑尺寸为2ω的激光束垂直居中射入Σ1，透过19后，由Σ3导入18，由于18和19相对平行放置，而它们的对称轴线沿光线入射的正交方向错开一个间距δ，从而激光在Σ4、Σ5、Σ6、Σ7面上发生全反射，多次折返于18、19之间，最后从19的端面Σ2射出。
两个棱镜的间距t以及相互错开的距离δ均可连续调节，从而激光在这一对棱镜中的光程连续可调。
设在棱镜间共k个光束，则k＝2［ (d)/(4δ) ］ (6)式中d为棱镜宽度，［ ］示取整运算。显然2δ的极小值2δmin＝ (ε＋2ω)/2 (7)其中ε是Σ1面的宽度，2ω为棱镜中激光束的光斑尺寸的平均值。从而k的极大值
kmax＝2［ (d)/(ε＋2ω) ］ (8)激光束从Σ1面射入本部件到最后从Σ2面射出部件的总光程L＝kt＋knd＋ 1/2 n(d－ε) (9)其中n为棱镜的折射率。当k＝2，t＝tmin时，L取极小值L＝Lmax＝2tmax＋2nd＋ 1/2 n(d－ε) (10)当k＝kmax，t＝tmax时L取极大值L＝Lmax＝kmaxtmax＋kmaxnd＋ 1/2 n(d－ε) (11)因而光程补偿范围ΔL＝Lmax－Lmin(12)该部件的结构由图6所示，通过手轮33旋转丝杠34，在x方向拖动棱镜19，并带动位于31端面的指标线，在透明长尺30上显示出棱镜间的相对间距t的值。通过手轮32及伞齿轮对35，转动丝杠25，沿y方向带动棱镜18，并通过弦线28及转向轮29带动指标线27，在透明短尺26上显示棱镜沿y方向的错位量δ的值。
根据上述方案制成的电子散斑干涉仪，不仅具备现有电子散斑干涉仪的全部功能，而且不必更换物镜，就可以在一个足够大的范围内连续调节照明光束的孔径角，以适应于不同尺寸的被测物体；不必采用附加光纤，就可以在大范围内连续补偿物光光程，以适应位于仪器前不同物距的物体的测量。采用这一设计方案，在充分利用激光功率的前提下可使不同尺寸的被测物体表面获得比较均匀的照明，且能在一个大范围内使参考光程完全补偿物光光程，以获得高反差的干涉图。该仪器调节方便，结构紧凑，性能稳定，而且成本较低。
本实用新型的实施例见图2－6。预扩束及连续调节扩束部件的实际参数为f2＝－10mm，f3＝50mm，f4＝－10mm，f5＝50mm。若输入光束的光斑尺寸为1mm，则预扩束部件输出的激光束光斑尺寸为2ω＝5mm。代入(5)式，最大照明光束孔径角(2u′)max＝0.4弧度，相当于23°。对于一个物距为1000mm的物体，照明光斑直径约405mm。补偿棱镜宽度d＝100mm，ε＝8mm，两个棱镜的间隔的极限尺寸tmin＝3mm，tmax＝100mm。代入(8)式，kmax＝16；代入(10)～(12)式，得到Lmin＝377mm，Lmax＝4085mm，(ΔL)max＝3708mm。最大照明光束孔镜角(2u′)max和最大光程补偿范围(ΔL)max已能满足绝大部分使用要求。
图1多对棱镜物光光程补偿系统1一次折返补偿棱镜图2光学系统总图2预扩束部件负透镜3预扩束部件正透镜4连续调节扩束部件负透镜5连续调节扩束部件正透镜6固定反光镜7方位可调反光镜8输出窗9光束合成棱镜10连续变焦物镜11反光镜12扩束镜13空间滤波器14显微物镜15电荷藕合器件(CCD)
16连续变比中性减光盘17反光镜18物光光程补偿棱镜19物光光程补偿棱镜20输入窗21电荷藕合器件探测面22分光镜Σ0被测物体表面Σ1补偿棱镜输入端面图3预扩束及连续调节扩束部件光学系统图H′4透镜4后主平面H5透镜5前主平面图4预扩束及连续调节扩束部件结构图23手轮24导向钉图5物光光程连续补偿部件光学系统图Σ2、Σ3透射端面Σ4、Σ5、Σ6、Σ7全反射表面图6物光光程连续补偿部件结构图25丝杠26透明短尺27指标线28弦线29转向轮30透明长尺31指标线32手轮33手轮
权利要求1.具有激光器、照明光(物光)系统、参考光系统、电荷藕合器件(CCD)及图像处理系统结构的新型电子散斑干涉仪，其特征是激光器是一种能辐射出细激光束的半导体激光器，在此激光器的前方设有能产生物光和参考光的入射窗(20)和分光镜(22)，在分光后的物光光路上设有一个预扩束部件和能够连续调节发散光束的扩束部件，在分光后的参考光光路上设有一个抛光的表面∑1和棱镜(18)及(19)连续补偿部件。
2.按照权利要求1所述的新型电子散斑干涉仪，其特征在于a.预扩束部件是一个倒置的望远镜系统；b.连续调节扩束部件是由两个焦距不同的双胶合的正、负透镜组成，调节它们的间距就可以获得不同的照明光束孔径角；c.设置一套大导程的螺纹系统，以螺纹方式调节，使透镜2、3、4沿轴向平稳移动，以达调节出射光束的孔径角。
3.按照权利要求1所述的新型电子散斑干涉仪，其特征在于物光光程的连续补偿部件是由在垂直于光轴方向互相错开的一对DⅡ－180类45°直角反射的物光光程补偿棱镜18、19构成，参考光通过抛光的表面Σ1进入补偿棱镜18与19之间经多次折返后射出该补偿棱镜组，这对补偿棱镜的间距及错开的距离是通过两套机械结构加以调节，并有指示a.间隔的调节，由一个螺距为1mm的精密丝杠、丝杠母及钢丝滚珠导轨实现，并带有指示线指示间隔的数值；b.错位的调节由一个螺距为0.5mm的精密丝杠及燕尾导轨实现，并带有指示线指示错位的数值。
专利摘要该新型电子散斑干涉仪，具有连续、大幅度地调节照明光束孔径角及连续、大范围地补偿物光光程的功能，能适应于位于不同距离、具有不同尺寸的被测物体，光功率的利用率高，照明均匀，物光光程获得完全的补偿，干涉图反差高，调节方便，结构紧凑，性能稳定。适用于物体位移场、变形场和振动场的测量以及材料、构件的无损检测。
文档编号G01B9/02GK2151436SQ92239009
公开日1993年12月29日 申请日期1992年11月2日 优先权日1992年11月2日
发明者宋菲君, 俞蕾, 于国明, 冀平 申请人:中国大恒公司