專(zhuān)利名稱(chēng)：大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及剪切散斑干涉儀器，尤其涉及一種大角度麥克爾遜式剪切散斑干 涉儀。
背景技術(shù)：
目前，剪切散斑實(shí)現(xiàn)有兩種方式 一種是采用能夠產(chǎn)生剪切效果的剪切元 件作為光學(xué)部件的光路，例如中國(guó)專(zhuān)利ZL20062004933.4所公開(kāi)的"數(shù)字電子 剪切散斑干涉儀"，如圖1所示，其中1是激光器，2是擴(kuò)束鏡，3是全息漫 射片，4是被測(cè)物，5是剪切鏡，6是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平動(dòng)臺(tái)，7是偏振片，81是 ZOOM成像鏡，82是CCD圖像采集系統(tǒng)，9是計(jì)算機(jī)。該光路具有簡(jiǎn)單、調(diào) 節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，但剪切元件成本較高，剪切角度隨剪切元件的設(shè)計(jì)而固定，從 而不能調(diào)節(jié)測(cè)量的靈敏度。另一種是采用麥克爾遜式的對(duì)稱(chēng)光路，例如圖3所 示的Ettemeyer公司的電子剪切散斑干涉儀，其中11是照相機(jī)，12是全反射鏡， 13是分光棱鏡，14是激光器，Wd是測(cè)量距離，15是被測(cè)物。通過(guò)偏轉(zhuǎn)其中一 塊全反射鏡產(chǎn)生剪切效果。該光路設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，但是成本相對(duì)較低， 剪切角度可調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的靈敏度可調(diào)節(jié)。但是其缺點(diǎn)是測(cè)量角度受 棱鏡限制，不能實(shí)現(xiàn)大角度的測(cè)量。
目前的剪切散斑干涉儀均未能擺脫實(shí)驗(yàn)環(huán)境，無(wú)法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。因?yàn)?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求大角度測(cè)量(視場(chǎng)張角大于25度)，被測(cè)物體面積大(大于 500mm2)，距離遠(yuǎn)U000mm以上)。而目前的上述剪切散斑干涉儀測(cè)量的角 度太小，不能測(cè)量大面積的被測(cè)試件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是解決剪切散斑干涉儀不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的問(wèn)題，而提出 一種可應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提出一種大角度麥克爾 遜式剪切散斑干涉儀，包括儀器本體和至少一光源。儀器本體包括分光棱鏡、 按照光路布置的物鏡、場(chǎng)鏡和第一中繼鏡、具有相移機(jī)構(gòu)的第一、第二全反射 鏡、第二中繼鏡以及成像部件。分光棱鏡具有一入射面、 一出射面、 一第一透 射面及一第二透射面，出射面與入射面相鄰。物鏡面對(duì)被測(cè)物，被測(cè)物經(jīng)物鏡 成像后在場(chǎng)鏡會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)第一中繼鏡成平行光入射至分光棱鏡的入射面。第 一全反射鏡相對(duì)分光棱鏡的第一透射面設(shè)置，第二全反射鏡相對(duì)分光棱鏡的第 二透射面設(shè)置，第二中繼鏡，會(huì)聚由分光棱鏡的出射面射出的光，在成像部件 的靶面上成像。上述的至少一光源用以提供被測(cè)物的照明。
在上述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，物鏡可根據(jù)不同的被測(cè)物 更換。
在上述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，物鏡為廣角鏡。
在上述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，成像部件與第二中繼鏡所 會(huì)聚的光之間有一夾角，而儀器本體還包括第三全反射鏡，其反射第二中繼鏡 的會(huì)聚光至成像部件。
在上述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，成像部件與所述第二中繼 鏡所會(huì)聚的光是相互垂直。
在上述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，上述的至少一光源是與儀
器本體分離設(shè)置。其中，干涉儀可包含兩個(gè)光源或者四個(gè)光源，對(duì)稱(chēng)設(shè)于所述 儀器本體周?chē)?br> 本發(fā)明的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀中，通過(guò)對(duì)光路的重新設(shè)計(jì)， 使物鏡、場(chǎng)鏡和中繼鏡的組合可以實(shí)現(xiàn)大角度、大面積和長(zhǎng)距離的測(cè)量，適應(yīng) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā) 明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明，其中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種剪切散斑干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的另一種剪切散斑干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀本體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀光源結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀的光源布置示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀測(cè)量示意圖。
圖7A-7G是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀獲得的測(cè)量圖像。
具體實(shí)施例方式
圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀本體結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D3 所示，該儀器本體100中設(shè)有物鏡101、場(chǎng)鏡(fieldlens)102、第一中繼鏡(relay lens)103、分光棱鏡104、第一全反射鏡105、第二全反射鏡106、第二中繼鏡 107、第三全反射鏡108以及成像部件109。
儀器本體IOO正對(duì)被測(cè)物體120放置，物鏡101、場(chǎng)鏡102、第一中繼鏡 103按照光路布置組成對(duì)被測(cè)物體120的一組成像鏡，其中物鏡101被放置在 被測(cè)物體120正面，被測(cè)物體經(jīng)物鏡101成像并在場(chǎng)鏡102上會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)第 一中繼鏡103成平行光進(jìn)入分光棱鏡104。由于物鏡102放置位置使得其便于 更換，只要選擇相應(yīng)的物鏡(如廣角、標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)焦等)及其配合的場(chǎng)鏡和中繼 鏡就可以實(shí)現(xiàn)成像大小和遠(yuǎn)近的調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，選擇廣角鏡頭的物鏡102 就可以實(shí)現(xiàn)大角度的測(cè)量，方便的實(shí)現(xiàn)了測(cè)量角度的擴(kuò)大。舉例來(lái)說(shuō)，物鏡102 為六倍可變焦的鏡頭。
另外值得一提的是，場(chǎng)鏡102的設(shè)置，減少了漸暈，可使得圖像銳度提高； 而采用中繼鏡，使得光線準(zhǔn)直，減少象差。場(chǎng)鏡及中繼鏡均可采用膠合透鏡， 而不是通常的單片透鏡，也進(jìn)一步提高了成像的質(zhì)量。
為便于描述，將分光棱鏡104的四個(gè)面分別定義為入射面a、出射面b、 第一透射面c、和第二透射面d，其中入射面a與出射面b相鄰。入射面a面對(duì) 第一中繼鏡103所入射的平行光。光線經(jīng)過(guò)分光棱鏡6分成透射光線I和反射 光線II，經(jīng)過(guò)各自的第一全反射鏡105、第二全反射鏡106，反射后再進(jìn)入分光 棱鏡104，然后由出射面b射出后經(jīng)過(guò)第二中繼鏡107會(huì)聚到成像部件109的 耙面成像。
第一全反射鏡105、第二全反射鏡106各自帶有相移機(jī)構(gòu)105a、 106a，第
一全反鏡105、第二全反射鏡106在測(cè)量中可以用計(jì)算機(jī)300 (如圖6)控制自 動(dòng)相移，從而將成像部件109得到的相移圖像采集到計(jì)算機(jī)300中，進(jìn)行運(yùn)算。 成像部件109例如是CCD。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，為縮短儀器X方向的尺寸，使成像部件109與第二 中繼鏡107所會(huì)聚的光之間夾一角度，該角度較佳地為直角(如圖3所示)或 銳角。在保持成像距離不變的條件下，在第二中繼鏡107與成像部件109之間 放置一第三全反射鏡108，以將第二中繼鏡107所會(huì)聚的光反射至成像部件109 的靶面成像。
另外，可以采用更加小型化的光學(xué)及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如分光棱鏡104的尺寸和 各透鏡的尺寸均在03Omm左右，可以進(jìn)一步使體積小型化。在一個(gè)實(shí)施例中， 儀器本體100為100mmX80mmX80mm的緊湊裝置。
在圖1、圖2所示的現(xiàn)有剪切散斑干涉儀中，激光光源都集成在儀器本體 上。這種實(shí)際被證明對(duì)于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用是不利的。因?yàn)楸粶y(cè)物體照明要保證均 勻，可能采用多個(gè)激光器同時(shí)照明，或者需要調(diào)節(jié)激光照射角度等，目前的設(shè) 計(jì)激光在儀器內(nèi)部調(diào)節(jié)極為不便。而且，大功率激光散熱所需的風(fēng)扇等運(yùn)動(dòng)件， 與儀器本體裝配在一體，造成測(cè)量中引入振動(dòng)等影響因素。
為此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用與儀器本體的激光光源，如圖4所示，光 源200包括激光器201、擴(kuò)束鏡202及全息漫射片203。激光器201的激光出 光經(jīng)擴(kuò)束鏡202擴(kuò)束，再經(jīng)全息漫射片203進(jìn)一步使光線均勻。光源200單獨(dú) 設(shè)于儀器本體之外，并可用三角架支撐。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的剪切散斑干涉儀的光源布置。請(qǐng)結(jié)合參照 圖6所示，其中包含采用四個(gè)對(duì)稱(chēng)布置在儀器本體100周?chē)募す夤庠?200a-200d，這種布置既增強(qiáng)了光強(qiáng)，也提高的照明均勻性。并且，分離式的設(shè) 計(jì)也解決了光源散熱，隔振等難題。
在未圖示的另一實(shí)施例中，也可以采用對(duì)稱(chēng)布置于儀器本體周?chē)?個(gè)激 光光源。
圖6示出本發(fā)明用于測(cè)量時(shí)的總裝示意圖，采用激光200a-200d對(duì)稱(chēng)照射， 既增強(qiáng)了光強(qiáng)，也提高的照明均勻性，儀器本體IOO放置在四個(gè)激光光源的中 間位置，儀器本體100的相移器105a、 106a及成像部件109均與計(jì)算機(jī)300
相連，相移由計(jì)算機(jī)300自動(dòng)產(chǎn)生并由成像部件109記錄到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像 處理和計(jì)算。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象是05OOmm的復(fù)合材料，材料由三層組成表層(coat)、中間 粘接層(middle adhesive)、底層(base)。表層和底層之間若粘接不牢就形成 缺陷。施加載荷，內(nèi)部的缺陷會(huì)在試件表面表現(xiàn)，通過(guò)本發(fā)明的剪切干涉儀， 測(cè)量缺陷的位置，并通過(guò)相移技術(shù)精確測(cè)量變形大小。計(jì)算機(jī)300通過(guò)成像部 件109采集圖像并自動(dòng)完成相移。
圖7A-圖7D顯示了缺陷處的反映變形的四幅散斑圖像，可以看出，現(xiàn)場(chǎng) 測(cè)量的圖像穩(wěn)定性得到明顯提高。
通過(guò)位相計(jì)算可以得到圖7E和圖7F所示的位相包裹和解包裹圖，這是求 解位移變形的中間圖。
位相與位移有固定的計(jì)算關(guān)系式，通過(guò)計(jì)算機(jī)300進(jìn)行計(jì)算，可以得到位 移的量值，并可以根據(jù)該量值繪制如圖7G所示的變形曲線，再通過(guò)該曲線可 以獲知任何點(diǎn)的變形情況。
綜上所述，本發(fā)明的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀與現(xiàn)有的剪切散斑干 涉儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 測(cè)量?jī)x器的本體尺寸減小，為100mmX80mmX80mm的緊湊實(shí)驗(yàn)裝置， 而激光光源單獨(dú)于儀器之外。
2、 光路經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。光路中場(chǎng)鏡的設(shè)置，減少了 Vignetting漸暈，使得圖像銳度提高；采用中繼鏡，使得光線準(zhǔn)直，減少象差； 上述場(chǎng)鏡及中繼鏡均為膠合透鏡而不是通常的單片透鏡，進(jìn)一步提高了成像的 質(zhì)量。將傳統(tǒng)上通常置于CCD前的物鏡移至被測(cè)物正面，方便更換不同類(lèi)型 的物鏡以適合不同測(cè)量需求和環(huán)境，并顯著提高測(cè)量的角度，從而提高測(cè)量面 積。上述諸多因素直接使得成像質(zhì)量變好，從而使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
3、 測(cè)量角度、面積和距離得到提高。與Ettemeyer公司的麥克爾遜剪切散 斑干涉儀的參數(shù)測(cè)量的角度為24度，測(cè)量面積為100X 150mm2，測(cè)量距離 為200mm相比，本發(fā)明的角度(可測(cè))擴(kuò)大到28度以上，測(cè)量距離1000mm 以上，測(cè)量面積500X500mm2以上。
4、 隔振效果更加好。這一點(diǎn)可以從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的圖像的穩(wěn)定程度上明顯看出，光源與儀器本體的分開(kāi)設(shè)計(jì)使得激光等震源對(duì)儀器的測(cè)量干擾降低到最 小。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善， 因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，包括儀器本體，其包括分光棱鏡，具有一入射面、一出射面、一第一透射面及一第二透射面，所述出射面與所述入射面相鄰；按照光路布置的物鏡、場(chǎng)鏡和第一中繼鏡，其中所述物鏡面對(duì)被測(cè)物，被測(cè)物經(jīng)物鏡成像后在場(chǎng)鏡會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)第一中繼鏡成平行光入射至分光棱鏡的入射面；具有相移機(jī)構(gòu)的第一全反射鏡，相對(duì)所述分光棱鏡的第一透射面設(shè)置；具有相移機(jī)構(gòu)的第二全反射鏡，相對(duì)所述分光棱鏡的第二透射面設(shè)置；第二中繼鏡，會(huì)聚由所述分光棱鏡的出射面射出的光；以及成像部件，接收由所述第二中繼鏡會(huì)聚的光；以及至少一光源，用以提供所述被測(cè)物的照明。
2. 如權(quán)利要求1所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 所述物鏡可根據(jù)不同的所述被測(cè)物更換。
3. 如權(quán)利要求1所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 所述物鏡為廣角鏡。
4. 如權(quán)利要求1所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 所述成像部件與所述第二中繼鏡所會(huì)聚的光之間有一夾角，所述儀器本體還包 括第三全反射鏡，反射所述第二中繼鏡的會(huì)聚光至所述成像部件。
5. 如權(quán)利要求4所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 所述成像部件與所述第二中繼鏡所會(huì)聚的光垂直。
6. 如權(quán)利要求1所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 所述至少一光源與所述儀器本體分離設(shè)置。
7. 如權(quán)利要求6所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于，包含兩個(gè)光源，對(duì)稱(chēng)設(shè)于所述儀器本體周?chē)?br> 8.如權(quán)利要求6所述的大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，其特征在于， 包含四個(gè)光源，對(duì)稱(chēng)設(shè)于所述儀器本體周?chē)?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種大角度麥克爾遜式剪切散斑干涉儀，用以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，該干涉儀包括儀器本體和至少一光源。儀器本體包括分光棱鏡、按照光路布置的物鏡、場(chǎng)鏡和第一中繼鏡、具有相移機(jī)構(gòu)的第一、第二全反射鏡、第二中繼鏡以及成像部件。分光棱鏡具有一入射面、一出射面、一第一透射面及一第二透射面，出射面與入射面相鄰。物鏡面對(duì)被測(cè)物，被測(cè)物經(jīng)物鏡成像后在場(chǎng)鏡會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)第一中繼鏡成平行光入射至分光棱鏡的入射面。第一全反射鏡相對(duì)分光棱鏡的第一透射面設(shè)置，第二全反射鏡相對(duì)分光棱鏡的第二透射面設(shè)置，第二中繼鏡，會(huì)聚由分光棱鏡的出射面射出的光，在成像部件的靶面上成像。上述干涉儀中至少有一光源用以提供被測(cè)物的照明。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101339002SQ20081004165
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者吳君毅, 熹 張, 曾憲友, 鋼 艾, 鄭長(zhǎng)江, 鵬 陸 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所