專利名稱：干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)的制作方法
干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)技術領域
本發(fā)明屬光學領域，涉及一種空間調制型干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，尤其涉及 光譜成像儀干涉儀組件在裝配和膠合過程中剪切量的在線檢測和實時監(jiān)測。
背景技術：
我國是一個自然災害頻發(fā)的大國，由于我國地域遼闊，幾乎地球上發(fā)生的各種自 然災害在我國都存在，每次自然災害都造成重大人員傷亡和巨額經(jīng)濟損失。而在環(huán)境災害 監(jiān)測中，光譜成像儀起到功不可沒的作用。它的最大特點是“圖譜合一”，即它不僅能得到目 標的空間信息，同時還可以得到目標的光譜信息；對于外形相似而質地不同的目標、個體極 小而集群的目標、具有明顯特征光譜的目標，光譜成像儀表現(xiàn)出了普通成像相機無法比擬 的優(yōu)勢。
光譜成像儀光學系統(tǒng)是在一個寬譜段光學成像系統(tǒng)中加入干涉儀組件，具有光譜 儀和成像儀兩種儀器功能。其中干涉儀組件是光譜成像儀的核心部件，干涉儀組件將成像 光束分成兩束，兩束成像光束經(jīng)過不同路徑后，在成像鏡焦平面上發(fā)生干涉，通過對干涉圖 的處理就可以得到目標的光譜信息。
干涉儀組件在光譜成像中承擔著重要的角色，而干涉儀最重要的指標就是剪切 量，剪切量的大小直接影響整個系統(tǒng)對目標的光譜分辨能力，所以，對于涉儀組件剪切量的 檢測就顯得至關重要。
傳統(tǒng)檢測干涉儀剪切量的方法是在干涉儀組件后安裝一個匯聚透鏡，在其焦平面 上用CCD接收，將CCD采集到的干涉圖經(jīng)過處理計算得到干涉儀剪切量，由于傳統(tǒng)的測量方 法是事后處理，不能實時的得到干涉儀剪切量，因此，傳統(tǒng)的測量方法測量效率低，給干涉 儀裝調帶來很大的困難，尤其是在干涉儀精調階段，裝調人員至少得花費一周時間，經(jīng)過反 復的調試才能將干涉儀剪切量調到設計值，實時性差；之后在干涉儀固化過程中還需間斷 的監(jiān)測剪切量是否發(fā)生變化。所以，在干涉儀粗裝、精裝、封膠、固化的每個步驟都離不開對 干涉儀剪切量的反復測量，而傳統(tǒng)的測量方法繁瑣，效率低，精度低，嚴重的影響了工作效 率。因此，需要研制一種新的測試設備，以達到高效率，高精度的測試干涉儀剪切量。發(fā)明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種可直接實時測量干 涉儀剪切量、精度高、實時性強、穩(wěn)定性高以及應用范圍廣的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明提供了一種干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特 殊之處在于所述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、傅氏系統(tǒng)以及信號 采集與處理單元；所述掃描系統(tǒng)設置于光源系統(tǒng)的出射光路上；所述傅氏系統(tǒng)設置于經(jīng)掃 描系統(tǒng)后的出射光路上；所述信號采集與處理單元設置于傅氏系統(tǒng)的焦平面上。
上述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)還包括設置于光源系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)之間的準 直系統(tǒng)。
上述準直系統(tǒng)包括毛玻璃、準直系統(tǒng)主鏡、準直系統(tǒng)次鏡以及第一可變光闌；所述 毛玻璃設置于光源系統(tǒng)的出射光路上；所述準直系統(tǒng)次鏡設置于經(jīng)毛玻璃透射后的透射光 路上；所述準直系統(tǒng)主鏡設置于經(jīng)準直系統(tǒng)次鏡反射后的反射光路上；所述第一可變光闌 設置于經(jīng)準直系統(tǒng)主鏡反射后的反射光路上；所述準直系統(tǒng)主鏡是離軸拋物面反射鏡；所 述準直系統(tǒng)次鏡是平面反射鏡。
上述掃描系統(tǒng)包括雙面反射鏡以及用于帶動雙面反射鏡進行勻速旋轉的伺服電 機；所述雙面反射鏡設置于經(jīng)準直系統(tǒng)后的出射光路上。
上述傅氏系統(tǒng)包括第二可變光闌、傅氏系統(tǒng)主鏡以及可見/紅外切換反射鏡；所 述第二可變光闌設置于準直系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)之間；所述傅氏系統(tǒng)主鏡設置于經(jīng)掃描系統(tǒng) 后的出射光路上；所述可見/紅外切換反射鏡設置在傅氏系統(tǒng)主鏡的出射光路上；所述傅 氏系統(tǒng)主鏡是離軸反射鏡或拋物面反射鏡；所述可見/紅外切換反射鏡是平面反射鏡。
上述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)還包括控制單元以及顯示單元；所述信號采集與 處理單元通過控制單元接入顯示單元。
上述信號采集與處理單元包括光電探測器以及與光電探測器電性相連的信號處 理單元；所述光電探測器設置于傅氏系統(tǒng)的焦平面上。
上述光電探測器包括可見光電探測器以及紅外光電探測器；所述可見光電探測器 以及紅外光電探測器分別置于傅氏系統(tǒng)的左右兩個焦平面上。
上述光電探測器還包括設置于光電探測器上的消雜散光光闌。
上述光源系統(tǒng)包括激光器以及設置于激光器出射光路上的激光發(fā)散鏡；所述激光 器是可見激光器或紅外激光器。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、可直接對干涉儀剪切量進行測量。本發(fā)明通過掃描反射鏡的旋轉，可將空間分 布的干涉信息轉化為以電流強度分布的時間信息輸入給信號處理單元，經(jīng)過信號處理單元 的處理與計算，可將干涉儀剪切量以數(shù)字形式實時的顯示出來，填補了國內無法直接實時 測量干涉儀剪切量的空白。
2、測量精度高。本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，采用的是點掃描裝置，避免 了傳統(tǒng)測量方法中，由于CCD感光面與傅氏鏡焦平面的不平行度對干涉條紋間距測量帶來 的誤差；同時，本發(fā)明使用光電探測器測探干涉條紋能量的變化，由于光電探測器的響應時 間為微秒量級，所以本發(fā)明所提出的測試方法比傳統(tǒng)的測量方法采樣間隔更小，測試精度 更高。第三，本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，準直鏡和傅氏鏡均采用離軸反射結構， 避免了色差的影響，可測量可見干涉儀和紅外干涉儀的剪切量。第四，本發(fā)明的干涉儀剪切 量在線檢測系統(tǒng)，在測試系統(tǒng)入射窗口處安裝有可變光闌；在可見光電探測器和紅外光電 探測器前各安裝有消雜散光光闌，可以有效的遮擋雜散光，提高測試精度。第五，本發(fā)明使 用的掃描反射鏡為雙面反射鏡，在一次掃描周期內可以獲得兩組掃描數(shù)據(jù)，提高了測量精 度和測量穩(wěn)定性。
3、實時性強。本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，在準直系統(tǒng)出射窗口處安裝 有可變光闌，可根據(jù)不同干涉儀組件的通光口徑大小調整準直系統(tǒng)出射光束的口徑，以滿 足不同光譜成像儀干涉儀組件剪切量的在線檢測。
4、穩(wěn)定性高。本發(fā)明使用伺服電機帶動掃描反射旋轉，具有極高的掃描穩(wěn)定性。
5、應用范圍廣，使用方便。本發(fā)明在傅氏鏡出射光路中設置有可見/紅外切換反射鏡，根據(jù)干涉儀組件工作波段切換反射鏡，應用范圍廣，使用方便。
圖1是本發(fā)明所提供的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)的結構示意其中
1-激光器、2-激光發(fā)散鏡、3-毛玻璃、4-準直系統(tǒng)次鏡、5-準直系統(tǒng)主鏡、6_第一可變光闌、7-干涉儀、8-第二可變光闌、9-掃描反射鏡、10-伺服電機、11-傅氏鏡、12-可見 /紅外切換反射鏡、13-可見光電探測器、14-第一消雜光光闌、15-紅外光電探測器、16-第二消雜光光闌、17-信號處理單元、18-控制單元、19-顯示單元。
具體實施方式
參見圖1，本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，包括光源系統(tǒng)、準直系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、傅氏系統(tǒng)、信號采集與處理單元、控制單元和顯示單元。
光源系統(tǒng)包括激光器I和激光發(fā)散鏡2，激光發(fā)散鏡2安裝在激光器I的出射光路上；
準直系統(tǒng)20包括毛玻璃3、準直系統(tǒng)次鏡4、準直系統(tǒng)主鏡5和第一可變光闌6，毛玻璃3安裝在準直系統(tǒng)20焦平面上，準直系統(tǒng)次鏡4安裝在準直系統(tǒng)主鏡5與毛玻璃3的中間光路上，第一可變光闌6安裝在準直系統(tǒng)20的出射窗口上。
掃描系統(tǒng)包括掃描反射鏡9和伺服電機10,掃描反射鏡9安裝在被測干涉儀7和傅氏鏡11之間的光路上。
傅氏系統(tǒng)包括第二可變光闌8，傅氏鏡11，可見/紅外切換反射鏡12，第二可變光闌8安裝在測試系統(tǒng)光路的入射窗口上，傅氏鏡11安裝在掃描反射鏡9的出射光路上，可見/紅外切換反射鏡12安裝在傅氏鏡11的出射光路上。
信號采集與處理單元包括可見光電探測器13，第一消雜光光闌14、紅外光電探測器15、第二消雜光光闌16和信號處理單元17，可見光電探測器13安裝在傅氏系統(tǒng)右側焦平面上，第一消雜光光闌安裝在可見光電探測器13上，紅外光電探測器15安裝在傅氏系統(tǒng)左側焦平面上，第二消雜光光闌16安裝在紅外光電探測器15上，信號處理單元17、控制單元18安裝在檢測系統(tǒng)內壁上；顯示單元19安裝在測試系統(tǒng)外壁上。
準直系統(tǒng)是口徑Φ 100mm，焦距IOOOmm離軸反射光學結構，傅氏系統(tǒng)是口徑 Φ 200mm,焦距400mm離軸反射光學結構，毛玻璃材料為石英、口徑為Φ 40mm。
本發(fā)明的工作過程是激光器I發(fā)出的準單色光照射到激光發(fā)散鏡2上，經(jīng)過激光發(fā)散鏡2調制后，形成具有較大發(fā)散角的單色光束并充滿毛玻璃3，毛玻璃3的直徑為 Φ40_，經(jīng)準直系統(tǒng)準直后，形成視場角為±1.14°的準直單色光束，通過第一可變光闌 6調整從準直系統(tǒng)出射的平行光束的口徑，使其與被測干涉儀7的通光口徑相當；從準直系統(tǒng)出來的準直單色光束經(jīng)干涉儀7調制后形成兩束具有相干性的光束入射到測試系統(tǒng)21 中；調整第二可變光闌8的通光口徑大小與從干涉儀7出射的光束口徑大小相當，以減小外界雜散光進入測試系統(tǒng)，對測試精度產(chǎn)生不利影響；兩相干光束進入測試系統(tǒng)后入射到掃描反射鏡9上，由于掃描反射鏡9勻速旋轉，將從干涉儀7出射的各個視場的相干光束依次反射為平行于傅氏鏡光軸的光束；從傅氏鏡11出射的匯聚光束經(jīng)可見/紅外切換反射鏡 12反射后聚焦到可見光電探測器13或紅外光電探測器15上，光電探測器根據(jù)干涉條紋亮暗的變化對應輸出同頻率電流強度分布的電信號，輸入到信號處理單元17，電信號經(jīng)過信號處理單元17的細分和處理后，根據(jù)控制單元18輸入的波長參量和伺服電機的轉速參量， 可計算得到被測干涉儀7的剪切量，并輸入到顯示單元19顯示出來；為了減小測試系統(tǒng)內壁上的漫反射光照射到光電探測器上，對采集的光信號產(chǎn)生影響，在可見光電探測器13和紅外光電探測器15的感光面外分別安裝第一消雜散光光闌14和第二消雜光光闌16。
本發(fā)明的工作原理如下
激光器I發(fā)出的單色光經(jīng)激光發(fā)散鏡2發(fā)散后照射到毛玻璃3上，經(jīng)過準直系統(tǒng) 20準直后形成準直單色光束，準直單色光束經(jīng)過干涉儀7調制后形成兩束具有相干性的光束入射到掃描反射鏡9上，經(jīng)再經(jīng)傅氏鏡11匯聚后，在傅氏鏡11焦平面上兩相干光束發(fā)生干涉，形成干涉條紋，其光強能量按余弦分布。干涉儀剪切量的一般公式
d = f/s*A (I)
式中d為干涉儀剪切量，f為傅氏鏡焦距，s為干涉條紋間距，λ為單色光源波長。
由公式(I)可知，只需要測量出干涉條紋間距s就可計算出干涉儀剪切量。由于單色光的干涉條紋是等間距的，在傅氏鏡11前安裝一掃瞄系統(tǒng)，當伺服電機10以corad/s 的角速度帶動掃描反射鏡9勻速旋轉時，干涉條紋在傅氏鏡11像面上也會勻速移動。干涉條紋在像平面上移動的速度V可用公式(2)表示
V = 2*f* ω(2)
所以，光電探測器15可依次探測到不同視場的干涉條紋，由于像平面上的光強分布為余弦函數(shù)，所以，光電探測器15輸出的也是電流強度按余弦分布的電流信號。通過信號處理單元17的計算，可得到電流峰峰響應值之間的時間差t，用公式(3)可得到干涉條紋間距S。
s = t*v = 2*t*f*co (3)
將公式(3)帶入公式(I)，得干涉儀剪切量d的計算公式(4)
d = λ / (2*t* ω)(4)
本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測裝置，通過掃描反射鏡9的旋轉，將從干涉儀出來的不同視場的兩束相干光束反射為平行于傅氏鏡11光軸的光束，經(jīng)傅氏鏡匯聚發(fā)生干涉，在傅氏鏡11像面上形成光強強度按余弦分布的干涉條紋，由于掃描反射鏡9勻速旋轉， 干涉條紋在傅氏鏡11像平面上也會發(fā)生勻速移動，光電探測器15將探測光強能量分布轉化為電流強度分布實時的輸入到信號處理單元17，信號處理單元17經(jīng)過細分和插值后可得到信號峰峰值之間的時間間隔t，再根據(jù)輸入的波長值λ和掃描反射鏡的轉速ω按照公式(4)即可實時的計算出干涉儀的剪切量，并實時顯示出來。
傳統(tǒng)測量干涉儀剪切量的方法都是在傅氏鏡11焦平面上安裝CCD探測器，用CCD 探測將干涉條紋的二維圖像信息采集并保存，再根據(jù)CCD像元尺寸的大小計算出條紋間距 S，再用公式(I)計算出干涉儀剪切量。傳統(tǒng)方法雖然能計算出干涉儀剪切量，但是存在兩個很大的缺點1、不能實時測量干涉剪切量，對干涉儀的裝調效率帶來嚴重的影響；2、由于CCD像元具有一定的大小，會丟失干涉圖的細節(jié)信息，而且，CCD探測器與像面的平行度誤差也會直接造成對干涉條紋間距s計算不夠準確。
本發(fā)明的干涉儀剪切量在線檢測裝置，通過伺服電機帶動掃面反射鏡勻速旋轉， 將空間分布的干涉圖光強能量信息采集為按時間的分布電流強度信息，經(jīng)過信號處理單元處理后，將干涉儀剪切量實時顯示出來。所以，本發(fā)明的干涉儀剪切量在檢測裝置，解決了傳統(tǒng)測量方法不能實時檢測干涉儀剪切量的缺點，從而提高了干涉儀裝調和檢測的效率， 并為干涉儀的封膠固化提供了一種實時監(jiān)測的手段。
現(xiàn)階段，光電探測器已經(jīng)成為一種成熟的產(chǎn)業(yè)，普通的光電探測器響應時間都在微秒量級，高性能的光電探測器可以達到納秒級。以采樣時間為 μ s，傅氏鏡焦距為 400_，掃描鏡轉速為rad/s來計算，光電探測器對干涉條紋的采樣間隔為2.5 μ m。而對于傳統(tǒng)的測量方法，由于C⑶像元尺寸一般在10 μ m左右(紅外為30 μ m左右)，所以本發(fā)明提出的檢測方法比傳統(tǒng)測量干涉儀剪切量的方法采樣密度提高了近一個數(shù)量級，提高了測量精度，并且避免了由于CXD感光面與像面平行度誤差帶來的測量誤差。
另外，本發(fā)明所提出的檢測方法可經(jīng)過多次掃描，求取干涉 條紋峰峰值的平均值來計算干涉儀剪切量，這樣可以有效地避免伺服電機轉速不穩(wěn)定性帶來的測量誤差，提高了測量的穩(wěn)定性。
權利要求
1.一種干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、傅氏系統(tǒng)以及信號采集與處理單元；所述掃描系統(tǒng)設置于光源系統(tǒng)的出射光路上；所述傅氏系統(tǒng)設置于經(jīng)掃描系統(tǒng)后的出射光路上；所述信號采集與處理單元設置于傅氏系統(tǒng)的焦平面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)還包括設置于光源系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)之間的準直系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述準直系統(tǒng)包括毛玻璃、準直系統(tǒng)主鏡、準直系統(tǒng)次鏡以及第一可變光闌；所述毛玻璃設置于光源系統(tǒng)的出射光路上；所述準直系統(tǒng)次鏡設置于經(jīng)毛玻璃透射后的透射光路上；所述準直系統(tǒng)主鏡設置于經(jīng)準直系統(tǒng)次鏡反射后的反射光路上；所述第一可變光闌設置于經(jīng)準直系統(tǒng)主鏡反射后的反射光路上；所述準直系統(tǒng)主鏡是離軸拋物面反射鏡；所述準直系統(tǒng)次鏡是平面反射鏡。
4.根據(jù)權利要求3所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述掃描系統(tǒng)包括雙面反射鏡以及用于帶動雙面反射鏡進行勻速旋轉的伺服電機；所述雙面反射鏡設置于經(jīng)準直系統(tǒng)后的出射光路上。
5.根據(jù)權利要求4所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述傅氏系統(tǒng)包括第二可變光闌、傅氏系統(tǒng)主鏡以及可見/紅外切換反射鏡；所述第二可變光闌設置于準直系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)之間；所述傅氏系統(tǒng)主鏡設置于經(jīng)掃描系統(tǒng)后的出射光路上；所述可見/紅外切換反射鏡設置在傅氏系統(tǒng)主鏡的出射光路上；所述傅氏系統(tǒng)主鏡是離軸反射鏡或拋物面反射鏡；所述可見/紅外切換反射鏡是平面反射鏡。
6.根據(jù)權利要求1或2或3或4或5所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)還包括控制單元以及顯示單元；所述信號采集與處理單元通過控制單元接入顯示單元。
7.根據(jù)權利要求6所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集與處理單元包括光電探測器以及與光電探測器電性相連的信號處理單元；所述光電探測器設置于傅氏系統(tǒng)的焦平面上。
8.根據(jù)權利要求7所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光電探測器包括可見光電探測器以及紅外光電探測器；所述可見光電探測器以及紅外光電探測器分別置于傅氏系統(tǒng)的左右兩個焦平面上。
9.根據(jù)權利要求8所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光電探測器還包括設置于光電探測器上的消雜散光光闌。
10.根據(jù)權利要求1所述的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光源系統(tǒng)包括激光器以及設置于激光器出射光路上的激光發(fā)散鏡；所述激光器是可見激光器或紅外激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及光譜成像儀干涉儀組件在裝配和膠合過程中剪切量的在線檢測和實時監(jiān)測，該系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、傅氏系統(tǒng)以及信號采集與處理單元；掃描系統(tǒng)設置于光源系統(tǒng)的出射光路上；傅氏系統(tǒng)設置于經(jīng)掃描系統(tǒng)后的出射光路上；信號采集與處理單元設置于傅氏系統(tǒng)的焦平面上。本發(fā)明提供了一種可直接實時測量干涉儀剪切量、精度高、實時性強、穩(wěn)定性高以及應用范圍廣的干涉儀剪切量在線檢測系統(tǒng)。
文檔編號G01J3/45GK103017906SQ20111030071
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者劉峰, 張周鋒, 趙建科, 徐亮, 周艷 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所