專利名稱:梯度折射率光纖球面波干涉儀的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及干涉計量應用技術,也涉及到物體表面形態(tài)及振動的測量技術。
在當代科學研究及工程技術中,經(jīng)常會遇到非穩(wěn)定物體表面形態(tài)的測量問題,例如振動物體的表面形態(tài)、液體表面的振動等?,F(xiàn)有技術中單純用于測量表面形態(tài)的平面或球面干涉儀,如斐索干涉儀,采用常規(guī)的光學透鏡組構成自準直光路。其工作過程是,從激光器發(fā)出的激光束,被半反分束參考面分為兩路,其中反射光作為參考光束,另一路透射光束作為測試光束入射到被測表面上再反射回去,與參考光重新會合后產生雙光束干涉,從而在觀察屏上構成干涉條紋,然后經(jīng)圖樣采集與處理得到測量數(shù)據(jù)。這種干涉儀,因其光束孔徑較大,因此,不能對微小區(qū)域(例如1mm2以下)進行測量,也不能對物體的凹陷部位,裂縫或孔槽內壁進行測量?,F(xiàn)有技術中單純用來測量物體表面振動儀器,例如多?;騿文9饫w干涉儀,由于這種光纖只具有傳光作用不具備成像功能,所以這種干涉儀只能用于對較大面積(一般大于1mm2)表面的振動參數(shù)的測量,目前尚未見有能同時測量物體表面面形及振動的儀器的報道。
本實用新型目的在于,提供一種既能測量物體微小區(qū)域表面形態(tài)又能測定其振動參數(shù)的梯度折射率光纖球面波干涉儀。
本實用新型的目的由以下方式來實現(xiàn)。
本實用新型所述的梯度折射率光纖球面波干涉儀,包括現(xiàn)有技術中的激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機及與之相連接的數(shù)據(jù)處理機,其中光路部件均設置在一個能實現(xiàn)三維運動的工作平臺上,所述半反分束鏡鏡面的法線方向與激光束軸線成45°夾角,半反分束鏡的干涉反射光束射到觀察屏上,其特征在于,在半反分束鏡的透射光光路上設置有一根梯度折射率光纖,該光纖的一端由三維調整架夾持,它的另一端伸出工作臺外,其調整架夾持中心線與透射光束軸線重合;在半反分束鏡與觀察屏之間的干涉反射光路上能夠增設有第二個半反分束鏡,該鏡鏡面法線與第一個半反分束鏡反射的干涉光束軸線成45°夾角,在第二個半反鏡反射的干涉光束的光路上設置有光電探測器,其輸出信號線與數(shù)據(jù)處理機連接,第二個半反鏡的透射光束射到觀察屏上;所述的光電探測器由光電管、放大電路、A/D轉換電路構成,其光電管的光敏面位于反射的干涉光束區(qū)域內且與干涉光束軸線方向垂直。所述的梯度折射率光纖的長度L由下式?jīng)Q定L=(2n+1+δ)P/4,其中,P為梯度折射率光纖的特性參數(shù),n為0,1,2,3......等正整數(shù),1>δ>0。
本實用新型所述的梯度折射率光纖球面干涉儀,使用梯度折射率光纖作為剛性或柔性的光學干涉探針,并且其使用長度L滿足上面公式,則根椐其成像特性,所產生干涉的參考光束和測試光束均為發(fā)散球面波,且工作于非共心球面波干涉模式,因此能得到十分清楚的干涉圖像;所述光路部件均安裝在三維工作臺上,能方便地對被測面進行三維掃描,因而能方便地用于測定物體表面的面形誤差。增設光電探測器后,它還能同時用來測定物體表面的振動頻率和振幅。兩者的結合,大大方便了使用者。所述梯度折射率光纖探針端部直徑較小,使它能夠方便地伸入到物體的裂縫及孔槽之中,對物體的凹陷部位進行干涉測量。尤其是,用柔性的細芯光纖作為探針時,特別有利于對物體的非直視凹隙內部隱蔽表面的測量。相比現(xiàn)有技術中的光學斐索型球面/平面干涉儀,本實用新型省去了成套配置的棱鏡透鏡組,使結構大為簡化,使光路的調整較為簡單,操作方便。相比現(xiàn)有技術中的多?;騿文9饫w干涉儀,由于本實用新型的梯度折射率光纖既具有傳光作用又具有成像功能,因此它能對微小區(qū)域進行面形和振動測量。
下面通過實施例及其附圖作進一步描述。
圖1是本實用新型的一種實施例結構示意圖。
圖2是本實用新型的另一種實施例結構示意圖。
圖3是本實用新型使用柔性梯度折射率光纖探針的實施例結構示意圖。
圖4是本實用新型所述光電探測器的示意框圖。
參見圖1,(1)為激光器,其射出的激光束以45°入射角照射到半反分束鏡(2)上,其透射光束進入剛性梯度折射率棒(4)后,一部分由梯度折射率棒的后端面反射回到原半反分束鏡(2)上,作為參考光波;另一部分穿過梯度折射率棒照射到被測物體(5)的表面上,再反射回到半反分束鏡(2)上作為測試光波。兩種光波在重合區(qū)產生干涉,并同時被反射到觀察屏(6)上產生可視的干涉條紋;(3)為夾持梯度折射率棒的三維調整架,該調整架夾持梯度折射率棒時,可通過調整使其中心軸線與透射光束軸線重合。(7)為CCD攝像機,該機將觀察屏上的干涉條紋攝入,計算機(9)與所述攝像機連接,用以對攝像機攝入的干涉條紋圖像進行數(shù)據(jù)處理,以得到被測物體表面形態(tài)的有關數(shù)據(jù)。(8)為三維工作平臺,其位置參數(shù)數(shù)據(jù)由計算機(9)控制。激光器、半反分束鏡、梯度折射率棒、觀察屏以及攝像機均設置于該平臺上。隨著該平臺位置在三維空間的調整,梯度折射率棒端頭能較好地對準被測表面,并能實現(xiàn)在一定區(qū)域內掃描。其三維運動機構是現(xiàn)有技術中常用機構,能夠自動控制或人工手動控制。圖中的空箭頭表示光束行進路線,黑色的實箭頭表示二者與計算機的連接。
本實施例中,使用相干長度大于50厘米的半導體激光器,反射率為50%的半反分束鏡,梯度折射率棒的直徑為1mm,其周期為P=62.2mm,其長度為0.450P。因此參考光束和測試光束均為球面波,且工作于非共心球面波干涉模式。所述的調整架(3)能夠實現(xiàn)三維調整,例如市場上可以購得的SLY光纖微調架。為保持梯度折射率棒安裝的穩(wěn)定性,其夾持部分的長度應在其全長的2/5左右。
本實施例具有現(xiàn)有技術中斐索球面/平面干涉儀的功能,能夠用以測定物體表面的形態(tài)數(shù)據(jù)。其優(yōu)點在于,由于所用的梯度折射率棒具有成像功能,因此它能夠對物體的微區(qū)表面進行測定,最小測定表面積可小到微米量級。
參見圖2,本實施例中在圖1實施例的基礎上,在半反分束鏡(2)至觀察屏(6)的光路上增設了第二個半反分束鏡(10),該半反分束鏡的反射面法線與前一個半反光束鏡反射的干涉光束成45°角,它將干涉光束分為兩路,其中透射光束在觀察屏上產生干涉圖樣,由CCD攝像機鏡頭攝入,然后由計算機進行數(shù)據(jù)處理,得到被測表面的面形數(shù)據(jù);另一路反射光束進入光電探測器(11),轉變成電信號后通過A/D轉換連接到計算機上。當待測面振動時,其干涉條紋產生變化,由此會引起探測器輸出信號的變化。將該變化的信號輸送至計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),即能得到被測表面的振動信息數(shù)據(jù)。
本實施例不僅能夠測定被測物體表面的面形參數(shù)數(shù)據(jù),而且同時也能夠測定其振動參數(shù)。在實際使用中,可同時替代現(xiàn)有技術中的斐索球面/平面干涉儀及振動測量儀,為使用人提供了方便。
參見圖3,本實施例中用細芯柔性梯度折射率光纖(12)代替粗芯剛性梯度折射率棒,由于該光纖的柔性特征,因此其平臺無需三維調節(jié),對夾持部分的長度也沒有特定要求。本實施例特別適用于非直視凹陷縫隙內部隱蔽表面的測量。
參見圖4,(13)為光電管,它安裝在一個帶小孔的金屬盒(14)內,光電管的光敏面與小孔軸線相垂直,所述的金屬盒安裝在工作臺上,安裝時使其小孔位于第二個半反分束鏡反射的干涉光束區(qū)域內,小孔軸線與該光束軸線垂直。所述干涉光束從小孔中進入到光電管(13)后轉變?yōu)殡娦盘栞斎氲匠R?guī)的信號放大電路(15)中,再經(jīng)A/D轉換器(16)轉變?yōu)閿?shù)字信號輸?shù)接嬎銠C(9)中進行處理。
權利要求1.一種梯度折射率光纖球面波干涉儀,包括現(xiàn)有技術中的激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機及與之相連接的數(shù)據(jù)處理機,其中光路部件均設置在一個能實現(xiàn)三維運動的工作平臺上,所述半反射分束鏡鏡面的法線方向與激光束軸線成45°夾角,半反分束鏡的干涉反射光束射到觀察屏上,其特征在于,在半反分束鏡的透射光光路上設置有一根梯度折射率光纖,該光纖的一端由三維調整架夾持,它的另一端伸出工作臺外,所述三維調整架夾持中心線與透射光束軸線重合。
2.如權利要求1所述的梯度折射率光纖球面波干涉儀,其特征在于,在半反分束鏡與觀察屏之間的光路上能夠增設有第二個半反分束鏡,該鏡鏡面法線與第一個半反分束鏡反射的干涉光束成45°夾角,在該鏡反射干涉光束的光路上設置有光電探測器,其輸出信號線與數(shù)據(jù)處理機連接,該鏡的透射光束射到觀察屏上。
3.如權利要求1所述的梯度折射率光纖球面波干涉儀,其特征在于所述的梯度折射率光纖的長度L由下式確定L=(2n+1+δ)P/4,其中,P為梯度折射率光纖的特性參數(shù),n為0,1,2,3......等正整數(shù),1>δ>0。
4.如權利要求2所述的梯度折射率光纖球面波干涉儀,其特征在于,所述的光電探測器由光電管、放大電路、A/D轉換器構成,其光電管的光敏面位于反射干涉光束區(qū)域內且與干涉光束軸線方向垂直。
專利摘要本實用新型梯度折射率光纖球面波干涉儀涉及干涉計量應用及物體表面形態(tài)、振動的測量技術。所述干涉儀包括激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機及數(shù)據(jù)處理機,光路部件設置在一三維工作平臺上,半反分束鏡透射光路上有一根梯度折射率光纖,其一端由三維調整架夾持,另一端伸出工作臺外,三維調整架夾持中心線與激光束軸線重合。在半反分束鏡與觀察屏間的光路上能增設有第二個半反分束鏡,該鏡反射光路上設有光電探測器,其輸出信號線與數(shù)據(jù)處理機連接。它能對微區(qū)進行面形和振動測量。
文檔編號G01B9/02GK2386421SQ9922845
公開日2000年7月5日 申請日期1999年5月26日 優(yōu)先權日1999年5月26日
發(fā)明者明海, 束繼組, 梁忠誠, 孫曉紅, 段俐, 謝建平, 康琦, 吳云霞 申請人:中國科學技術大學, 中國科學院力學研究所