基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置

摘要

一种基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置，特点在于其构成包括激光器，沿该激光器输出光束的前进方向依次是同光轴的显微物镜、针孔、透镜、分光棱镜、光阑和球面反射镜，所述的针孔固定在所述的显微物镜的焦点位置处，所述的透镜到针孔的距离恰好为透镜的焦距时，透镜所处的位置称为平衡位置，所述的透镜具有在其平衡位置附近沿光轴方向前后移动的调节机构，所述的球面反射镜作为合作目标固定在待测物体的表面上，在所述的分光棱镜的相干光输出面外设有成像装置。本发明将主要光路集成于单块分光棱镜中，结构简单；实现了被测物体振动监测与测量光路变化监测的分离；并且使用球面反射镜作为合作目标，可实现对物体三维振动测量的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及干涉测量装置，尤其涉及一种基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置。

背景技术

激光干涉仪作为一种有效的非接触性精密测量装置，已经在许多物理参量的测量上得到了越来越普遍的使用。由于其具有测量精度高、灵敏度高、动态范围大以及非接触测量等优点，干涉仪在振动测量领域也得到了广泛的应用。

振动测量中采用的激光干涉仪通常可以分为两类：

(1)零差干涉仪-两束干涉光频率相同；

(2)外差干涉仪-两束干涉光的频率略有不同。

这两种方法都是以分振幅干涉为基础，采用两列平面波进行干涉。其中一列作为参考光波，另外一列作为测量光波，两列波返回后进入接受系统产生干涉条纹。干涉信号的强弱是由两束光的光程差决定的，而这反映了被测物体的振动状况。

然而采用上述传统方法进行振动测量，通常是利用平面反射镜作为合作目标的，因此对测量物体平面方向上的振动不敏感，也就是说振动测量系统是单维的，仅能对物体一个方向的振动进行测量分析，无法实现物体的三维振动测量，提供全面准确的信息。例如“Noncontacthomodyne scanning laser vibrometer for dynamic measurement”一文中提到的测量方法，就只能对光轴方向的振动进行测量。

另一方面，在振动测量过程中，难以避免使干涉测量装置中的各个元件相对位置发生变化的外力(如振动、温度等)的影响。这样测量光路本身的变化，如参考反射镜的振动、激光器的频率漂移等，会使干涉条纹发生变化，也就意味着无法实现对被测物体振动的精确测量。因此将真实讯号与此等因测量光路本身变化造成的干扰信号分离，是非常重要的工作。

为解决上述问题，本申请人已经发明了一种集成式光学干涉三维振动监测仪。在此监测仪中，通过特殊的分光棱镜设计，实现了振动源的分离，大大提高了测量精度，虽然可以测量物体的转动信号，但遗憾的是对物体平面方向上的振动不敏感。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置，该装置应能够测量物体三维振动，并且实现振动源分离，大大提高测量精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置，特点在于其构成包括激光器，沿该激光器输出光束的前进方向依次是同光轴的显微物镜、针孔、透镜、分光棱镜、光阑和球面反射镜，所述的针孔固定在所述的显微物镜的焦点位置处，所述的透镜到针孔的距离恰好为透镜的焦距时，透镜所处的位置称为平衡位置，所述的透镜具有在其平衡位置附近沿光轴方向前后移动的调节机构，所述的球面反射镜作为合作目标固定在待测物体的表面上，所述的分光棱镜的分光面与所述的光轴成45°，该分光面将从入射面进入的激光分为透射光和反射光，与入射面相对的一面外围镀有全反膜，中间留有通光孔，所述的透射光中穿过所述的通光孔和光阑并到达球面反射镜的光作为测量光，所述的反射光射向的一面称为反射面，镀有全反膜，所述的反射光经反射面反射后作为参考光，与反射面相对的一面为相干光输出面，在该相干光输出面外设有成像装置。

所述的球面反射镜为平凹球面反射镜，平面用于与待测物体相结合；凹面为球面，镀有全反膜，用于反射测量光，其中A点为球面反射镜的顶点。

所述的成像装置可以是仅用于成像观察的毛玻璃片，也可以是用于进行定量分析的CCD探测器。

激光器发出的光由显微物镜和针孔滤波后，通过透镜入射到分光棱镜上。经过透镜的出射光可能是发散球面波、平面波、会聚球面波三种形式，其实际形式由透镜与针孔两者之间的距离决定。入射到分光棱镜的光被分光面分成两束：反射光和透射光。其中反射光被镀有全反膜的反射面反射后，直接到达成像装置，作为参考光束。而透射光则又分成了两部分：其中位于外围的透射光受四周所镀全反膜的影响，直接返回到成像装置，与参考光束干涉形成外部干涉条纹。而位于中间的透射光则通过通光孔以及光阑后，被球面反射镜反射，作为测量光束到达成像装置，与参考光束干涉形成内部干涉条纹。光波经球面镜反射后，其形式会发生改变，反射后的光波形式由球面反射镜的曲率半径和反射前光波的具体形式共同决定。

本发明与以前技术相比所具有的优势在于：

采用球面反射镜作为合作目标，克服了平面反射镜无法反映测量物体平面方向上的振动的缺点；可以通过调节透镜的位置改变入射光波的具体形式，选择相应的振动测量范围及分辨率；通过本发明分光棱镜的独特设计，干涉条纹分为两部分：外部干涉条纹单纯反映测量光路本身的变化，内部干涉条纹同时反映两方面的信息：测量光路本身的变化和被测物体的振动，因此只有在外部干涉条纹稳定即测量光路稳定的情况下，内部干涉条纹的变化才能准确反映被测物体的振动，或者说通过此分光棱镜设计形成了一个差分系统，大大提高了测量的准确性。本发明的测量装置结构简单、紧凑、可靠。

附图说明

图1是本发明基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置的结构示意图。

图2是本发明的球面合作目标的侧面结构示意图。

图3是本发明实施例的三维振动干涉测量光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

参阅图1，图1是本发明基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置的结构示意图。由图可见，本发明基于球面合作目标的三维振动干涉测量装置，其构成包括激光器1，沿该激光器1输出光束的前进方向依次是同光轴的显微物镜2、针孔3、透镜4、分光棱镜5、光阑6和球面反射镜7，所述的球面反射镜7作为合作目标固定在待测物体8的表面上，所述的针孔3固定在所述的显微物镜2的焦点位置处，所述的透镜4到针孔3的距离恰好为透镜4的焦距时，透镜4所处的位置称为平衡位置，所述的透镜4具有在其平衡位置附近沿光轴方向前后移动的调节机构，所述的分光棱镜5的分光面与所述的光轴成45°，该分光面将从入射面进入的激光分为透射光和反射光，与入射面相对的一面外围镀有全反膜52，中间留有通光孔53，所述的透射光中穿过所述的通光孔53和光阑6并到达球面反射镜7的光作为测量光，所述的反射光射向一面51称为反射面，镀有全反膜，所述的反射光经反射面51反射后作为参考光，与反射面51相对的一面为相干光输出面，在该相干光输出面外设有成像装置9。

所述的球面反射镜7作为合作目标固定在待测物体8的表面上。球面合作目标即球面反射镜7的具体结构参阅图2所示。所采用的球面合作目标为平凹球面反射镜，面71为平面，用于与待测物体8相结合；凹面72为球面，镀有全反膜，用于反射测量光。其中A点为球面反射镜的顶点。

所述的成像装置9为毛玻璃片，或CCD探测器。

图3是根据本发明一个实施例的三维振动干涉测量光路示意图。参照图3所示，在本实施例中，激光器1为He-Ne激光器。透镜4处于平衡位置，即其与针孔3之间的距离恰好为透镜4本身的焦距。成像装置9为CCD探测器。采用曲率半径比较大的球面反射镜作为合作目标。

本装置的光路原理解释如下：由激光器1发出波长为632.8nm的激光经过显微物镜2和针孔3的滤波以及扩束之后，到达透镜4。由于针孔3位于透镜4的前焦平面，因此扩束光经过透镜4之后会变成平行光，然后照射在分光棱镜5上，被分光面分成了两束光，即反射光和透射光。其中反射光经过分光棱镜5的全反面51的反射后，直接到达CCD探测器9。这束光位于光线10与11之间，称为参考光。而透射光则又分成了两部分：其中位于光线12与14之间以及13与15之间的透射光经过全反膜52的反射后，也直接到达CCD探测器9。这部分光，即光线10与16之间以及光线11与17之间的光，与参考光相干涉形成外部干涉条纹，用于监测测量光路本身的变化。另一部分位于光线18与19之间的透射光，则在通过通光孔53以及光阑6之后到达球面反射镜7。由于所选的球面反射镜7的曲率半径比较大，入射的平行光由球面反射镜7反射会聚后，最终仍以会聚光的形式到达CCD探测器9。这部分会聚光位于光线20与21之间，作为测量光，与参考光相干涉形成内部干涉条纹，用于监测被测物体的振动。另外，光线14与18之间以及15与19之间的透射光由于光阑6表面的漫反射并没有反射回CCD探测器9。最后，CCD探测器9将所采集的干涉信号传输至计算机(图中未示)中进行处理，获得被测物体的振动信息。

只有在外部干涉条纹稳定，即测量光路本身是不变的情况下，内部干涉条纹才可以准确反映出被测物体的振动。此时，CCD探测器上干涉场的光强为：

其中，与分别为参考光与测量光在CCD成像平面(x，y)位置处的相位，I₀为激光器的输出光强度。在本实施例中，所用的参考光为平行光，因此它的相位为常量。这样，CCD成像平面上光强的分布就只与测量光在成像平面上的相位分布有关，而由球面反射镜7反射回的测量光，以会聚球面波的形式照射在CCD平面上，因此形成的干涉条纹应是一族同心圆，其中圆心对应球面反射镜7的顶点垂直反射回的光线22照射在CCD平面上的位置。

因此，当被测物体8沿x或者y方向振动时，球面反射镜7作为合作目标会发生同样的振动，由于CCD成像平面上干涉条纹圆心位置对应球面反射镜7的顶点垂直反射回的光线22，所以在被测物体沿x或者y方向振动时，CCD上圆心位置会发生同样的变化。这样我们通过监测CCD上圆心位置的改变就可以得知被测物体在x或者y方向上的振动量，实际可以达到的分辨率主要由CCD分辨率以及成像倍率所决定。

当被测物体8沿z方向振动时，虽然测量光仍是以会聚球面波的形式照射在CCD平面上，但是由于光程发生了变化，所以相位分布亦发生变化，形成的干涉圆环会相对收缩或者扩张，圆心位置处也会相应地发生明暗变化。在被测物体8沿z方向振动λ/2的过程中，光线22的光程发生λ的变化，从而使得圆心处测量光的相位变化2π，根据公式(1)，圆心位置处的光强就会变化一个周期，即经历一次明暗变化。因此我们通过圆心位置处光强的明暗变化次数就可以得知被测物体8在z方向的振动量，并且可以达到λ/2的分辨率，更加细微的分辨率可以由D/A转换精度保证。

在本实施例中，所用的参考光为平行光，当透镜4在其平衡位置附近沿光轴方向前后微动调节时，参考光会变为会聚球面波或者发散球面波，此种情况与上述分析类似，只不过参考光与测量光的干涉变为两列球面波的干涉，分辨率以及测量范围也会发生相应的变化。调节透镜4位置的主要目的就是为了达到所需的分辨率以及测量范围。根据上述分析，可以得出结论，无论被测物体8沿x、y、z哪一个方向振动，通过本发明干涉测量装置都可以实现精确测量，也就是说本发明完全可以实现三维振动测量。

综上所述，本发明将主要光路集成于单块光学介质分光棱镜中，结构简单；实现了被测物体振动监测与测量光路变化监测的分离；并且使用球面反射镜作为合作目标从而达到了三维振动测量的目的。