專利名稱：梯度折射率光纖球面波干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及干涉計(jì)量應(yīng)用技術(shù)，也涉及到物體表面形態(tài)及振動(dòng)的測(cè)量技術(shù)。
在當(dāng)代科學(xué)研究及工程技術(shù)中，經(jīng)常會(huì)遇到非穩(wěn)定物體表面形態(tài)的測(cè)量問(wèn)題，例如振動(dòng)物體的表面形態(tài)、液體表面的振動(dòng)等?，F(xiàn)有技術(shù)中單純用于測(cè)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(xué)透鏡組構(gòu)成自準(zhǔn)直光路。其工作過(guò)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(cè)試光束入射到被測(cè)表面上再反射回去，與參考光重新會(huì)合后產(chǎn)生雙光束干涉，從而在觀察屏上構(gòu)成干涉條紋，然后經(jīng)圖樣采集與處理得到測(cè)量數(shù)據(jù)。這種干涉儀，因其光束孔徑較大，因此，不能對(duì)微小區(qū)域(例如1mm2以下)進(jìn)行測(cè)量，也不能對(duì)物體的凹陷部位，裂縫或孔槽內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)有技術(shù)中單純用來(lái)測(cè)量物體表面振動(dòng)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(duì)較大面積(一般大于1mm2)表面的振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，目前尚未見有能同時(shí)測(cè)量物體表面面形及振動(dòng)的儀器的報(bào)道。
本實(shí)用新型目的在于，提供一種既能測(cè)量物體微小區(qū)域表面形態(tài)又能測(cè)定其振動(dòng)參數(shù)的梯度折射率光纖球面波干涉儀。
本實(shí)用新型的目的由以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)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(shù)中的激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機(jī)及與之相連接的數(shù)據(jù)處理機(jī)，其中光路部件均設(shè)置在一個(gè)能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的工作平臺(tái)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(shè)置有一根梯度折射率光纖，該光纖的一端由三維調(diào)整架夾持，它的另一端伸出工作臺(tái)外，其調(diào)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(shè)有第二個(gè)半反分束鏡，該鏡鏡面法線與第一個(gè)半反分束鏡反射的干涉光束軸線成45°夾角，在第二個(gè)半反鏡反射的干涉光束的光路上設(shè)置有光電探測(cè)器，其輸出信號(hào)線與數(shù)據(jù)處理機(jī)連接，第二個(gè)半反鏡的透射光束射到觀察屏上；所述的光電探測(cè)器由光電管、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，其光電管的光敏面位于反射的干涉光束區(qū)域內(nèi)且與干涉光束軸線方向垂直。所述的梯度折射率光纖的長(zhǎng)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(shí)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(xué)干涉探針，并且其使用長(zhǎng)度L滿足上面公式，則根椐其成像特性，所產(chǎn)生干涉的參考光束和測(cè)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(tái)上，能方便地對(duì)被測(cè)面進(jìn)行三維掃描，因而能方便地用于測(cè)定物體表面的面形誤差。增設(shè)光電探測(cè)器后，它還能同時(shí)用來(lái)測(cè)定物體表面的振動(dòng)頻率和振幅。兩者的結(jié)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(duì)物體的凹陷部位進(jìn)行干涉測(cè)量。尤其是，用柔性的細(xì)芯光纖作為探針時(shí)，特別有利于對(duì)物體的非直視凹隙內(nèi)部隱蔽表面的測(cè)量。相比現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)斐索型球面/平面干涉儀，本實(shí)用新型省去了成套配置的棱鏡透鏡組，使結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，使光路的調(diào)整較為簡(jiǎn)單，操作方便。相比現(xiàn)有技術(shù)中的多?；騿文９饫w干涉儀，由于本實(shí)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(duì)微小區(qū)域進(jìn)行面形和振動(dòng)測(cè)量。
下面通過(guò)實(shí)施例及其附圖作進(jìn)一步描述。


圖1是本實(shí)用新型的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的另一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型使用柔性梯度折射率光纖探針的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型所述光電探測(cè)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(jìn)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(guò)梯度折射率棒照射到被測(cè)物體(5)的表面上，再反射回到半反分束鏡(2)上作為測(cè)試光波。兩種光波在重合區(qū)產(chǎn)生干涉，并同時(shí)被反射到觀察屏(6)上產(chǎn)生可視的干涉條紋；(3)為夾持梯度折射率棒的三維調(diào)整架，該調(diào)整架夾持梯度折射率棒時(shí)，可通過(guò)調(diào)整使其中心軸線與透射光束軸線重合。(7)為CCD攝像機(jī)，該機(jī)將觀察屏上的干涉條紋攝入，計(jì)算機(jī)(9)與所述攝像機(jī)連接，用以對(duì)攝像機(jī)攝入的干涉條紋圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到被測(cè)物體表面形態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)。(8)為三維工作平臺(tái)，其位置參數(shù)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)(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(jī)均設(shè)置于該平臺(tái)上。隨著該平臺(tái)位置在三維空間的調(diào)整，梯度折射率棒端頭能較好地對(duì)準(zhǔn)被測(cè)表面，并能實(shí)現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)掃描。其三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中常用機(jī)構(gòu)，能夠自動(dòng)控制或人工手動(dòng)控制。圖中的空箭頭表示光束行進(jìn)路線，黑色的實(shí)箭頭表示二者與計(jì)算機(jī)的連接。
本實(shí)施例中，使用相干長(zhǎng)度大于50厘米的半導(dǎo)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(zhǎng)度為0.450P。因此參考光束和測(cè)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(diào)整架(3)能夠?qū)崿F(xiàn)三維調(diào)整，例如市場(chǎng)上可以購(gòu)得的SLY光纖微調(diào)架。為保持梯度折射率棒安裝的穩(wěn)定性，其夾持部分的長(zhǎng)度應(yīng)在其全長(zhǎng)的2/5左右。
本實(shí)施例具有現(xiàn)有技術(shù)中斐索球面/平面干涉儀的功能，能夠用以測(cè)定物體表面的形態(tài)數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)在于，由于所用的梯度折射率棒具有成像功能，因此它能夠?qū)ξ矬w的微區(qū)表面進(jìn)行測(cè)定，最小測(cè)定表面積可小到微米量級(jí)。
參見圖2，本實(shí)施例中在圖1實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在半反分束鏡(2)至觀察屏(6)的光路上增設(shè)了第二個(gè)半反分束鏡(10)，該半反分束鏡的反射面法線與前一個(gè)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(chǎn)生干涉圖樣，由CCD攝像機(jī)鏡頭攝入，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)表面的面形數(shù)據(jù)；另一路反射光束進(jìn)入光電探測(cè)器(11)，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換連接到計(jì)算機(jī)上。當(dāng)待測(cè)面振動(dòng)時(shí)，其干涉條紋產(chǎn)生變化，由此會(huì)引起探測(cè)器輸出信號(hào)的變化。將該變化的信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，即能得到被測(cè)表面的振動(dòng)信息數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例不僅能夠測(cè)定被測(cè)物體表面的面形參數(shù)數(shù)據(jù)，而且同時(shí)也能夠測(cè)定其振動(dòng)參數(shù)。在實(shí)際使用中，可同時(shí)替代現(xiàn)有技術(shù)中的斐索球面/平面干涉儀及振動(dòng)測(cè)量?jī)x，為使用人提供了方便。
參見圖3，本實(shí)施例中用細(xì)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(tái)無(wú)需三維調(diào)節(jié)，對(duì)夾持部分的長(zhǎng)度也沒有特定要求。本實(shí)施例特別適用于非直視凹陷縫隙內(nèi)部隱蔽表面的測(cè)量。
參見圖4，(13)為光電管，它安裝在一個(gè)帶小孔的金屬盒(14)內(nèi)，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(tái)上，安裝時(shí)使其小孔位于第二個(gè)半反分束鏡反射的干涉光束區(qū)域內(nèi)，小孔軸線與該光束軸線垂直。所述干涉光束從小孔中進(jìn)入到光電管(13)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入到常規(guī)的信號(hào)放大電路(15)中，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(16)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸?shù)接?jì)算機(jī)(9)中進(jìn)行處理。
權(quán)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(shù)中的激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機(jī)及與之相連接的數(shù)據(jù)處理機(jī)，其中光路部件均設(shè)置在一個(gè)能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的工作平臺(tái)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(shè)置有一根梯度折射率光纖，該光纖的一端由三維調(diào)整架夾持，它的另一端伸出工作臺(tái)外，所述三維調(diào)整架夾持中心線與透射光束軸線重合。
2.如權(quán)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(shè)有第二個(gè)半反分束鏡，該鏡鏡面法線與第一個(gè)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(shè)置有光電探測(cè)器，其輸出信號(hào)線與數(shù)據(jù)處理機(jī)連接，該鏡的透射光束射到觀察屏上。
3.如權(quán)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(zhǎng)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(quán)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(cè)器由光電管、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其光電管的光敏面位于反射干涉光束區(qū)域內(nèi)且與干涉光束軸線方向垂直。
專利摘要本實(shí)用新型梯度折射率光纖球面波干涉儀涉及干涉計(jì)量應(yīng)用及物體表面形態(tài)、振動(dòng)的測(cè)量技術(shù)。所述干涉儀包括激光器、半反分束鏡、觀察屏、攝象機(jī)及數(shù)據(jù)處理機(jī),光路部件設(shè)置在一三維工作平臺(tái)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(diào)整架夾持,另一端伸出工作臺(tái)外,三維調(diào)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(shè)有第二個(gè)半反分束鏡,該鏡反射光路上設(shè)有光電探測(cè)器,其輸出信號(hào)線與數(shù)據(jù)處理機(jī)連接。它能對(duì)微區(qū)進(jìn)行面形和振動(dòng)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B9/02GK2386421SQ9922845
公開日2000年7月5日 申請(qǐng)日期1999年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月26日
發(fā)明者明海, 束繼組, 梁忠誠(chéng), 孫曉紅, 段俐, 謝建平, 康琦, 吳云霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所