便携式散斑干涉仪的光路安排

　　本文通过理论分析与实验验证,设计了一种新型便携式数字散斑干涉仪,它的结构和体积不仅比一般的数字散斑干涉(DSPI)系统简单小巧,而且整个干涉系统可放进一个手提箱内,便于携带和使用。

　　1　数字散斑干涉测量原理简介

　　图1给出了在实验室中测量离面变形时所用的一般光路图。它的基本原理是:扩束以后的激光由半透镜6分成等强度的两束光,分别照到被测物体和参照物体上,由于参考物体和被测量物体同时在CCD摄像机靶面成像,因此靶面上得到的是被测物体的像和参考物体的像的相干叠加。若设被测物体在靶面上一点P形成的光振幅为U1,位相为1,对应的参考物体在这点形成的光的振幅为U2,位相为2,那么P点的总光强I0为

　　在物体未发生变形前先摄取第一幅图像,并将总光强I0数字化后存入计算机,然后在被测物体发生变形后记录第二幅图像,同样对光强I1数字化后存入计算机。这样,在物体的变形量不大的情况下,可设被测物体在靶面上P点形成的光的振幅大小仍为U1,位相变为1+Δ[1]。保持参考物体不变,则此时P点的光强可写为

　　式中,η为装置的反应系数。由式(3)可见,如果从屏幕上得到有关物体离面位移大小的余弦条纹图,由条纹图经过后续的信息提取计算[1]就能够获得物体的离面变形大小。

　　2　对普通测量光路的分析

　　公式(3)中sin2(1-2+Δ/2)为随机系数,决定了余弦条纹图的对比度,若2较小则条纹图对比度变差,从而影响测量精度。另外,由于CCD的噪声因素影响,过小则会减少图像的信噪比,使图像质量下降。分别为参考物体和被测物体在P点的光强,它由激光器功率和物体(参考物体和被测物体)的反射率及具体光路安排决定。在一般情况下,由于对物体表面进行斑化处理(如涂上银粉漆等),使物体的散射光有较大的发散角,加上成像透镜孔径有限和光线通过半透角镜时每次有二分之一的损耗,所以在普通的数字散斑干涉系统中虽然激光器的功率较大,但实际上真正起到测量作用的只是很少一部分。

　　3　改进后的数字散斑干涉光路

　　从上面对普通数字散斑干涉光路的分析可以看出,造成光的损失因素有两个:第一是角镜的半透作用,第二是物体对光散射的作用。若从这两方面对实验光路进行改进,设法减小散射光的发散角并去掉半透角镜,将可以提高对激光的利用率,降低实验对激光器功率的要求,从而以小功率的激光器实现数字散斑干涉测量,解决数字散斑干涉系统的小型化问题。按照这个思路,本文提出图2的光路设置。

　　3.1　光路简介