专利名称：集成式光学干涉三维振动监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及动监测仪，特别是一种集成式光学干涉三维振动监测仪。
背景技术：
机械结构的低频振动普遍具有衰减慢、振幅大和难隔振等特点。在大型光学精密 机械平台中，低频振动通过光学元件会对在其中传播的光束产生不可忽略的影响，因此有 效监测光学平台的振动是非常重要的。 传统的光学干涉测量方法，都是采用双光束干涉，其中一束作为参考光，另外一束 作为测量光，通过光电探测器检测干涉条纹的变化，来反映物体的振动状况。如"机械振动 测量的激光干涉技术原理及其应用"一文中提到的测量方法，一方面进行干涉的两列波均 为平面波，只能反映物体振动的二维信息，不能有效反映物体的三维振动；另一方面在测量 过程中，没有采取对激光束锁定等措施，这样可能会由于光路本身的振动使干涉条纹发生 变化，从而影响对被测物体的监测的干扰，也就是说不能有效地区分被测物体的振动和监 测光路的振动。 因此，若要实现实用性的测量，有两方面需要注意一方面要实现振动分离，目前 还没有好的方案；另一方面要实现对物体振动的三维监测，现在通常都是采用多个平台进 行测量，相对而言比较复杂，不实用，如在文献"带有三维激光干涉仪和压电位移执行器的 新型主动隔离系统"中提到的方法。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种集成式光学干涉三维振动 监测仪，该监测仪可以实现区分被测物体振动与测量光路振动的光学干涉的三维监测。
本发明的技术解决方案如下 —种集成式光学干涉三维振动监测仪，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第一透镜、分光棱镜、光阑、测量反射镜，所述的测量反射镜固定在待
监测物体的表面上，所述的分光棱镜的分光面与所述的光轴的夹角为45° ，该分光棱镜的
分光面将从入射面输入的激光束分为反射光和透射光，该分光棱镜中与所述的入射面相对
的一面的外围镀有全反膜，中间留有通光孔，所述的透射光中通过通光孔和光阑并直射所
述的测量反射镜的光束为探测光束，该分光棱镜的反射面镀有全反膜，所述的反射光经所
述的反射面反射后称为参考光束，与所述的反射面相对的一面是相干光输出面，在该分光
棱镜的相干光输出面外依次是第二透镜、第三透镜和光电探测器并构成探测系统。 激光器发出的光经过第一透镜之后，以发散光的形式入射到分光棱镜上，经分光
面将入射光线分成两束反射光和透射光。其中反射光束作为参考光，被镀有全反膜的侧面
反射后，直接回到分光面。而透射光则又分成了两部分 位于外围的光束受这一侧面四周所镀反射膜的影响，直接反射回分光面，与参考 光束会合之后，通过两个透镜进行縮束，最后照射到光电探测器上，形成外环干涉条纹；而位于内圈的光束则通过中间的通光孔以及光阑之后，被测量反射镜反射，然后同样返回到
分光面，与参考光束的中间部分进行干涉，在光电探测器上形成内环条纹。 本发明与现有技术相比所具有的优点和效果是，光路本身的监测与被测物体的监
测两者相互独立。外环的干涉条纹是由分光棱镜本身两个侧面的反射光干涉形成的，并不 包含任何被测物体的信息，因此只反映了光路本身的信息。如果外环条纹发生了变化，则说 明测量光路振动了。而内环的干涉条纹由于是由从测量反射镜返回的光和参考光干涉形成 的，因此可以反映物体的振动状况。由于测量光路的变化也会引起内环的变化，因此在外 环、内环同时变化的情况下，内环条纹的变化并不能正确反映被测物体的振动情况。只有在 保证测量光路不动，即外环条纹没有变化的情况下，内环条纹的变化才能完全反映被测物 体的振动。同时，本发明将主要光路集成于单块分光棱镜中，结构简单，稳定可靠。另外，进 行干涉的两列波都源自于激光器发出的经过透镜之后的发散光，因此均为球面波，可以实 现区分被测物体振动与测量光路振动的光学干涉的三维监测。


图1是本发明的装置示意图； 图2是本发明实施例的光路示意图； 图3是本发明三维监测原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 由图1可见，本发明集成式光学干涉三维振动监测仪，包括激光器l，特征在于，沿 该激光器1输出光束的前进方向依次是同光轴的第一透镜2、分光棱镜3、光阑8和测量反 射镜9，所述的测量反射镜9固定在待监测物体10的表面上，所述的分光棱镜3的分光面与 所述的光轴的夹角为45° ，该分光棱镜3的分光面将从入射面输入的激光束分为反射光和 透射光，该分光棱镜3中与所述的入射面相对的一面的外围镀有全反膜5、7，中间留有通光 孔6，所述的透射光中通过通光孔6和光阑8并直射所述的测量反射镜9的光束为探测光 束，该分光棱镜3的反射面4镀有全反膜，所述的反射光经所述的反射面4反射后称为参考 光束，与所述的反射面4相对的一面是相干光输出面，在该分光棱镜3的相干光输出面外依 次是第二透镜11、第三透镜12和光电探测器13并构成探测系统。 下面结合图2对本发明的具体监测方法进行说明。在本实施例中，所述的激光器 1为He-Ne激光器。 激光器1发出的光经过第一透镜2之后，以一束发散光束的形式照射在分光棱镜
3的入射面上。该分光棱镜3通过分光面将入射光分成反射光和透射光两部分。 其中反射光部分，即光线16与17之间的光束，经过分光棱镜3的全反面4的反射
后，直接到达干涉区域。这部分光作为参考光，存在于光线18与19之间。 透射光部分又可分为两部分 其中位于外围的光束，即光线14与20之间的以及15与23之间的光束，经过全反 膜5和7的反射后，又经光棱镜3的分光面的反射也直接到达干涉区域。这部分光，存在于 光线24与25之间以及28与29之间，与参考光进行干涉，形成外环干涉条纹，用于监测光
4路本身的振动。 另一部分透射光，即位于内圈的透射光，即光线21与22之间的光，则通过通光孔 6和光阑8之后，到达测量反射镜9，然后反射回所述的分光棱镜3，经分光棱镜3的分光面 的反射后与参考光束会合后到达干涉区域，形成测量光束。这部分光位于光线26与27之 间，同样与参考光进行干涉，形成内圈干涉条纹，用于监测被测物体的振动。值得注意的是， 位于光线20与21之间的光束以及光线22与23之间的光束，部分因为光阑8的表面为漫 反射面，光束进行了漫反射，部分经过测量反射镜9反射之后被光阑8挡住，都并没有反射 回光电探测器13，如光线30所示。这样在内圈干涉条纹和外环干涉条纹之间就会形成部分 空白，即光线26与25以及27与28之间的部分，从而可以清楚的分辨开两部分干涉条纹。
由图2可知，进行干涉的两列波均为球面波，因此可以实现三维监测。下面对此原 理进行简单说明。
对于球面波而言，Z = 0平面的位相函数为

% "。U(P &)2 +(少_凡)2 +《]1/2 -(《+乂 +《)1/2} 其中(x。，y。，z。)为球面波的中心位置，令《+凡2+《=/。2
x2 + _y2 — 2(xx。 +肌)-
]1/2-u
(1)
(1)式可化简为
(2)
当方括号中含1/1。2的项小于1时，用二项式定理展开(2)式，并在菲涅耳近似的
条件下，忽略1/1。3以上的项，可得
1 n …' 、， (3) 在本发明中，在光电探测器13上进行干涉的两列球面波都是由位于光线14与15 之间的光经过一系列反射形成的。因此，可以认为存在等效的虚拟光源，干涉条纹是由它们 发出的球面波形成的，虚拟光源的位置可以通过反射定理求出。 假设参考光波和测量光波虚拟光源的位置分别为(xK， yK， zK) ， (x。， y。， z。)，类似地，
它们在探测面上的位相函数可以写成
1
%"。il> +少-2(码+肌)]
^。 = ^ ^"[ + 一 2"X。 + "。)]
(4)
(5) 从而，可以得出光程差函数为
A = + / )(丄—丄)_ x(-^ — — —
2/ 2// /。 /fi 因为峰值强度位置处的光程差A 以在一级近似下求出条纹方程为
/0
n入
乙
(6)
(n = 0， ±1， ±2，…)，代入(6)式，可
<formula>formula see original document page 6</formula> 再次说明了干涉条纹为一族同心圆，圆心坐标为
<formula>formula see original document page 6</formula> 条纹的曲率半径为
<formula>formula see original document page 6</formula> 当被测物体振动时，测量反射镜相应振动，引起测量光波发生变化，这也就相当于 改变了虚拟光源的位置。由(8)式和(9)式可以看出，最终引起干涉条纹的圆心位置和曲 率半径改变。而且从图2可以看出，在被测物体10进行如图所示三个方向的振动时，无论 哪个方向都会引起虚拟光源的位置改变，导致干涉条纹变化。正是利用这一点实现了平面 波干涉所不能实现的三维监测。 如图3所示，假设R和0分别为参考光波和测量光波的虚拟光源，那么当被测物体 10进行如图2所示三个方向的振动时，都会引起0点发生变化，而且其变化量最终都可以分 解到图3所示的x， y， z三个方向上。 根据(8)式和(9)式，当O沿z轴方向振动时，干涉条纹的中心不发生变化，只有 曲率半径变化。也就是说当0沿z轴正向运动时，干涉条纹将进行收縮，而反向运动时，条 纹则会发生扩张。同样分析可以得出当0沿x(y)轴方向振动时，干涉条纹的中心也会沿 x(y)轴方向振动，同时半径有微小变化。这样最终实现了对被测物体的三维监测。
由此可见，本发明实现了三维监测，以及光路监测与被测物体振动监测的分离，而
且结构简单，采用单块集成式，稳定可靠。
权利要求
一种集成式光学干涉三维振动监测仪，包括激光器(1)，特征在于，沿该激光器(1)输出光束的前进方向依次是同光轴的第一透镜(2)、分光棱镜(3)、光阑(8)、测量反射镜(9)，所述的测量反射镜(9)固定在待监测物体(10)的表面上，所述的分光棱镜(3)的分光面与所述的光轴的夹角为45°，该分光棱镜(3)的分光面将从入射面输入的激光束分为反射光和透射光，该分光棱镜(3)中与所述的入射面相对的一面的外围镀有全反膜(5、7)，中间留有通光孔(6)，所述的透射光中通过通光孔(6)和光阑(8)并直射所述的测量反射镜(9)的光束为探测光束，该分光棱镜(3)的反射面(4)镀有全反膜，所述的反射光经所述的反射面(4)反射后称为参考光束，与所述的反射面(4)相对的一面是相干光输出面，在该分光棱镜(3)的相干光输出面外依次是第二透镜(11)、第三透镜(12)和光电探测器(13)并构成探测系统。
全文摘要
一种集成式光学干涉三维振动监测仪，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第一透镜、分光棱镜、光阑和测量反射镜，所述的测量反射镜固定在待监测物体的表面上，在该分光棱镜的相干光输出面外依次是第二透镜、第三透镜和光电探测器并构成探测系统。本发明将光路主要部分集成于单块分光棱镜中，结构简单，稳定可靠。另外，进行干涉的两列波都源自于激光器发出的经过透镜之后的发散光，因此均为球面波，可以实现区分被测物体振动与测量光路振动的光学干涉的三维监测。
文档编号G01H9/00GK101750143SQ201010022859
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者冯滔, 刘德安, 孙明营, 张燕, 张雪洁, 朱健强, 杨朋千, 黄伟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所