测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于物体表面形貌的测量技术领域，由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，所说的光路元件包括激光器组件、分光镜、反射镜、准直透镜、二维朗奇光栅及摄像装置；机械结构包括连成一整体的竖套筒、横套筒、立柱、底板、导轨和导轨座；以及各光路元件的装配结构。本纹影仪装置不仅可同时获取ｘ、ｙ两方向上的面形变化梯度信息，而且具有结构紧凑、装配简单，使用方便的特点。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物体表面形貌的测量
，特别涉及朗奇光栅纹影仪装置的结构设计。纹影仪光学系统通过光投影的明暗变化来指示被测物体表面不规则性或内部条件所产生的折射率、反射率以及透射率的变化，因此常被用来进行流体流速场分析、溶液浓度分析、表面平直度分析等。一种用于测量反射表面的纹影仪装置，包括一点光源、一分光镜、一准直镜以及一刀口空间滤波器。其工作原理为；点光源发出的光经分光镜分光后，一路经准直镜准直后照射在被测物体表面上，另一路则会聚后成像在观察屏上。从被测表面反射回来的光束再经分光镜后会聚在像平面上，若被测表面是一平面的话，反射光束将在像平面上会聚成一无限小的光斑。若反射表面是一不规则的表面，其成像则或高于、或低于焦点。在焦点处放置一刀口，则该刀口会截断一部分的反射光束。被阻断的那部分光会在观察屏上形成暗条纹，而未被阻断的那部分光则在观察屏上形成亮条纹，从而在观察屏上便形成明暗相间的干涉图形。从该图形便可来检测被测表面的部分参数。从本质上讲，纹影仪所检测的是表面高度变化在一个方向(x)上的梯度变化，为要得到另一方面(y)上的变化，要么被测物体、要么刀口需转动90°，因此x、y方向上的梯度变化必须分开进行测量，且其方向不能确定。这种刀口式纹影仪的最大缺点是它是一种半定量的测量装置。对物体表面形貌的测量通常采用接触与非接触两类，在非接触测量中以光干涉和光线偏折法最为典型。干涉法测量的是光程差，而干涉图上各点的光强与光程差是一对多的关系，不能根据一张干涉图来完全确定被测表面的形貌，因此常在干涉法中引入相移技术，用多张干涉图来计算各点的相位，最终重构被测表面轮廓。缓变表面形貌的测量也是一个重要的测量课题，一些晶体在其生长过程中常需要研究和观察其浓度的变化以及表面形貌的宏观变化。因此相移干涉法不适合于测量变化的表面形貌。纹影仪法和莫尔测偏法由于测量的是光线偏折角，它不但包含了该点斜率的大小信息，而且也包含了斜率符号信息，因此适合于测量动态表面的形貌，则需同时获取两方向的表面梯度变化信息。而如前所述，无论是纹影法还是莫尔测偏法均不能同时获取两方向的梯度信息。在W.L.豪维斯，“彩虹式纹影仪与马赫-曾德尔干涉仪的比较”，《应用光学》，1985年，第24卷，第六期，第816-822页中描述了一种用于检测被测物表面平直度的彩虹式纹影仪装置，其中的空间滤波器用一块颜色盘来替代刀口。盘的中央区为透明，第一圈具有第一种颜色，第二圈为第二种颜色，其他的圈各具有不同的颜色。若被测表面为平面，则观察屏上的像为白色；反之则为不同的颜色。尽管用该法可同时检测被测表面在不同径向上的梯度变化，但该装置的缺点是不能敏感被测表面的切向梯度变化，因此是一种半定量的分析方法。在S.克莱恩等，“用于现场定量映照生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场式纹影显微镜”，《晶体生长杂志》，1997年，第179期，第240-248页中介绍了一种定量测量生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场型纹影仪显微镜，该法的基本装置为一纹影仪，在焦平面上同样设置一刀口空间滤波器。该装置的缺点也是不能同时获取x、y方向的浓度梯度，因此不能用于较快变化的扩散的测量，本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置，该纹影仪装置不仅可同时获取x、y两方向上的面形变化梯度信息，而且具有结构紧凑、装配简单，使用方便的特点。本专利技术的主要特点是在传统的纹影仪像平面的空间滤波器位置上替代刀口法而放置一块二维朗奇光栅，用于同时获取在x、y两方向上面形变化的梯度信息。该面形变化的梯度信息可被一摄像机所接收。对该图像信息分别进行逐行(x向)逐列(y向)的扫描和解调处理，则可获取被测表面在两方向上各自的变化梯度信息，从而可重构被测表面的形貌。本专利技术不仅能测量物体静态表面的形貌，而且也可测量变化表面的形貌。附图说明图1为本专利技术的实施例的光路元件组成及原理图，图2为本专利技术的实施例的总体结构示意图，图3为图2所示的本实施例的A-A剖视图，图4为本实施例的小孔滤波器调节机构示意图，图5为本实施例的扩束物镜调节机构示意图，图6为本实施例的激光器调节机构示意7为本实施例的光栅投影及摄像装置示意图，图8为本实施例的平面反射镜调节机构示意图，图9为实施例的二维朗奇光栅结构示意图。本专利技术提出的测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置的实施例由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，如图1-9所示，各组成部分结合各附图分别详细说明如下本实施例的测量装置的光路元件的组成及原理如图1所示，图中，激光器 发出的激光束由扩束物镜2扩束，经小孔滤波器3消除杂散光之后，由分光镜4改变其一部分光的传播方向，经平面反射镜7改变光路，然后经非球面准直透镜8准直后照射在被测物体9上，该平行光被被测物体9反射后，按原路返回经分光镜4再次将光分为两路，其中一路会聚在焦平面上，经空间滤波器5投影到CCD摄像机6的感光阵列上。其中，空间滤波器5采用二维朗奇光栅。本实施例的纹影仪装置的总体结构如图2所示。图中，该纹影仪装置包括上套筒12、下套筒13、横套筒14、上立柱15、下立柱16、中间板17、底板18、激光器组件19、光栅投影及摄像装置20、导轨21以及小孔滤波器的二维调节机构，扩束物镜调节机构，激光器组件的装配结构，朗奇光栅与摄像装置的装配结构，反射镜调节机构；激光器组件19由激光器1、扩束物镜2、减光片和小孔滤波器3所组成，激光器组件19用螺钉垂直连接在横套筒14的下方，在本实施例中，所用的激光器为一氦-氖激光器，也可用半导体激光器；分光镜4被安装在横套筒14中激光器组件19的上方、与激光器组件19的光轴成45°斜角；平面反射镜7被安装在平面镜透镜机构11上，整个平面镜透镜机构11用螺钉固定在上套筒12顶部凸台22上，与水平光轴倾斜成45°，平面镜透镜机构11与凸台22间加有垫圈24；上套筒12的顶部最后用盖板25经螺钉盖死；非球面准直透镜8被配置在上套筒12底部的压圈25上；光栅投影及摄像装置20被配置在导轨21上，并可沿导轨21前后移动，以调节光栅在光路中的位置；导轨21则被用螺钉连接在水平导轨座26上，水平导轨座26则用螺钉与垂直导轨座27相连，垂直导轨座27则用螺钉连接到横套筒14上，水平导轨座26则被连接到上立柱15上；上立柱15和下立柱16均为中空的圆柱体；上立柱15、下立柱16、中间板17用于连接上套筒12和下套筒13使之成一整体；下套筒13为一空心半圆柱，用于容纳被测物体9；被测物体9放置于下套筒13中的三个调节螺钉28之上，调节螺钉28被用来调节被测物体9的水平状态；整个仪器用三个固定螺钉29加以固定并调整成水平状态。图3为图2所示的本专利技术的测量装置的A-A剖视图，其中下套筒13和下立柱16被配置在底板18上，一弧形外罩30与下套筒13形成一内室31用于容纳被测物体9，外罩30可在环形槽32中滑动，其外部由两结合在一起的半圆环件33和34所定位。为将小孔滤波器3的小孔调到与光束会聚点重合，采用的二维调节机构实施例结构如图4所示。图中，小孔3固定在滑块101上，滑块101可在滑块102的滑糟内移动，滑块102又可沿框架111上的配合面移动。用螺钉103和104各调节一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置，由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，所说的光路元件包括由激光器、扩束物镜和小孔滤波器所组成激光器组件、分光镜、反射镜、准直透镜、由二维朗奇光栅构成的空间滤波器及摄像装置；所说的机械结构包括连成一整体的竖套筒、横套筒、立柱、底板、导轨和导轨座；以及小孔滤波器的二维调节机构，扩束物镜调节机构，激光器组件的装配结构，朗奇光栅与摄像装置的装配结构，反射镜调节机构；其连接关系为：安装有激光器组件的装配结构垂直连接在该横套筒的一侧，该分光镜安装在横套筒中位于激光器组件前方且与激光器组件的光轴成４５°斜角；该反射镜调节机构安装在竖套筒顶部，使该反射镜与水平光轴倾斜成４５°，该准直透镜设置在竖套筒底部的被测物体上方；装有朗奇光栅及摄像装置的装配结构安装在导轨上，导轨座安装在立柱上端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王伯雄，刘兴占，罗秀芝，束继祖，覃刚，萧晴，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]