十字交叉立體分光器的光強計算方法與流程

技術領域

本發明涉及光學檢測領域，具體地說是一種十字交叉立體分光器的光強計算方法。

背景技術：

早期，與超聲、射線、磁學等檢測方法相比，利用光學特性進行光學檢測的應用并不廣泛，然而，伴隨著計算機、圖像處理和纖維光學等新技術的發展，光學檢測方法的實用性獲得了一定的發展。

激光技術的發展進一步推動了光學檢測方法的發展，并在無損領域中取得了較大的成果。目前基于光學特性的檢測方法主要有全息干涉法、散斑干涉法等。

1970年Leendertz建立了散斑干涉的基本原理，首次提出散斑相關干涉術(SPC)；1984年，Creath正式提出電子散斑干涉技術并將其作為一種新技術加以推廣；散斑干涉法測量面內變形時，需要兩束入射光以相等的角度入射到待測物表面，但現有實驗裝置中，分光光學零件是零散分布，如天津光學儀器廠WSG-1型電子散斑干涉裝置，很難保證兩束光的入射角度和光強的相等，這樣得到的干涉圖樣效果很差。

技術實現要素：

本發明為克服上述現有技術所存在的不足，提出一種十字交叉立體分光器的光強計算方法，以期能實現一路光輸入分成十字交叉立體式且各支路光強分布可調的五路光輸出，滿足多光束光學檢測或測量系統對于測量光的需求，從而提高檢測或測量系統的精度。

本發明為解決技術問題所采用的技術方案為：

本發明一種十字交叉立體分光器的光強計算方法的特點是：所述十字交叉立體分光器由外殼、頂壓螺絲組以及設置在所述外殼內的內部光路結構成；

所述外殼是由底板、蓋板和矩形側壁構成的腔體，所述蓋板表面開設有頂部輸入孔，所述底板和側壁各開設有一個輸出端孔，分別為：底部輸出孔、左側輸出孔、右側輸出孔、前側輸出孔、后側輸出孔；在側壁的左側壁和右側壁上各開設有四個頂壓螺紋孔；

所述內部光路結構，是由4個正方體分光棱鏡、11個等腰直角反射棱鏡、11個等腰直角支撐塊以及1個第一四方體棱鏡支撐塊組成底層和上層的雙層結構；所述等腰直角反射棱鏡的斜面上鍍有反射膜；所述正方體分光棱鏡的邊長與所述等腰直角反射棱鏡的直角邊長及其高相等；所述11個等腰直角支撐塊的尺寸與所述11個等腰直角反射棱鏡的尺寸相同；所述1個四方體棱鏡支撐塊的尺寸與所述正方體分光棱鏡的尺寸相同；

所述4個正方體分光棱鏡包括：第一正方體分光棱鏡、第二正方體分光棱鏡、第三正方體分光棱鏡和第四正方體分光棱鏡；

所述11個等腰直角反射棱鏡包括：第一等腰直角反射棱鏡、第二等腰直角反射棱鏡、第三等腰直角反射棱鏡、第四等腰直角反射棱鏡、第五等腰直角反射棱鏡、第六等腰直角反射棱鏡、第七等腰直角反射棱鏡、第八等腰直角反射棱鏡、第九等腰直角反射棱鏡、第十等腰直角反射棱鏡、第十一等腰直角反射棱鏡；

所述內部光路結構的底層結構為：所述第二正方體分光棱鏡位于所述底部輸出孔的正上方；所述第一四方體棱鏡支撐塊貼合在所述第二正方體分光棱鏡的正右方，并正對于所述前側輸出孔；所述第三正方體分光棱鏡貼合在所述第二正方體分光棱鏡的正后方；在所述第一四方體棱鏡支撐塊的正后方和第三正方體分光棱鏡的正右方之間貼合設置有所述第一等腰直角反射棱鏡；且所述第一等腰直角反射棱鏡的兩個直角面分別貼合在所述第一四方體棱鏡支撐塊的正后方和第三正方體分光棱鏡的正右方上；在所述第三正方體分光棱鏡的正后方貼合設置有所述第二等腰直角反射棱鏡；且所述第二等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合所述第三正方體分光棱鏡的正后方，另一個直角面朝向所述矩形側壁的正右方；在所述第二等腰直角反射棱鏡朝向所述矩形側壁正右方的直角面上貼合設置有所述第三等腰直角反射棱鏡，且所述第三等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合所述第二等腰直角反射棱鏡的直角面，另一個直角面朝向所述矩形側壁的正后方；在第三正方體分光棱鏡的正左方設置有所述第十一等腰直角反射棱鏡，且所述第十一等腰直角反射棱鏡的一個直角面朝向所述左側輸出孔，另一個直角面朝向正上方；在所述第一等腰直角反射棱鏡的正右方設置有所述第六等腰直角反射棱鏡，且所述第六等腰直角反射棱鏡的直角面朝向所述右側輸出孔，另一個直角面朝向正上方；

所述內部光路結構的上層結構為：所述第一正方體分光棱鏡貼合在所述第二正方體分光棱鏡的正上方，且位于所述頂部輸入孔的正下方；在所述第一正方體分光棱鏡的正右方貼合設置有所述第四等腰直角反射棱鏡，且所述第四等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合在所述第一正方體分光棱鏡的正右方，另一個直角面朝向所述側壁的正后方；在所述第四等腰直角反射棱鏡朝向所述側壁正后方的直角面上貼合設置有所述第四正方體分光棱鏡；在所述第四正方體分光棱鏡正右方貼合設置有所述第五等腰直角反射棱鏡，且所述第五等腰直角反射棱鏡的兩個直角面分別貼合所述第四正方體分光棱鏡正右方和所述第六等腰直角反射棱鏡朝向正上方的直角面；在所述第四正方體分光棱鏡的正后方貼合設置有所述第七等腰直角反射棱鏡，且所述第七等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合所述第四正方體分光棱鏡的正后方，另一個直角面朝向所述矩形側壁的正左方；在所述第七等腰直角反射棱鏡朝向所述矩形側壁正左方的直角面上貼合設置有所述第八等腰直角反射棱鏡，且所述第八等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合所述第七等腰直角反射棱鏡朝向所述側壁正左方的直角面，另一個直角面朝向所述矩形側壁的正前方；在所述第八等腰直角反射棱鏡朝向所述側壁正前方的直角面上貼合設置有所述第九等腰直角反射棱鏡；且所述第九等腰直角反射棱鏡的一個直角面貼合所述第八等腰直角反射棱鏡朝向所述矩形側壁正前方的直角面，另一個直角面朝向所述矩形側壁的正左方；在所述第九等腰直角反射棱鏡朝向所述側壁正左方的直角面上貼合設置有所述第十等腰直角反射棱鏡，且所述第十等腰直角反射棱鏡的兩個直角面分別貼合在所述第九等腰直角反射棱鏡朝向所述側壁正左方的直角面和所述第十一等腰直角反射棱鏡朝向正上方的直角面；

并有：

所述第一正方體分光棱鏡的分光面與所述第五等腰直角反射棱鏡的斜面相平行；

所述第二正方體分光棱鏡的分光面和所述第一四方體棱鏡支撐塊的正左方相垂直，且所述第二正方體分光棱鏡分光面的法線方向與正后方及正上方成45度夾角；

所述第三正方體分光棱鏡的分光面和所述第四正方體分光棱鏡的分光面分別與所述第四等腰直角反射棱鏡的斜面相平行；

利用所述11個等腰直角支撐塊分別填充所述內部光路結構的外表面，使得所述內部光路結構的底層結構和上層結構分別為對稱的8個立方體結構；

所述光強計算方法是按如下步驟進行：

假設所述第一正方體分光棱鏡的透射量和反射量之比為a₁:a₂；所述第四正方體分光棱鏡的透射量和反射量之比為b₁:b₂；所述第二正方體分光棱鏡的透射量和反射量之比為c₁:c₂；所述第三正方體分光棱鏡的透射量和反射量之比為d₁:d₂；假設所述輸入光強為I₀；則利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)分別獲得底部輸出孔的輸出光強I₁、左側輸出孔的輸出光強I₂、右側輸出孔的輸出光強I₃、前側輸出孔的輸出光強I₄和后側輸出孔的輸出光強I₅：

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

1、本發明分光器能實現一路光輸入能夠分成十字交叉立體式的五路光輸出，其中四路是在同一平面內各方向的輸出，保證了光路很好的對稱性，可以大大減小光學檢測或測量系統中由光路的不對稱性造成的測量誤差，還可以通過選取不同反射量和透射量比值的正方體分光棱鏡，得到所需的光強分布；從而解決了現有技術分光系統光路的不對稱性、光強分配調整困難、占用空間大、使用壽命短、成本高等問題。

2、本發明分光器采用的雙層立體對稱式結構，具有高度的集成性，結構緊湊，體積小，便于安裝和集成在被測環境中；由于光學器件采用的都是標準件，所以成本很低。

3、本發明分光器是采用螺絲頂壓的安裝方式，通過頂壓螺絲旋入頂壓螺紋孔，頂壓螺絲一端伸入立體分光器的內腔，并且頂壓在棱鏡和支撐塊上，整個內部光路結構就被固定在分光器腔內，克服了常規膠合固定的安裝方式帶來調試安裝和后期維修困難的問題，從而使得整個分光器拆卸方便，也不會對光學器件產生破壞。

4、本發明分光器具有很強的靈活性，可以根據檢測或測量系統的需要，對光路結構作簡單的調整，可以實現水平面上四路輸出光強均勻，從而提高了檢測或測量系統的精度，可有效地用于物體的三維光學顯微散斑變形與應變測量、多光束的無損檢測等。

附圖說明

圖1是本發明十字交叉立體分光器的結構爆炸圖；

圖2是本發明十字交叉立體分光器的結構外形示意圖；

圖3是本發明十字交叉立體分光器的分光光路原理圖；

圖4是本發明十字交叉立體分光器的棱鏡布局上下兩層剖視圖；

圖5是本發明十字交叉立體分光器的實現水平面上各光路光強均勻分布的結構爆炸圖；

圖6是本發明十字交叉立體分光器的實現水平面上各光路光強均勻分布的分光光路原理圖；

圖7是本發明十字交叉立體分光器的實現水平面上各路光強均勻分布棱鏡布局的上下兩層剖視圖；

圖中標號：I蓋板；II棱鏡組；III矩形側壁；IV頂壓螺絲組；V底板；1第五正方體分光棱鏡；2第一正方體分光棱鏡；3第四等腰直角反射棱鏡；4第四正方體分光棱鏡；5第五等腰直角反射棱鏡；6第六等腰直角反射棱鏡；7第七等腰直角反射棱鏡；8第八等腰直角反射棱鏡；9第九等腰直角反射棱鏡；10第十等腰直角反射棱鏡；11第十一等腰直角反射棱鏡；12第二正方體分光棱鏡；13第三正方體分光棱鏡；14第一等腰直角反射棱鏡；15第二等腰直角反射棱鏡；16第三等腰直角反射棱鏡；17第一四方體棱鏡支撐塊；18第十二等腰直角反射棱鏡；19第二四方體棱鏡支撐塊；A1頂部輸入孔；A2底部輸孔；B1右側輸出孔；B2左側輸出孔；C1前側輸出孔；C2后側輸出孔。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本實施例中，一種十字交叉立體分光器是由外殼、頂壓螺絲以及設置在外殼內的內部光路結構成；

外殼是由蓋板I、矩形側壁III和底板V構成的腔體，如圖1所示，蓋板I表面開設有頂部輸入孔A1，底板V開設有底部輸出孔A2，矩形側壁III各開設有一個輸出端孔，分別開設四個輸出端孔，分別為：左側輸出孔B2、右側輸出孔B1、前側輸出孔C1、后側輸出孔C2；在側壁III的左側壁和右側壁上各開設有四個頂壓螺紋孔；

內部光路結構，是由4個正方體分光棱鏡、11個等腰直角反射棱鏡、11個等腰直角支撐塊以及1個第一正方體支撐塊17組成底層和上層的雙層結構，結構緊湊且便于固定；正方體分光棱鏡的邊長與等腰直角反射棱鏡的直角邊長及其高相等；等腰直角反射棱鏡的斜面上鍍有反射膜；11個等腰直角支撐塊的尺寸與11個等腰直角反射棱鏡的尺寸相同；1個正方體支撐塊的尺寸與正方體分光棱鏡的尺寸相同；

4個正方體分光棱鏡包括：第一正方體分光棱鏡2、第二正方體分光棱鏡12、第三正方體分光棱鏡13和第四正方體分光棱鏡4；

11個等腰直角反射棱鏡包括：第一等腰直角反射棱鏡14、第二等腰直角反射棱鏡15、第三等腰直角反射棱鏡16、第四等腰直角反射棱鏡3、第五等腰直角反射棱鏡5、第六等腰直角反射棱鏡6、第七等腰直角反射棱鏡7、第八等腰直角反射棱鏡8、第九等腰直角反射棱鏡9、第十等腰直角反射棱鏡10、第十一等腰直角反射棱鏡11；

如圖4所示，以平行于下表面且距離下表面二分之一個正方體分光棱鏡邊長單位長度的平面為剖面生成的下層剖視圖，內部光路結構的底層結構為：第二正方體分光棱鏡12位于底部輸出孔A2的正上方；第一正方體支撐塊17貼合在第二正方體分光棱鏡12的正右方，并正對于前側輸出孔C1；第三正方體分光棱鏡13貼合在第二正方體分光棱鏡12的正后方；在第一正方體支撐塊17的正后方和第三正方體分光棱鏡13的正右方之間貼合設置有第一等腰直角反射棱鏡14；且第一等腰直角反射棱鏡14的兩個直角面分別貼合在第一正方體支撐塊17的正后方和第三正方體分光棱鏡13的正右方上；在第三正方體分光棱鏡13的正后方貼合設置有第二等腰直角反射棱鏡15；且第二等腰直角反射棱鏡15的一個直角面貼合第三正方體分光棱鏡13的正后方，另一個直角面朝向矩形側壁III的正右方；在第二等腰直角反射棱鏡15朝向矩形側壁III正右方的直角面上貼合設置有第三等腰直角反射棱鏡16，且第三等腰直角反射棱鏡16的一個直角面貼合第二等腰直角反射棱鏡15的直角面，另一個直角面朝向矩形側壁III的正后方；在第三正方體分光棱鏡13的正左方設置有第十一等腰直角反射棱鏡11，且第十一等腰直角反射棱鏡11的一個直角面朝向左側輸出孔B2，另一個直角面朝向正上方；在第一等腰直角反射棱鏡14的正右方設置有第六等腰直角反射棱鏡6，且第六等腰直角反射棱鏡6的直角面朝向右側輸出孔B1，另一個直角面朝向正上方；

如圖4所示，以平行于上表面且距離上表面二分之一個正方體分光棱鏡邊長單位長度的平面為剖面生成的上層剖視圖，內部光路結構的上層結構為：第一正方體分光棱鏡2貼合在第二正方體分光棱鏡12的正上方，且位于頂部輸入孔A1的正下方；在第一正方體分光棱鏡2的正右方貼合設置有第四等腰直角反射棱鏡3，且第四等腰直角反射棱鏡3的一個直角面貼合在第一正方體分光棱鏡2的正右方，另一個直角面朝向矩形側壁III的正后方；在第四等腰直角反射棱鏡3朝向矩形側壁III正后方的直角面上貼合設置有第四正方體分光棱鏡4；在第四正方體分光棱鏡4正右方貼合設置有第五等腰直角反射棱鏡5，且第五等腰直角反射棱鏡5的兩個直角面分別貼合第四正方體分光棱鏡4正右方和第六等腰直角反射棱鏡6朝向正上方的直角面；在第四正方體分光棱鏡4的正后方貼合設置有第七等腰直角反射棱鏡7，且第七等腰直角反射棱鏡7的一個直角面貼合第四正方體分光棱鏡4的正后方，另一個直角面朝向矩形側壁III的正左方；在第七等腰直角反射棱鏡7朝向矩形側壁III正左方的直角面上貼合設置有第八等腰直角反射棱鏡8，且第八等腰直角反射棱鏡8的一個直角面貼合第七等腰直角反射棱鏡7朝向矩形側壁III正左方的直角面，另一個直角面朝向矩形側壁III的正前方；在第八等腰直角反射棱鏡8朝向矩形側壁III正前方的直角面上貼合設置有第九等腰直角反射棱鏡9；且第九等腰直角反射棱鏡9的一個直角面貼合第八等腰直角反射棱鏡8朝向矩形側壁III正前方的直角面，另一個直角面朝向矩形側壁III的正左方；在第九等腰直角反射棱鏡9朝向矩形側壁III正左方的直角面上貼合設置有第十等腰直角反射棱鏡10，且第十等腰直角反射棱鏡10的兩個直角面分別貼合在第九等腰直角反射棱鏡9朝向矩形側壁III正左方的直角面和第十一等腰直角反射棱鏡11朝向正上方的直角面；

并有：

第一正方體分光棱鏡2的分光面與第五等腰直角反射棱鏡5的斜面相平行；

第二正方體分光棱鏡12的分光面和第一正方體支撐塊17的正左方相垂直，且第二正方體分光棱鏡12分光面的法線方向與正后方及正上方成45度夾角；

第三正方體分光棱鏡13的分光面和第四正方體分光棱鏡4的分光面分別與第四等腰直角反射棱鏡3的斜面相平行；

利用11個等腰直角支撐塊分別填充內部光路結構的外表面，與11個等腰直角反射棱鏡配對組成11小立方體，使得內部光路結構的底層結構和上層結構分別為對稱的8個立方體結構，這種對稱性的光路設計可以在水平面上形成十字交叉式的五路輸出光，結構緊湊，安裝、調試和固定都很方便；

傳統的光路部分都是通過膠合的方式固定的，無法實現后期的光路調整和維修，而本發明所采用的特殊的螺絲頂壓的安裝方式，先將底板V和矩形側壁III安裝固定在一起，形成一個腔體，再將上述棱鏡組按照一定的排列自由壘疊并放于腔體中，之后安裝固定蓋板I，通過頂壓螺絲組IV抵于頂壓螺紋孔中，利用頂壓螺絲組IV頂壓棱鏡組II，蓋板I、底板V、矩形側壁III和棱鏡組之間的相互擠壓使得內部光路結構固定在外殼腔體內，各棱鏡間無需膠合，當分光器需要調整光路以及后期的維修時，只需要旋動頂壓螺絲即可進行光路前期調整和后期維修，非常方便，更不會破壞各棱鏡；

如圖3所示，分光器是按如下過程進行一路輸入和五路輸出的分光處理：

分光器功能是通過分光棱鏡的分光和直角反射棱鏡的反射來實現的，入射光從頂部輸入孔A1進入分光器，經過第一正方體分光棱鏡2的分光面，使得入射光被分成兩路光束，包括第一反射光束和第一透射光束，第一反射光束和第一透射光束的光強是由第一正方體分光棱鏡2的反射量和透射量的比值決定的；

第一反射光束經過第四等腰直角反射棱鏡3的反射后，進入第四正方體分光棱鏡4的分光面，使得第一反射光束被分成兩路光束，包括第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束和第二透射光束的光強是由第四正方體分光棱鏡4的反射量和透射量的比值決定的；

第二反射光束依次經過第五等腰直角反射棱鏡5和第六等腰直角反射棱鏡6的反射后從右側輸出孔B1輸出，形成第一路輸出光；

第二透射光束依次經過第七等腰直角反射棱鏡7、第八等腰直角反射棱鏡8、第九等腰直角反射棱鏡9、第十等腰直角反射棱鏡10和第十一等腰直角反射棱鏡11的反射后從左側輸出孔B2輸出，形成第二路輸出光；

第一透射光束進入第二正方體分光棱鏡12的分光面，使得第一透射光束被分成兩路光束，包括第三反射光束和第三透射光束，第三反射光束和第三透射光束的光強是由第二正方體分光棱鏡12的反射量和透射量的比值決定的；

第三透射光束從底部輸出孔A2輸出，形成第三路輸出光；

第三反射光束進入第三正方體分光棱鏡13的分光面，使得第三反射光束被分成兩路光束，包括第四反射光束和第四透射光束；

第四反射光束依次經過第一等腰直角反射棱鏡14的反射和第一正方體支撐塊17的透射后從前側輸出孔C1輸出，形成第四路輸出光；

第四透射光束依次經過第二等腰直角反射棱鏡15和第三等腰直角反射棱鏡16的反射后從后側輸出孔C2輸出，形成第五路輸出光，這樣一路輸入光就實現了對稱的十字交叉立體五路輸出光。

本實施例中，十字交叉立體分光器的各輸出端光強計算按如下過程進行：

假設第一正方體分光棱鏡2的透射量和反射量之比為a₁:a₂；第四正方體分光棱鏡4的透射量和反射量之比為b₁:b₂；第二正方體分光棱鏡12的透射量和反射量之比為c₁:c₂；第三正方體分光棱鏡13的透射量和反射量之比為d₁:d₂；假設輸入光強為I₀；則利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)分別獲得底部輸出孔A2的輸出光強I₁、左側輸出孔B2的輸出光強I₂、右側輸出孔B1的輸出光強I₃、前側輸出孔C1的輸出光強I₄和后側輸出孔C2的輸出光強I₅：

根據不同的輸出光強需求，利用式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)，進行逆向計算，選取合適的分光棱鏡，這樣可以得到所需的輸出光強分布。

有些光學檢測裝置中需要四路光強相同的測量光束，基于圖4所示的棱鏡布局作適當調整，可以實現水平面上四路輸出光光強均勻，如圖5、圖6所示，并按如下步驟進行：

步驟1、設置一個由第十二等腰直角反射棱鏡18和一個等腰直角支撐塊構成的立方體結構以及第二四方體棱鏡支撐塊19；

步驟2、將由第十二等腰直角反射棱鏡18和一個等腰直角支撐塊構成的立方體結構替換第二正方體分光棱鏡12的位置，并使得第十二等腰直角反射棱鏡18的一個直角面貼合第一正方體分光棱鏡2的正下方，另一個直角面貼合第三正方體分光棱鏡13的正前方；

步驟3、在第一正方體分光棱鏡2的正左方貼合設置有第五正方體分光棱鏡1，且第一正方體分光棱鏡2的分光面與第五等腰直角反射棱鏡5的斜面相平行；

步驟4、在第五正方體分光棱鏡1的正下方貼合設置有第二四方體棱鏡支撐塊19；且第五正方體分光棱鏡1的分光面與第五等腰直角反射棱鏡5的斜面相平行；

步驟5、第一正方體分光棱鏡2、第四正方體分光棱鏡4和第三正方體分光棱鏡13全部選用透射量和反射量之比均為50：50的正方體分光棱鏡，從而使得側壁III上的四個輸出孔的輸出光強相同；

圖7是分別以平行于上表面且距離上表面二分之一個正方體分光棱鏡邊長單位長度的平面和以平行于下表面且距離上表面二分之一個正方體分光棱鏡邊長單位長度的平面為剖面生成的剖視圖。

如圖7所示，十字交叉立體分光器的實現水平面上各路光強均勻分布棱鏡布局的入射光進入第五正方體分光棱鏡1，第三路輸出光是經過第二正方體支撐塊19出射的，所以相比較圖4所示，頂部輸入孔A1和底部輸出孔A2的開孔位置都要向左平移一個正方體分光棱鏡邊長單位長度。