具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置的製作方法

2023-04-25 08:41:06 1

專利名稱：具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光電測量和監測技術領域，特別涉及一種具有圖像顯示的光幹涉
條紋可逆計數裝置。
背景技術：
光的幹涉測量檢測技術因具有很高的精度而得到廣泛的應用，特別是在教學、科 研及光傳感領域。兩束或多束頻率相同、相位差恆定、偏振方向相同、光強相差不大的光在 空間相遇發生幹涉，產生穩定的幹涉條紋。當相位差發生改變時，光強空間分布發生變化， 從而導致幹涉條紋的移動。利用這一原理構成的光學傳感器可測量微小位移、溫度、電壓、 電流等物理量。 一般情況下由於光強較弱，光幹涉條紋需要在暗環境中利用接收屏來觀察， 或者利用顯微鏡來進行觀察。在利用光的幹涉進行動態測量、監測的過程中，需要記錄幹涉 條紋移動的數目。對於變化範圍較大，或者變化速度較快的過程，憑藉眼睛直接觀察或者通 過顯微鏡觀察進行人工記錄條紋移動的數目，難以操作，甚至在有些情況下根本無法實施。 目前，一般的光學幹涉採用CCD來顯示幹涉條紋圖像。在光幹涉動態測量過程中 採用可逆計數器來自動記錄條紋移動的數目，但是存在以下問題 ①僅採用CCD顯示幹涉條紋圖像，而無自動計數裝置。雖然這樣可以非常直觀方 便地顯示幹涉現象，演示動態過程，但對於大範圍或快速變化的過程，無法進行準確測量。 ②僅有幹涉條紋移動計數裝置，而無顯示，不利於光幹涉現象的觀察，對於動態過 程缺乏形象化的顯示，尤其在實驗教學中缺乏直觀性。 ③一般的計數裝置採用單片機技術，或採用線陣光電器件，結構複雜，成本較高， 維護困難。

實用新型內容本實用新型的目的是克服現有技術的光學幹涉條紋測量僅採用CCD顯示幹涉條 紋圖像，而無自動計數裝置，對於大範圍或快速變化的過程，無法進行準確測量，或者僅有 幹涉條紋移動計數裝置，而無圖像顯示，對於動態過程缺乏形象化的顯示，尤其在實驗教學 中缺乏直觀性等問題，提供一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，其特徵在於，裝 置由光路系統、圖像顯示系統和可逆計數系統組成，光路系統中暗盒1為T型結構，暗盒1 有一個光場入射埠和兩個分別為幹涉條紋圖像光場出射埠和幹涉條紋計數光場出射 埠的光場出射埠，薄平面反射鏡2置於暗盒1內的下部入射幹涉光與幹涉條紋圖像光 場出射埠中心軸線的交匯處，薄平面反射鏡2的反射面與中心光線傳播方向的夾角為 45° ，薄平面反射鏡2將幹涉光場分為兩部分光場，入射的幹涉光場，經薄平面反射鏡2反 射面反射的幹涉光場為顯示幹涉條紋圖像光場，未經薄平面反射鏡2反射的幹涉光場為幹 涉條紋計數光場。圖像顯示系統由CCD攝像頭3和顯示器8構成，CCD攝像頭3置於暗盒1 的幹涉條紋圖像光場出射埠，其輸出端與顯示器8的輸入端連接。可逆計數系統由光電 轉換、光電信號信號處理電路6和可逆計數器7構成，光電轉換的光電二極體PDA4和光電
3二極體PDB5置於暗盒1的幹涉條紋計數光場出射埠檢測幹涉條紋計數光場的明暗條紋 變化，每個光電二極體前設置狹縫，狹縫的最大寬度小於幹涉條紋空間周期的1/2，兩狹縫 的間距為條紋空間周期的(N+1/4)倍，N為非負整數，光電二極體PDA 4和光電二極體PDB 5的光電信號輸出端分別與光電信號處理電路6中A路前置放大器9和B路前置放大器10 的輸入端相連，光電信號處理電路6把光電二極體PDA 4和PDB 5的輸出信號處理成相位 差為n/2的方波脈衝信號，光電信號處理電路6中整形電路13的A路和B路輸出端分別 與可逆計數器7的兩路輸入端連接，可逆計數器7進行判向和計數。 所述光電信號信號處理電路6包括A路前置放大器9，B路前置放大器10，正向放 大器ll，濾波器12，整形電路13。 A路前置放大器9的輸出端和正向放大器11的A路輸入 端連接，B路前置放大器10的輸出端和正向放大器11的B路輸入端連接，正向放大器11 的A路輸出端和濾波器12的A路輸入端連接，正向放大器11的B路輸出端和濾波器12的 B路輸入端連接，濾波器12的A路輸出端和整形電路13的A路輸入端連接，濾波器12的B 路輸出端和整形電路13的B路輸入端連接，整形電路13的A、 B兩路輸出端分別與可逆計 數器7的兩路計數輸入端連接。正向放大器11的兩路輸出信號分別經雙路的濾波器12濾 波，濾去工頻消除幹擾後輸出至雙路的整形電路13的A、B兩路輸入端，經整形電路13整形 後，整形電路13輸出兩路相位差為Ji /2的方波脈衝信號，這兩路方波脈衝信號輸入可逆計 數器7進行判向和計數。 本實用新型的有益效果為，同時實現了光幹涉條紋的圖像化顯示和移動條紋的自 動可逆計數，既可直觀顯示光的幹涉現象及其動態變化過程，便於人工記錄條紋移動數目， 又可以對速變過程或大範圍變化過程進行準確的自動測量。裝置的計數範圍只取決於計數 器，計數範圍大，性能穩定，抗幹擾能力強，具有通用性，結構簡單，製作成本低。

圖1為本實用新型系統結構框圖； 圖2為可逆計數系統電路方框圖； 圖3為本實用新型所顯示的光幹涉條紋圖像。 圖中，l一暗盒，2—薄平面反射鏡，3—CCD攝像頭，4一光電二極體PDA，5—光電 二極體PDB， 6—光電信號信號處理電路，7—可逆計數器，8—顯示器，9一A路前置放大器， IO—B路前置放大器，11—正向放大器，12—濾波器，13—整形電路。
具體實施方式圖1為本實用新型實施例的系統框圖。裝置分為光路系統、圖像顯示系統和可逆 計數系統三部分。光路系統中暗盒1做成T型，有一個光場入射埠和兩個光場出射埠， 並根據具體需要確定其幾何尺寸，以獲得足夠的光束寬度和幹涉條紋間距。利用兩條光纖 將兩束相干光從暗盒1的光場入射埠引入暗盒1內產生入射幹涉光場，兩個光場出射端 口分別安裝CCD攝像頭3和光電二極體PDA4與光電二極體PDB5。薄平面反射鏡2置於暗 盒1內的下部入射幹涉光與CCD攝像頭3中心軸線的交匯處，反射面與入射光線傳播方向 的夾角為45° ，保證反射光照滿CCD攝像頭3的感光屏，又能使兩個光電二極體的光敏面 都在幹涉條紋光場內。為減少因反射鏡厚度而阻擋的幹涉光場，光路中採用厚度小於lmm的矽片作為平面反射鏡，尤其是在光纖幹涉等幹涉域較小的情況下，這一點尤為重要。薄平 面反射鏡2將幹涉光場分為顯示幹涉條紋圖像光場和幹涉條紋計數光場兩部分光場，圖像 顯示系統由CCD攝像頭3和顯示器8構成，CCD攝像頭3置於暗盒1的幹涉條紋圖像光場 出射埠，其輸出端與顯示器8的輸入端連接。可逆計數系統由光電轉換、光電信號信號處 理電路6和可逆計數器7構成，光電轉換的光電二極體PDA4和光電二極體PDB5置於暗盒 1的幹涉條紋計數光場出射埠檢測幹涉條紋計數光場的明暗條紋變化，每個光電二極體 前設置狹縫，狹縫的最大寬度小於幹涉條紋空間周期的1/2，兩狹縫的間距為條紋空間周期 的(N+1/4)倍，N為3，光電二極體PDA4和光電二極體PDB 5的光電信號輸出端分別與光電 信號處理電路6中A路前置放大器9和B路前置放大器10的輸入端相連，兩個光電二極體 PDA4和PDB5輸出的光電信號分別經光電信號處理電路6處理成相位差為n/2的方波脈衝 信號，輸入可逆計數器7進行判向和計數。 圖像顯示系統的CCD攝像頭3選用監測用視頻輸出CCD，並去掉前面的成像透鏡。 CCD攝像頭3和顯示器8之間用視頻信號線連接。顯示器8為液晶小型顯示器。 如圖2所示，可逆計數系統中，光電二極體PDA 4的輸出光電信號經A路前置放大 器9放大後輸入雙路的正向放大器11的A路，光電二極體PDB5的輸出光電信號經B路前 置放大器IO放大後輸入雙路的正向放大器11的B路，正向放大器11的兩路輸出信號分別 經雙路的濾波器12濾波，消除工頻幹擾，輸入雙路的整形電路13，經整形電路13整形後，輸 出兩路相位差為n /2的方波脈衝信號，輸入可逆計數器7進行判向和計數。 在光電轉換和信號處理中，由於一般幹涉光信號比較弱，而且每個光電二極體前 狹縫的最大寬度小於幹涉條紋空間周期的1/2，只探測到不足一個亮條紋的光信號，且需要 足夠的頻率響應，因此光電二極體PDA 4和光電二極體PDB5選用高速和有較大輸出功率的 PIN光電二極體，並使其工作在光導模式。光電轉換後的A路前置放大器9和B路前置放 大器10的信號放大用運算放大器選用低失調電壓、低偏置電流器件，如0PA277或0PA2277 等。前置放大器中的反饋電阻可根據光強強弱確定其阻值，為降低電阻熱噪聲並綜合考慮 後續放大電路的放大倍數，一般選用MQ量級低值電阻。正向放大器ll的運算放大器選用 0PA2277雙運算放大器，濾波器12的運算放大器選用通用器件LM324，濾波器12的運算放 大器及其外圍元件構成的陷波電路對信號進行濾波，以消除工頻幹擾。整形電路13由基準 電壓源TL431、施密特觸發器LM339及其外圍元件構成。通過施密特觸發器構成的整形電 路，得到穩定的計數方波脈衝信號，有效抑制因信號幹擾而引起計數器誤計數。可逆計數器 7選用成型的計數儀器，如DHC8J型計數器等。光電二極體的引線採用屏蔽線，並且在線路 板上注意信號的共地連接。 用本實用新型檢測光幹涉移動條紋自動可逆計數同時圖像化顯示的光幹涉條紋 圖像如圖3所示。 本實用新型適用於教學、科研和工程監測等的光幹涉條紋的動態圖像化顯示及光 幹涉條紋移動數目的自動可逆計數測量。
權利要求一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，其特徵在於裝置由光路系統、圖像顯示系統和可逆計數系統組成，光路系統中暗盒(1)為T型結構，暗盒(1)有一個光場入射埠和兩個分別為幹涉條紋圖像光場出射埠和幹涉條紋計數光場出射埠的光場出射埠，薄平面反射鏡(2)置於暗盒(1)內的下部入射幹涉光與幹涉條紋圖像光場出射埠中心軸線的交匯處，薄平面反射鏡(2)的反射面與中心光線傳播方向的夾角為45°，圖像顯示系統由CCD攝像頭(3)和顯示器(8)構成，CCD攝像頭(3)置於暗盒(1)的幹涉條紋圖像光場出射埠，其輸出端與顯示器(8)的輸入端連接，可逆計數系統由光電轉換、光電信號信號處理電路(6)和可逆計數器(7)構成，光電轉換的光電二極體PDA(4)和光電二極體PDB(5)置於暗盒(1)的幹涉條紋計數光場出射埠檢測幹涉條紋計數光場的明暗條紋變化，每個光電二極體前設置狹縫，狹縫的最大寬度小於幹涉條紋空間周期的1/2，兩狹縫的間距為條紋空間周期的(N+1/4)倍，N為非負整數，光電二極體PDA(4)和光電二極體PDB(5)的光電信號輸出端分別與光電信號處理電路(6)中A路前置放大器(9)和B路前置放大器(10)的輸入端相連，光電信號處理電路(6)中整形電路(13)的A路和B路輸出端分別與可逆計數器(7)的兩路輸入端連接。
2. 根據權利要求1所述的一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，其特徵在 於，所述光電信號信號處理電路(6)包括A路前置放大器(9)， B路前置放大器(IO)，正向 放大器(ll)，濾波器(12)，整形電路(13)，A路前置放大器(9)的輸出端和正向放大器(11) 的A路輸入端連接，B路前置放大器(10)的輸出端和正向放大器(11)的B路輸入端連接， 正向放大器(11)的A路輸出端和濾波器(12)的A路輸入端連接，正向放大器(11)的B路 輸出端和濾波器(12)的B路輸入端連接，濾波器(12)的A路輸出端和整形電路(13)的A 路輸入端連接，濾波器(12)的B路輸出端和整形電路(13)的B路輸入端連接，整形電路 (13)的A、B兩路輸出端分別與可逆計數器(7)的兩路計數輸入端連接。
3. 根據權利要求1所述的一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，其特徵在 於，所述CCD攝像頭3為監測用視頻輸出CCD，並去掉成像透鏡。
4. 根據權利要求1所述的一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，其特徵在 於，所述顯示器(8)為液晶小型顯示器。
專利摘要本實用新型涉及一種具有圖像顯示的光幹涉條紋可逆計數裝置，屬於光電測量和監測技術領域。裝置由光路、圖像顯示和可逆計數三系統組成。光路系統中暗盒為T型結構，薄平面反射鏡置於暗盒內下部，其反射面與中心光線傳播方向的夾角為45°，將幹涉光場分為幹涉條紋圖像光場和幹涉條紋計數光場。CCD攝像頭檢測幹涉條紋圖像由顯示器顯示。可逆計數系統的兩個光電二極體檢測幹涉條紋計數光場的明暗條紋變化，兩者輸出的光電信號經光電信號處理電路處理成相位差為π/2的方波脈衝信號，輸入可逆計數器進行判向和計數。本實用新型能同時實現光幹涉條紋的圖像化顯示和移動條紋自動可逆計數，用於教學科研和工程監測等的光幹涉條紋測量。
文檔編號G06M1/272GK201514225SQ20092022261
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月14日 優先權日2009年9月14日
發明者吳念樂, 梁昌林 申請人:清華大學