CN100395516C - 光纤干涉式厚度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤干涉式厚度测量装置，其包括一测量光源、一光耦合器、一第一光纤、一第二光纤、一电光调制器、一光感知器，一信号处理器和一正弦信号产生器，其中，该测量光源连接至光耦合器，该光耦合器分别连接该两光纤的输入端，该电光调制器设置在该两光纤之一上，且该电光调制器与该正弦信号产生器连接，该光感知器连接至该光耦合器，并将包含厚度量测信息的干涉光信号转变成包含厚度量测信息的电信号输出至信号处理器。该信号处理器包括一ω频率滤波电路、一2ω频率滤波电路及与该两个滤波电路连接的一比较放大器。相较于现有技术，本发明结构简单，且信号分辨率高。

Description

光纤干涉式厚度测量装置
【技术领域】
本发明是关于一种厚度测量装置及其测量方法，特别是一种光纤干涉式厚度测量装置。
【背景技术】
在一平面上量测一微凸点的厚度，是表面非破坏性检测上经常遭遇的问题，在微凸点厚度很小时，如数微米(μm)至数十微米，常采用激光器做为光源，检测反射光强度，以进行厚度的量测，此种强度式的检测方式，常由于反射面粗糙度及反射率的不同，造成检测上的误差，因此有利用反射光形成干涉后，进行光相位差的检取，而转换成厚度的信息，但此种方式需利用到复杂且精密的光学镜组，因而系统复杂且调校不易，同时对于空间上光传导而言，要达成光相位的调变动作，进而降低光相位噪声是相当困难的，因而系统价格昂贵。
【发明内容】
为了克服现有技术中厚度测量装置结构复杂、检测易出现误差的问题，本发明提供一种结构简单、测量准确、可摆脱光强度变化而造成检测误差的光纤干涉式厚度测量装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：提供一光纤干涉式厚度测量装置包括一测量光源、一光耦合器、两光纤、一电光调制器、一光感知器，一信号处理器及一正弦信号产生器，其中，该测量光源的输出端连接至光耦合器的输入端，该光耦合器的输出端分别连接该两光纤的输入端，该电光调制器设置在该两光纤之一上，其利用电光效应将正弦信号产生器产生的角频率为ω的正弦信号施加在传输的光信号上，该光感知器的输入端连接至该光耦合器的输入端，其接收经由两光纤传输至光耦合器的包含厚度量测信息的干涉光信号，并将包含厚度量测信息的干涉光信号转变成包含厚度量测信息的电信号输出至信号处理器，该信号处理器包括一ω频率滤波电路、一2ω频率滤波电路及分别与ω频率滤波电路和2ω频率滤波电路连接的一比较放大器。
相比现有技术，本发明的光纤干涉式厚度测量装置利用迈克尔逊(Michaelson)光纤干涉仪的干涉光信号检取架构，使得整体结构简单、测量准确。本发明的光纤干涉式厚度测量方法利用干涉光相位差式检取厚度信号，其较干涉光强度方式检取可提高信号分辨率，使得测量准确；并且，本发明同时取出ω频率及2ω频率成份作相除方式的信号处理，可摆脱干涉光强度变化而造成的检取信号误差。
【附图说明】
图1是本发明光纤干涉式厚度测量装置的第一实施方式的结构示意图。
图2是本发明光纤干涉式厚度测量装置的第二实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1，是本发明第一实施方式的光纤干涉式厚度测量装置100。该光纤干涉式厚度测量装置100包括：一半导体激光器110、一光耦合器120、一第一光纤130、一第二光纤140、一电光调制器150、一光感知器160、一信号处理器170及一正弦信号产生器180。其中，该半导体激光器110的激光输出端连接至光耦合器120的输入端。该光耦合器120的输出端分别连接第一光纤130及第二光纤140的输入端。该第一光纤130与第二光纤140的输出端各分别设置一光纤准直器131及141。该光纤准直器131及141固定在一微调基座190的水平支撑臂191上，分别对准量测基准面的二待测点。该微调基座190是位于待量测基准面上，可相对基准面作微调移动，进而调整二待测点的位置。该光纤准直器131的激光输出面垂直对准基准面的待测物，该光纤准直器141的激光输出面垂直对准基准面。该电光调制器150设置在该第二光纤140中间，其利用电光效应将正弦信号产生器180产生的正弦信号施加在第二光纤140传输的激光信号上，以实现对光信号的调制。该光感知器160的输入端连接至该光耦合器120的输入端，其接收经由第一光纤130与第二光纤140传输至光耦合器120的包含厚度量测信息的干涉光信号，并将包含厚度量测信息的干涉光信号转变成包含厚度量测信息的电信号输出至信号处理器170。该信号处理器170接收光感知器160输入的包含厚度量测信息的电信号，并利用正弦信号产生器180产生的正弦信号进行计算处理，进而得出待测物的厚度信号输出。
本发明的第一实施方式中，该半导体激光器110、光耦合器120、第一光纤130及第二光纤140共同构成一迈克尔逊(Michaelson)光纤干涉仪，其将待测基准面二点的反射光形成光干涉，此时待测物厚度d的线性信息以干涉光相位差的形式隐藏在光干涉信号中，即：
干涉光信号＝A(1+Bcos(Φ0+knd))    (1)
式(1)中A，B是与反射光强度有关的常数；Φ0是光纤干涉仪固有光相位差，在此假设为0，k是波数(wave number)，n是介质折射率。但直接检测该干涉光信号的光强度变化，并无法获得厚度d的线性信号。
本发明的第一实施方式中，该电光调制器150、光感知器160及信号处理器170及正弦信号产生器180共同构成一信号处理单元，该信号处理单元的功能是将干涉光信号经信号处理后，摆脱干涉光强度变化及cosine函数的限制，直接获得厚度d得线性信号，其描述如下：
(1)该正弦信号产生器180产生一sinωt信号输入该电光调制器150，利用电光效应调制第二光纤140，使其中传输的光信号产生一光相位差sinωt，因此式(1)中干涉光信号变为：
干涉光信号＝A(1+Bcos(sinωt+knd))    (2)
(2)将式(2)中的干涉光信号利用光感知器160将其转变成对应的电信号，此电信号包含式(2)中的直流项、ω频率项、2ω频率项及许多ω高频谐波项成份。
(3)式(2)经傅立叶(fourier)函数展开分解其频率组成后，可得：
ω频率项成份＝C sin nd，
2ω频率项成份＝C cos nd，其中C是一和干涉光强度有关的常数。
(4)该信号处理器170利用ω频率滤波电路及2ω频率滤波电路分别滤出正比于sin nd及cos nd的电压信号后经一比较放大器比较后，可得一与干涉光强度无关而与tan nd呈线性关系的电压信号。
(5)一般而言，式(2)中的nd数值很小，由三角函数可知，tan nd可近似成nd，因此得到厚度d的线性信号，达成对量测面进行厚度线性量测的目的。
请参考图2，是本发明光纤干涉式厚度测量装置200的第二实施方式的结构示意图，其和第一实施方式的区别在于，该电光调制器250设置在该第一光纤230中间，其利用电光效应将正弦信号产生器280产生的正弦信号施加在第一光纤230传输的光信号上，以实现对光信号的调制。
本发明相对于现有技术，具有以下的有益效果：本发明的光纤干涉式厚度测量装置利用迈克尔逊(Michaelson)光纤干涉仪的干涉光信号检取架构，使得整体结构简单、测量准确。本发明的光纤干涉式厚度测量方法利用干涉光相位差式检取厚度信号，其较干涉光强度方式检取可提高信号分辨率，使得测量准确；并且，本发明同时取出ω频率及2ω频率成份作相除方式的信号处理，可摆脱干涉光强度变化而造成的检取信号误差。

Claims (5)

1.一种光纤干涉式厚度测量装置，其包括：一测量光源、一光感知器，其特征在于：其进一步包括一光耦合器、两光纤、一电光调制器、一信号处理器及一正弦信号产生器，其特征在于：该测量光源的输出端连接至光耦合器的输入端，该光耦合器的输出端分别连接二光纤的输入端，该电光调制器设置在该两光纤之一上，其利用电光效应将正弦信号产生器产生的角频率为ω的正弦信号施加在该两光纤之一传输的光信号上，该光感知器的输入端连接至该光耦合器的输入端，其接收经由两光纤传输至光耦合器的包含厚度量测信息的干涉光信号，并将包含厚度量测信息的干涉光信号转变成包含厚度量测信息的电信号后输出至信号处理器，该信号处理器包括一ω频率滤波电路、一2ω频率滤波电路及分别与ω频率滤波电路和2ω频率滤波电路连接的一比较放大器。
2.如权利要求1所述的光纤干涉式厚度测量装置，其特征在于：该二光纤的输出端各分别设置一光纤准直器。
3.如权利要求2所述的光纤干涉式厚度测量装置，其特征在于：该光纤准直器固定在一微调基座上。
4.如权利要求3所述的光纤干涉式厚度测量装置，其特征在于：该微调基座可作微调移动。
5.如权利要求1所述的光纤干涉式厚度测量装置，其特征在于：该测量光源是半导体激光器。
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