CN100465595C - 相位差测量装置及应用该装置的外差干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

一种相位差测量装置及应用所述装置的外差干涉测量系统，利用差动放大器将两个相同振幅的相位调制测试信号和相位调制参考信号相减并放大，或将来自外差干涉仪的光学信号以差动放大器相减并放大，不但降低背景噪声，还将相位调制信号转换成振幅调制信号，以振幅解调装置即时量取振幅大小，通过直接度量其振幅大小而界定相位变化，进而求得相位差值，有效提高测量的速率及灵敏度。

Description

相位差测量装置及应用该装置的外差干涉测量系统

本发明涉及一种相位解调装置、一种相位差测量装置及应用该相位差测量装置的外差干涉测量系统，特别是涉及一种可将相位调制信号解调为振幅调制信号，可达即时测量效果的解调装置、及非接触式偏振光外差干涉相位即时测量系统。

相位解调装置(phase demodulator，PD)可应用在相位调制信号(phasemodulation，PM)中进行相位解调，也可应用在通讯、资讯传输、精密测量和其他相关领域中，而一般相位解调装置是利用相位检测器(phase meter)、锁相放大器(lock in amplifier)和相位锁相回路(phase lock loop，PLL)等方法解调，也可经由频率调制(frequency modulation，FM)信号以zero-crossing的电路藉由计数器(counter)即时量取测试信号的频率数f_s，并和参考信号中计数器所读取的频率数f_r相减，而得到频率差值Δf＝f_s-f_r，再利用积分电路求得相位的变化。一般相位解调装置也可以利用相位比较器，以数位的方法比较测试信号和参考信号的相位差，而且将相位大小转换成电压信号输出。这些方法都是利用类比或数位的方式来比较测试信号和参考信号的相位差以测量相位。

另一方面，在奈米级的精密测量领域中，多以光的波长及光波间的干涉作为比对的基准，将所测量相位(phase)的变化应用在位移、角度、速度、长度、振动或其他相关物理量的测量上。由于激光(Laser)在时间与空间方面的高相干性，所以在这类干涉仪中都是以激光当作光源。光学外差干涉仪以测量相位应用在位移、角度、速度、长度、振动等物理量的精密测量已经相当成熟。但诸如温度等环境因素的变化，都会造成光学外差干涉仪的相位测量精度降低。因此，光学外差干涉仪的架构必须满足光学共同路径(optical common path configuration)使环境因素保持在相同状态，才可使相位免受外界环境的干扰。

以往的偏振光学共同路径外差干涉振动仪，在光学路径的配置方面不但运用Mach-Zehnder干涉仪，并突破、改良以往技术，却因最终感测相位差时，是藉由锁相回路(phase lock loop)，例如相位检测仪(phase sensitive detector)，锁相放大器(lock-in amplifier)等方法来测量相位大小，造成测量相位或多普勒频率反应的速率较慢，对于相位测量所要求的高精密度和快速反应的能力无法同时兼顾，以致严重限制此类外差干涉仪的功能。

本发明的目的在于提供一种相位解调装置，将相位调制信号转换成振幅调制信号，并以振幅调制信号的振幅大小来测量相位，以即时及灵敏地测量相位。

本发明的另一目的在于提供一种相位差即时测量装置，将来自激光外差干涉仪的光学信号藉由差动放大器处理、并以振幅调制方式输出，以迅速反应。

本发明的再一目的在于提供一种应用相位差即时测量装置的非接触式偏振光外差干涉相位即时测量系统，达到高精度即时测量效果。

本发明的又一目的在于提供一种应用相位差即时测量装置的非接触式偏振光外差干涉相位即时测量系统，使所度量的相位变化幅度甚大时，可以简单计数方式定量测量其变化。

本发明的又再一目的在于提供一种应用相位差即时测量装置的非接触式偏振光外差干涉相位即时测量系统，可明确区别度量相位的变化是朝向增加或是减少方向。

本发明的特征在于：利用差动放大器将两个相同振幅之相位调制测试信号和相位调制参考信号相减并放大，或将来自外差干涉仪的光学信号以差动放大器相减并放大，不但降低背景噪声，更将相位调制信号转换成振幅调制信号，而以振幅解调装置即时量取振幅大小，可借由直接度量其振幅大小而界定相位变化，和进而求得相位差值，有效提高测量的速率及灵敏度。

本发明相位解调装置，是用以测量一固定载波频率的相位调制测试信号I_s(ωt)＝2k₁cos(ωt+φ_s)和一相同载波频率的相位调制参考信号I_r(ωt)＝2k₂cos(ωt+φ_r)之间彼此的相位差，其中Δφ＝φ_s-φ_r，该两相位调制信号分别包括载波频率和时间乘积项，以及相位项的函数。该测量装置包括：二自动增益控制装置，分别用来调整该二相位调制信号的振幅，使该二相位调制信号的振幅大小相等(k₁＝k₂＝k)。一差动放大器，将分别来自该二自动增益控制装置的二相位调制信号相减并放大，以获得一振幅调制的输出信号，该输出信号正比于包括频率与时间乘积的函数，以及相位差函数的乘积。一信号处理装置，包括一振幅解调装置，用以解调及度量该差动放大器输出的振幅调制输出信号的振幅大小和/或其变化量。

本发明的相位差测量装置，用以测量由一偏振光学外差干涉仪的两束相互垂直线偏振光学信号分别转换出的电信号，该外差干涉仪的二束光学信号中的至少一束包含照射至一待测物所得的反射光，且各该光学信号的光强度大小相等，并分别包括频率差与时间乘积项、以及相位差项的函数。该测量装置包括：一差动放大器，供二电信号输入并相减和放大，由此，获得包括频率差与时间乘积的正弦函数、以及其与相位差正弦函数的乘积。一信号处理装置，用以度量相位差函数的振幅和/或其变化量。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，附图中：

图1是本发明第一较佳实施例的相位解调装置的示意图。

图2是本发明第二较佳实施例的单频稳频激光线偏振光共同路径外差干涉仪的示意图。

图3是本发明第三较佳实施例的双频相互垂直线偏振光外差干涉仪的示意图。

图4是图3的偏振光分析片造成P波与S波干涉的示意图。

图5是本发明第四较佳实施例的单频稳频激光线偏振光共同路径环形外差干涉仪的示意图。

图6是本发明第五较佳实施例的双频相互垂直线偏振光环形外差干涉仪的示意图。

图7是本发明第六较佳实施例的单频稳频激光线偏振光共同路径环形光纤外差干涉仪的示意图。

图8是本发明第七较佳实施例的单频稳频激光迈克尔孙干涉仪的示意图。

图9是本发明第二较佳实施例的实验结果。

如图1所示，本发明的相位差解调装置，是将相位调制测试信号I_s(ωt)＝2k₁cos(ωt+φ_s)和相位调制参考信号I_r(ωt)＝2k₂cos(ωt+φ_r)分别经由以载波频率为中心频率的带通滤波器10、11过滤后，各自输入对应的自动增益控制器(automatic gain control，AGC)12、13中，(k₁，k₂)分别为相位调制测试信号和相位调制参考信号的振幅大小，(φ_s，φ_r)分别为相位调制测试信号和相位调制参考信号的相位，而自动增益控制器是与一般的构造相同，所以在此不再详细叙述，经由自动增益控制器12、13，使得两信号的振幅大小相等，也就是k₁＝k₂＝k。则所测量的相位调制测试信号I_s和相位调制参考信号I_r可分别表示为I_s(ωt)＝2k₁cos(ωt+φ_s)与I_r(ωt)＝2k₂cos(ωt+φ_r)。再分别将相位调制测试信号I_s和相位调制参考信号I_r中的相位偏移

则可分别再表示成 $I_s\left(\mathrm{\ωt}\right)=2k\cos [\mathrm{\ωt}+\frac{1}{2}({\mathrm{\φ}}_s-{\mathrm{\φ}}_r)]$ 和 $I_r\left(\mathrm{\ωt}\right)=2k\cos [\mathrm{\ωt}-\frac{1}{2}({\mathrm{\φ}}_s-{\mathrm{\φ}}_r)]$ 将这两信号输入到差动放大器(differential amplifier)14，将两个载波频率相同且振幅大小相等的相位调制信号相减并放大，则输出信号可写成 $I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ωt}\right)=\left|4\mathrm{\γ}k\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$ Δφ＝(φ_s-φ_r)，γ为差动放大器的增益(gain)。这时候，相位变化Δφ可经过一信号处理装置15，利用振幅大小

的关系计算得出：如|Δφ|<10°，则因为

，输出信号可写成I_out(ωt)＝|2γkΔφ|sin(ωt)，由于此振幅大小直接正比于Δφ，因此，可顺利将相位调制信号转换成振幅调制信号(amplitude modulation，AM)，由该信号处理装置15中的振幅解调装置150即时测量相位大小，不但大幅度提高测量的反应速度，而且因为振幅大小和要测量的相位信号

成正比，并放大4γk倍，同步使得相位测量的灵敏度大幅提高。

该信号处理装置15中包含一相位比较器151，可将自动增益控制器12、13所输出的相位调制测试信号和相位调制参考信号的相位相互比较，而即时区别Δφ的正负值，并分辨Δφ的变化方向。该信号处理装置15中也可包括一电子计数器152，当测量的相位差可表示成Δφ＝2nπ+δ，n为整数，且0<δ<π时，则由该电子计数器152纪录n个脉冲信号，配合振幅大小

直接测量相位差δ，将相位测量范围可由参数(n，δ)而有效延伸。

此外，因I_out的振幅大小是|2γkΔφ|，本实施例的信号处理装置15也可提供一控制信号(error signal)，随时回馈控制使得相位归零(nulling)而达到控制的目的。另如将输出信号的振幅大小经过信号处理装置15中的微分电路153将振幅大小对时间微分，则 $\frac{d}{\mathrm{dt}}\left|2\mathrm{\&gamma;k\&Delta;\&phi;}\right|=2\mathrm{\&gamma;k}\frac{d\left(\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right)}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\&gamma;k}{\mathrm{\&omega;}}_S,$ 本发明可即时测量信号的瞬间频率ω_s而拥有频率解调的功能，其测量灵敏度可提高2γk倍，测量反应也大幅提高。另一方面如能预先设定相位偏差(bias)Δφ₀，则输出信号可写成 $I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&omega;t}\right)=\left|4\mathrm{\&gamma;}k\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_0}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right),$ 所以可在0<Δφ₀<π间预先设定固定的相位差值Δφ₀来量取相位信号Δφ。当设定 ${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ |I_out|对Δφ₀形成中心对称，可进一步由|I_out|的振幅大小变化而确定Δφ的变化方向。

当处理的信号来源是由光学外差干涉仪而来的光学信号时，本发明的相位差测量装置可配合以往所述的偏振光学共同路径外差干涉仪共同运作，构成本发明外差干涉测量系统的第二较佳实施例，如图2所示，由一光源(在本例中是以一线偏振光单频稳频氦氖激光为例)20射出的偏振光经一偏振角度调整装置，如本实施例中的半波片(λ/2 wave plate)21调整其方位角度，再经分光片231将激光分成入射至待测物90的信号光束L₁、及用以对照的参考光束L₂。

该信号光束L₁及参考光束L₂分别经过一个频率调整装置，在本例中分别为一声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)241、242，各声光调制器241、242系分别受其驱动器251、252致动，而使该信号光束L₁的频率经过声光调制器241微幅改为ω₁，该信号光束L₂的频率经过声光调制器242微幅改为ω₂，由此，分光后两光束的频率将产生可区隔的稍微频率差Δω。当然，如一般熟知此技术可知，此处的频率调整装置，可以电光调制或其他任何类似装置达成。

该信号光束L₁再经一分光片232与偏振光分光片261，将电磁场震荡方向相互垂直的P₁波和S₁波分开，且其中至少一束是由待测物90反射(在本实施例中是将P₁照射至待测物90而取其反射光，S₁则由平面反射镜272反射)，再经该偏振分光片261与分光片232反射及转向后，与单纯受反射镜271反射的参考光束的P2波和S2波在分光片233处重合。

至偏振光分光片262处，再将彼此相垂直的外差干涉P波(P₁+P₂)信号及外差干涉S波(S₁+S₂)信号重新分离，并以两个光检测器281、282分别检测线偏振外差干涉P波(P₁+P₂)信号、及外差干涉S波(S₁+S₂)信号并转换为电信号输出。此P波及S波转换的电信号，分别经以Δω＝ω₁-ω₂为中心频率的带通滤波器291、292，以滤出固定频率的干涉信号，得到如下结果：

$I_{P1+P2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_P)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

$I_{S1+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_S)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

由差动放大器(differential amplifier)30将所构成的电信号相减并放大后输出为I_out。其中：

I_out(Δωt)＝γ[I_P1+P2(Δωt)-I_S1+S2(Δωt)]………………………(3)

(I_P1，I_P2)分别为P₁波及P₂波之强度大小。(I_S1，I_S2)分别为S₁波及S₂波之强度大小。Δφ_P为P₁波及P₂波的相位差，Δφ_S是S₁波及S₂波的相位差。Δω为外差干涉之差频。γ为动放大器的增益。

当反复调整该半波片21的方位角(azimuth angle)θ而使得 $\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}=\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}=K$ 时，上述两组相互垂直的线偏振外差干涉信号中的P波信号将变为：

I_P1+P2(Δωt)＝2Kcos(Δωt+Δφ_P)…………………………………(4)

S波信号将变为：

I_S1+S2(Δωt)＝2Kcos(Δωt+Δφ_S)…………………………………(5)

通过将该二干涉信号同时座标平移

则式(1)与式(2)分别变为 $I_{P1+P2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+\frac{1}{2}(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_P-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_S))$ 与 $I_{S1+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}-\frac{1}{2}(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_P-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_S)).$ 此时，差动放大器将I_P1+P2(Δωt)与I_S1+S2(Δωt)两外差干涉信号相减并且放大所输出的信号I_out可写成：

$I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\mathrm{\&gamma;}[I_{P1+P2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)-I_{S1+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)]=\left|4\mathrm{\&gamma;}K\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

其中Δφ＝(Δφ_P-Δφ_S)为外差干涉P波及外差干涉S波的相位差，

为振幅大小。由第(6)式可知差动放大器30输出的信号I_out(Δωt)属于振幅调制(AM)信号，其载波频率为Δω＝ω₁-ω₂。(ω₁，ω₂)分别为Mach-Zehnder外差干涉仪中两声光调制器241、242的驱动频率。

在本实施例中是以振幅解调器(amplitude demodulator；AD)310将所欲测量的相位Δφ信号由信号处理装置31即时由量得的振幅大小号

计算出来。由此，当待测物位置改变时，反射的P₁分量将出现一相位移，此相位改变随就呈现在最终输出的振幅大小变化中。

当然，如熟于此技术人员所能轻易理解，如将P₁与S₁互调，以S₁入射至待测物，P₁单纯反射亦属可选择的实施态样。尤其诸如测量磁碟机转盘不同位置间的相对移动或振动，更可以P₁与S₁分别入射至待测物之不同部位而达成。而且，即便所提供的光源是彼此相互垂直的两圆偏振分量，也可进行类似测量。

本发明相位差测量装置虽只包括一差动放大器30及一信号处理装置31，但在外差干涉测量领域中，差动放大器30一般只被用来降低两信号间共有的噪声，以备去除噪声使用，通过本发明所揭露，差动放大器被用作一光-电转换处理装置，将第(1)式和第(2)式中的相位差(Δφ＝Δφ_P-Δφ_S)直接以电信号之振幅调制呈现，并且该信号处理装置31中至少包括一振幅调制信号解调装置310。由此，不但由一般的相位测量方法转换成测量振幅调制信号，使得欲测量的相位信号直接正比于振幅大小，显著提高感测速率，并且当相位Δφ的变化很小时，由

的关系，则获得的输出电信号可化简为：

此时，所量得到的振幅大小与Δφ成正比，更由于振幅解调信号大小为2γKΔφ，因此度量的灵敏度将为相位差Δφ的2γK倍，此举比以往利用锁相回路等方法测量相位Δφ，在灵敏度上大幅提高。

此外，在结合反馈回路(feedback loop)32后，可利用诸如调控本实施例中所示的该反射镜272前后位置，使相位变化Δφ维持在相位归零(nulling)的条件下提供控制信号(error signal)，运用在

附近，该差动放大器30输出的振幅信号大小和Δφ成线性关系，其斜率为2γK的特性，使能即时测量极小的相位变化量。当然，此归零控制也可藉由其他可行的替代方式实施。

也就是说，由于Δφ是外差干涉P波及S波的相位差，如外差干涉P波及S波分别来自测试点及参考点的相对位移、相对角度或其他如温度、光折射率、电磁场等所造成相位变化的物理量。它可直接利用简单、迅速且成熟的振幅解调技术，在极短时间内即时获得相位Δφ的大小，而分别求出相对应的物理量。由此，本发明可广泛的应用在位移、角度、速度、长度、振动等即时测量以及其他相关的光学传感器(optical sensor)中。

此外，本发明既可应用在两点相对小位移(small displacement)的测量，自然也可应用在相对小角度(small angle)以及其他相关的物理量等极小变化的即时测量与控制。尤其可藉由在该信号处理装置31中加一微分器(图未示)，微分振幅解调信号 $\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{out}}}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\&gamma;K}\&CenterDot;\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right],$ 迅速获得所测量相位的时间变化量

由 ${\mathrm{\&omega;}}_0=\frac{d\left[\mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(t\right)\right]}{\mathrm{dt}}$ 的关系，本发明可对小相位的瞬间变化造成多普勒频率偏移ω_D，以振幅调制信号大小测量多普勒频率偏移ω_D，其灵敏度可提高2γK倍，可即时测量被测试表面的微小振动。所以，本发明不但可应用在振动及位移的即时测量，特别是在结合反馈回路并利用相位变化的敏感性而产生控制信号，可精确的锁定在已设定的起始相位状态而应用在相关的领域中。

如上所述，因振幅调制信号大小正比于相位差的正弦函数

当待测物所造成的相位变化过大，使Δφ可表示成2πn+δ时，也可在该信号处理装置31中增设一电子计数器(up-and-down counter)312，有效对n个脉冲信号记数而将其所剩余的相位δ利用振幅大小

计算出来，其中n为整数，0<δ<π。因此，由参数(n，δ)，本发明不但可有效测量大范围的相位变化，也可通过微分电路同时求出相位变化速率，应用在速度、振动等物理量。

尤其为区别相位改变方向起见，更可在该信号处理装置31中增设一相位比较器(phase comparator)311，将该二光检测器281、282经带通滤波器291、292所输出的外差干涉信号同时输入该相位比较器311中，更可即时测量出Δφ的正负，达到区别相位变化方向的功效。

另一方面，考虑由该反馈回路32调整面镜272的位置，改变S₁的光程，也可将外差干涉P波及S波的相位差预先设定在Δφ(t＝0)＝Δφ₀的条件下，则最终的输出信号为 $I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\left|4\mathrm{\&gamma;}K\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_0}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right),$ 所以可在0<Δφ₀<π间预先设定固定的相位差值Δφ₀来量取相位信号Δφ(t)。

此外，如图3所示是本发明的第三较佳实施例，除前述以单频氦氖激光作为光源，并经分光的光学架构外，也可采用两相互垂直(orthogonal)线偏振(P波及S波)且不同频率的激光(如Zeeman laser)40为光源，并经分光片431将激光束分成参考光束(P₂+S₂)及信号光束(P₁+S₁)，参考光束中原本彼此相互垂直而无法干涉的P₂分量及S₂分量分别如图4所示，经偏振光分析片(analyzer)422更一一区分为相互垂直的二分量，由此，P₂与S₂在偏振光分析片422偏振方向分量相互干涉，构成参考光的外差干涉信号，经光检测器482转换为电信号，并以Δω＝ω_P-ω_S为中心频率的带通滤波器492滤波后输入差动放大器50中。信号光束则经过偏振光分光片461将S₁波和P₁波分光，在本实施例中是将P₁入射至待测物91并经待测物反射，S₁则由平面反射镜471反射，在偏振光分光片461合并及分光片432转向后，再经偏振光分析片421，同样将相互垂直的P₁分量及S₁分量各自分为二垂直分量，在该偏振光分析片421偏振方向分量相互干涉，构成信号光的外差干涉信号，也经光检测器481及带通滤波器491送入差动放大器50中。其中，信号光的外差干涉信号如下式：

$I_{\mathrm{sig}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=I_{P1+S1}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\sqrt{I_{P_1}{I}_{S_1}}\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_S\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{sig}})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

其中，θ_S为信号光束中偏振光分析片421的偏振角。 ${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{sig}}={\mathrm{\&phi;}}_{P_1}-{\mathrm{\&phi;}}_{S_1}$ 是S₁与P₁波的相位差。Δω＝ω_p—ω_s为P波的频率ω_p和S波的频率ω_s外差干涉所产生的差频率。

和

分别为P₁波和S₁波的光强度。

同理，参考光的外差干涉信号则为：

$I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=I_{P2+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\sqrt{I_{P_2}{I}_{S_2}}\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_r\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{ref}})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(9\right)$

θ_r为参考光束中偏振光分析片422的偏振角， ${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\&phi;}}_{P_2}-{\mathrm{\&phi;}}_{S_2}$ 是P₂与S₂波的相位差。调整信号光及参考光路径中的偏振光分析片421、422的偏振角度θ_s及θ_r，使上述外差干涉信号振幅大小满足 $\sqrt{I_{P_1}{I}_{S_1}}\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_S=\sqrt{I_{P_2}{I}_{S_2}}\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_r=2\mathrm{\&chi;}$ 的关系。则上述I_ref(Δωt)与I_sig(Δωt)分别可改写为：

I_sig(Δωt)＝I_P1+S1(Δωt)＝2χcos(Δωt+Δφ_sig)   ……………(10)

I_ref(Δωt)＝I_P2+S2(Δωt)＝2χcos(Δωt+Δφ_ref)   ……………(11)

经过将该二干涉信号同时座标平移

则式(10)与式(11)分别变为 $I_{\mathrm{sig}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\mathrm{\&chi;}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}+\frac{1}{2}({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{sig}}-\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ref}}))$ 与 $I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\mathrm{\&chi;}\cos (\mathrm{\&Delta;\&omega;t}-\frac{1}{2}({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{sig}}-\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ref}})).$ 输入差动放大器50相减并放大后，可写成

$I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\mathrm{\&gamma;}[I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)-I_{\mathrm{sig}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)]=\left|4\mathrm{\&gamma;\&chi;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(12\right)$

其中Δφ＝Δφ_ref-Δφ_sig为参考光束和信号光束的相位差，γ为差动放大器50的增益。

当然，此处也通过一反馈回路52调整面镜471位置、改变S₁波的光程，将外差干涉信号波(P₁+S₁)及外差干涉参考波(P₂+S₂)的相位差设定在Δφ(t＝0)＝Δφ₀，使差动放大器输出信号 $I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\left|4\mathrm{\&gamma;\&chi;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_0}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)$ 中Δφ₀可被设定在0<Δφ₀<π范围内，而相位信号Δφ(t)的变化以Δφ₀为基点(bias)，从而可区别相位变化的方向。此外，当外差干涉信号波(P₁+S₁)及外差干涉参考波(P₂+S₂)的相位差满足

时，则I_out(Δωt)＝|2γχΔφ|sin(Δωt)。振幅调制信号I_out(Δωt)之振幅大小为相位信号Δφ的2γχ倍，并以Δφ＝0为基点。

又，当外差干涉信号波(P₁+S₁)及外差干涉参考波(P₂+S₂)的相位差Δφ＝2n π+δ，n为整数且0<δ<π时，则可在信号处理装置中增一电子计数器(图未示)，纪录n个脉冲信号，配合振幅大小直接测量相位差δ，因此由参数(n，δ)可延伸相位测量的范围。此后，如同前一实施例的配置，在该差动放大器50之后放置包括一振幅解调装置510的一信号处理装置51，便可将原始相位差的信号以电信号的振幅呈现，有效加快测量速率、并提高感测灵敏度。

如图5所示，当将第二较佳实施例中信号光束L₁经过频率调制装置241微幅调整其频率后，偏振分光片263将信号光束的P₁波分量和S₁波分量分离，分别以相反方向进入作为待测物的一环形光路组件，在本实施例中该环形光路组件是以三片平面反射镜273、274、275直角反射，所共同组成供信号光束传输的一环形光路，信号光束中的P₁波与S₁波分别经过该环形光路的相反方向传播，重新在偏振分光片263处重合，并再由该分光片233将参考光束和信号光束重合而相互干涉。一旦该环形光路旋转，而造成P1波与S1波之光程改变而造成测量的相位改变，由此构成一共同路径环形外差干涉仪(Ring Interferometer)，以量出该环形干涉仪所在的环境转动或改变。同前述原理，由差动放大器所输出的信号可写成：

$I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\left|4\mathrm{\&gamma;\&Theta;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(13\right)$

其中，Θ为外差干涉P波和外差干涉S波的振幅大小，Δφ是P₁波和S₁波在环形光路中所产生的相位变化。当Δφ≈0时，第(13)式将可表示为

I_out(Δωt)＝|2γΘΔφ|sin(Δωt)……(14)

由此，该差动放大器30输出的信号振幅大小和测量的相位差成正比，并可如同前述实施例，通过一反馈回路提供一控制信号，随时归零该相位变化，而提供精确控制相位变化的能力。其检测灵敏度较直接量取Δφ增强2γΘ倍。

再如图6所示，考虑将如第三较佳实施例中信号光束P₁+S₁经过偏振分光片462将信号光束的P₁波分量和S₁波分量分离，分别以相反方向进入作为待测物的一环形光路组件，在本实施例中该环形光路组件是以三片平面反射镜472、473、474直角反射，所共同组成供信号光束传输的一环形光路，信号光束中的P₁波与S₁波分别经过该环形光路的相反方向传播，重新在偏振分光片462处重合，并再经过该偏振光分析片421产生外差干涉，一旦环形光路产生旋转而造成P₁波和S₁波之光程改变而造成测量的相位改变由此构成一双频偏振光环形外差干涉仪。同前述原理，由差动放大器50所输出的信号：

$I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\left|4\mathrm{\&gamma;\&Gamma;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(15\right)$

其中Γ为外差干涉P波和外差干涉S波的振幅大小，Δφ是P₁波和S₁波在环形光路中所产生的相位变化。当Δφ≈0时，第(15)式将可表示为

I_out(Δωt)＝|2ΓΔφ|sin(Δωt)……………(16)

由此，该差动放大器50输出的信号振幅大小和Δφ成正比，并可输出一控制信号，由此，如用于航空器的方向稳定时，可藉该控制信号随时回归控制，使航空器在偏移预定航向时，立即被检测出，并恢复预定航向、归零该相位变化，而提供精确控制相位变化的能力。

如图7所示，当将图5的环形光路以一偏振光状态保留单模光纤(polarization maintain single mode optical fiber)60取代，将构成一环形光纤干涉仪(fiber optical ring interferometer)，由此，也可应用在即时测量角度旋转、电磁场强度大小及控制等相关的光学传感器中。当然，此处所列举的复数平面反射镜、环形布设的光纤，都只为说明环形光路使用，并非作为限制条件。

当然，本发明的相位差测量装置也可配合如一般的迈克尔孙干涉仪应用，如图8所示，当一光源(在本实施例中是以一线偏振光单频稳频氦氖激光为例)70射出的线偏振光经一偏振角度调整装置，如本实施例中的半波片(λ/2 wave plate)71调整其偏振角度，再经分光片731将激光分成入射至偏振分光片761的信号光束P₁波加S₁波及用以对照的参考光束P₂波加S₂波。信号光束P₁波和S₁波经过该偏振分光片761分离后，分别以相反方向行经过偏振光状态保留单模光纤60构成之一环形光路，再于该偏振分光片761处重合，经反射镜772到分光片732，光束P₂波和S₂则入射至一随时间移动的反射镜771，使得参考光束的频率受该反射镜771移动产生微幅变化，考虑当该反射镜771的移动速度为一固定值v₀，则两光束的频率将产生可区隔的些微频率差 $\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\frac{4\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}{v}_0=2\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{C}{v}_0,$ 也就是固定速度位移的反射镜771所产生的多普勒频率。信号光束再于分光片732处与单纯受反射镜771反射的参考光束的P₂波和S₂波重合产生外差干涉。

至偏振光分光片762处，再将彼此相垂直的外差干涉P波(P₁+P₂)信号及外差干涉S波(S₁+S₂)信号重新分离，并以两个光检测器781、782分别检测线偏振外差干涉P波(P₁+P₂)信号、及外差干涉S波(S₁+S₂)信号并转换为电信号输出。此P波及S波转换的电信号，分别经以Δω＝ω₁-ω₂为中心频率的带通滤波器791、792，以滤出固定频率的干涉信号，得到如下结果：

$I_{P1+P2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}\cos (2\mathrm{k\&Delta;l}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_P)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(17\right)$

$I_{S1+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}\cos (2\mathrm{k\&Delta;l}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_S)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(18\right)$

其中， $k=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}},$ Δl(t)＝v₀t为信号光束的光程l_s与参考光束的光程l_r的光程差。当调整该半波片71方位角度，使 $\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}=\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}=\mathrm{\&rho;}$ 时，分别将将式(17)与式(18)中的相位偏移

则式(17)与式(18)分别变为：

$I_{P1+P2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{P_1}{I}_{P_2}}\cos (2\mathrm{k\&Delta;l}\left(t\right)+\frac{1}{2}({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_P-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_S))\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(19\right)$

与

$I_{S1+S2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=2\sqrt{I_{S_1}{I}_{S_2}}\cos (2\mathrm{k\&Delta;l}\left(t\right)-\frac{1}{2}({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_P-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_S))\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(20\right)$

由差动放大器80将该二信号相减并放大后输出为I_out。其中：

$I_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)=\mathrm{\&gamma;}|I_{P_1+P_2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)-I_{S_1+S_2}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)|=\left|4\mathrm{\&gamma;\&rho;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;t}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(21\right)$

分别为P₁波及P₂波的强度大小。

分别为S₁波及S₂波的强度大小。Δφ_P为P₁波及P₂波的相位差，Δφ_S是S₁波及S₂波的相位差。Δω为外差干涉之差频且Δωt＝2kΔl(t)。γ为差动放大器的增益。由式(21)可知该差动放大器80输出的信号I_out(Δωt)属于振幅调制(AM)信号，其载波频率为Δω＝ω₁-ω₂；故本实施例中以振幅解调器81将所欲测量的相位即时由量得的振幅大小号

计算出来。当然，以上所述的各种信号处理装置，也可以配合本实施例使用无碍。

下一页的图表是依照图2光学架构完成即时测量相位变化的实验结果。

其中待测物90系以压电晶体推动的平面反射镜，P₁波和S₁波分别入射到一反射镜272及待测物90并反射，由改变反射P₁平面反射镜的位置即时测量振幅调制的振幅大小，所测得的实验结果和第(6)式的理论预测相吻合，足以说明本相位测量方法的可行性及灵敏度。

尤其，上述所有元件装置的架构简单、反应速度加快，比以往的相位检测装置灵敏。

综上所述，本实用发明是提供一种相位差测量装置及应用该装置的外差干涉测量系统，藉助上述装置，确实可将以往仅被用作滤除环境噪声的差动放大器及信号处理装置转用于直接作为光学信号处理，有效将相位调制信号转换为以振幅调制信号呈现，达到有效加快相位测量速度、提高测量灵敏度、成本降低的效果。

Claims (24)

1.一种相位解调装置，其特征在于：用以测量一固定载波频率的相位调制测试信号I_s(ωt)＝2k₁cos(ωt+φ_s)和一相同载波频率的相位调制参考信号I_r(ωt)＝2k₂cos(ωt+φ_r)之间的相位差，而Δφ＝φ_s-φ_r，所述两相位调制信号分别包括载波频率和时间乘积项以及相位项的函数，所述测量装置包括：

二个自动增益控制装置，分别用来调整二相位调制信号的振幅，使二相位调制信号的振幅大小相等(k₁＝k₂＝k)；

一差动放大器，将分别来自二个自动增益控制装置的二相位调制信号相减并放大，以获得一振幅调制的输出信号，所述输出信号正比于包括频率与时间乘积的函数以及相位差函数的乘积；

一信号处理装置，包括一振幅解调装置，用以解调度量所述差动放大器输出的所述振幅调制输出信号振幅大小和/或其变化量，由此，所述差动放大器输出信号中所包含的相位差Δφ和/或其变化量由振幅解调装置自所述振幅调制输出信号的振幅大小 $\left|4\mathrm{\&gamma;}k\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|$ 得出。

2.如权利要求1所述的解调装置，其特征在于：

所述信号处理装置还包括一相位比较器，用以比较上述的两个相位调制信号之相位差并确认Δφ的正负值，以区别所述相位差Δφ的正负并辨别Δφ的变化方向。

3.如权利要求2所述的解调装置，其特征在于：

所述信号处理装置还包括一计数器，当将所述相位差表示成Δφ＝2nπ+δ，n为整数，且0<δ<π，则所述振幅调制输出信号振幅大小

被写成

所述计数器用以记录n个脉冲信号，并以(n，δ)表示所述相位差的变化，由此，延伸相位变化测量范围。

4.如权利要求3所述的解调装置，其特征在于：

所述信号处理装置还包括一微分电路，用以将所述振幅解调输出信号对时间微分，当测量的相位差变化在0<|Δφ|<10°的范围内时，由所述微分电路将所述振幅调制输出信号的振幅大小对时间微分，即 $\frac{d\left|I_{\mathrm{out}}\right|}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\&gamma;k}\frac{d\left|\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right|}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\&gamma;k}{\mathrm{\&omega;}}_s,$ 其中 ${\mathrm{\&omega;}}_s=\frac{d\left|\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right|}{\mathrm{dt}},$ 以即时测量瞬间频率。

5.如权利要求1所述的解调装置，其特征在于：

所述解调装置还包括一反馈回路，用以提供一控制信号，随时使相位Δφ归零(nulling)，当相位差在0<|Δφ|<10°的范围内，输出的振幅调制信号大小等于|2γkΔφ|，直接由振幅大小测量相位差Δφ，并放大2γk倍。

6.一种相位差测量装置，其特征在于：

用以测量由一偏振光学外差干涉仪的两束相互垂直线偏振光学信号分别转换出的二电信号，所述外差干涉仪的所述二束光学信号中的至少一束，包含照射到一待测物的反射光，且各所述光学信号的光强度大小相等，并分别为包括频率差与时间乘积项、以及相位差项的函数，所述测量装置包括：

一差动放大器，供所述二电信号输入并相减放大，以获得一振幅调制的输出信号，所述信号正比于包括频率与时间乘积的函数、以及相位差的函数的乘积；

一信号处理装置，包括一振幅解调装置，用以解调度量所述差动放大器输出的所述振幅调制信号振幅大小和/或其变化量。

7.如权利要求6所述的相位差测量装置，其特征在于：

所述信号处理装置还包括一计数器，当所述相位差变化超过2π时，以所述计数器读取所述相位差之变化中包含2π的若干整数倍。

8.一种外差干涉测量系统，其特征在于用以测量一待测物，它包括：

一相干性光源，发射单频激光；

一外差干涉仪，用以将来自所述相干性光源的光束分光为一信号光束及一参考光束，所述二光束包括相互垂直的二线偏振方向(P波及S波)分量，各所述光束间具有一频率差，且所述信号光束的二分量中的至少一个，是包括被照射至上述待测物而得的光学信号，并相互干涉产生二组振幅大小相等，并分别包括所述频率差与时间乘积项、以及相位差项之函数的外差干涉信号；

二光检测器，用以将所述二干涉信号分别转换为一电信号输出；

一差动放大器，供所述二电信号输入并相减放大，以获得一振幅调制的输出信号，所述信号正比于包括频率与时间乘积的函数、以及相位差的函数的乘积；

一信号处理装置，所述信号处理装置包括一振幅解调装置，用以解调度量所述差动放大器输出的所述振幅调制信号振幅大小和/或其变化量。

9.如权利要求8所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述光源是一单频稳频激光；所述外差干涉仪包含一偏振角度调整装置、一分光装置及二组频率调制装置；而所述信号处理装置包含一振幅调制信号解调装置；

所述偏振角度调整装置包括一二分之一波片，用以调整所述单频稳频激光输出的线偏振光束偏振角度；所述光束系经由所述分光装置分为上述参考光束及信号光束，并调整所述二分之一波片方位角度，使所述二光束各所述分量的光强度满足 $\sqrt{I_{P1}{I}_{P2}}=\sqrt{I_{S1}{I}_{S2}}=K$ 的要求；所述二光束的频率分别由所述二频率调制装置调至彼此略有差异，致使所述各P波相互干涉产生一外差干涉P波信号I_P1+P2(Δωt)＝2Kcos(Δωt+Δφ_P)、所述各S波亦相互干涉产生一外差干涉S波信号I_S1+S2(Δωt)＝2Kcos(Δωt+Δφ_S)，且所述外差干涉P波信号与所述外差干涉S波信号的频率相同、振幅大小相等，并分别为包括所述频率差与时间乘积项、以及相位差项的函数；由此，所述差动放大器输出信号中所包含的相位差Δφ项，由所述振幅解调装置自所述振幅调制输出信号之振幅大小

得出，其中Δφ＝Δφ_p-Δφ_s。

10.如权利要求9所述的外差干涉测量系统，其特征在于：包括一反馈回路，用以改变至少所述二光束的一分量的光程，以将所述外差干涉P波及S波的相位差Δφ维持在Δφ(t＝0)＝Δφ₀原点附近之一范围。

11.如权利要求9所述的外差干涉测量系统，其特征在于：所述信号处理装置还包括用以比较所述二光检测器输出信号的一相位比较器，以区别所述相位差Δφ的正负，辨别所述待测物位置的变化方向。

12.如权利要求9所述的外差干涉测量系统，其特征在于：所述信号处理装置还包括一计数器，当界定所述相位差变化Δφ＝2nπ+δ，则所述差动放大器输出信号振幅大小

写成

其中0<δ<π，n为整数，并以所述计数器纪录n个脉冲信号，由(n，δ)读取所述相位差的变化，由此，延伸相位变化的测量范围。

13.如权利要求9所述的外差干涉测量系统，其特征在于：所述信号光束中彼此相垂直的P₁波与S₁波，是通过设置于所述信号光束光路中的一偏振分光装置分离，以及所述待测物是一环形光路组件，所述偏振分光装置位在所述频率调制装置下游，致使所述信号光束中彼此相垂直的P₁波与S₁波被所述偏振分光装置分离，并反向行经所述环形光路组件所构成的一环形光路，再于所述偏振光分光装置处重合，当所述环形光路组件所处环境旋转时，所述差动放大器输出的相位差Δφ由所述振幅调制信号的振幅大小

得出。

14.如权利要求13所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述环形光路组件包括复数平面反射镜。

15.如权利要求13所述的外差干涉测量系统，其特征在于：所述环形光路组件包括一偏振光状态保留单模光纤。

16.一种外差干涉测量系统，其特征在于是用以测量一待测物，包括：

一相干性光源，发射双频且相互垂直直线偏振的激光；

一外差干涉仪，用以将来自所述相干性光源的光束分光为一信号光束及一参考光束，所述二光束皆包括相互垂直的二线偏振方向(P波及S波)分量，各所述偏振方向分量间具有一频率差，且所述信号光束的二分量中的至少一个，是包括被照射至上述待测物而得的光学信号，并相互干涉产生二组振幅大小相等，并分别包括所述频率差与时间乘积项、以及相位差项之函数的外差干涉信号；

二光检测器，将所述二干涉信号分别转换为一电信号输出；

一差动放大器，供所述二电信号输入并相减放大，以获得一振幅调制的输出信号，所述信号正比于包括频率与时间乘积的函数、以及相位差的函数的乘积；

一信号处理装置，包括一振幅解调装置，解调度量所述差动放大器输出的所述振幅调制信号振幅大小和/或其变化量。

17.如权利要求16所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述光源以在相互垂直的二方向中分别提供两束频率略有差异的线偏振激光束；所述外差干涉仪包含一分光装置及二偏振光分析片；以及所述信号处理装置包含一振幅调制信号解调装置；

来自所述光源的光束是经所述分光装置分为参考光束及信号光束，使所述参考光束包括线偏振方向相互垂直且彼此频率略有差异的二分量P₂及S₂，而所述信号光束则包括线偏振方向相互垂直、彼此频率略有差异的二分量P₁及S₁；

所述信号光束的所述二分量P₁、S₁中至少一个是被照射至所述待测物，且所述参考光束及所述信号光束分别经各所述对应偏振光分析片，使彼此沿偏振光分析片偏振方向的各所述分量相互干涉，各所述偏振光分析片的偏振方向被调整，使各所述分量的光强度满足 $\sqrt{I_{P1}{I}_{S1}}\sin {2\mathrm{\&theta;}}_S=\sqrt{I_{P2}{I}_{S2}}\sin {2\mathrm{\&theta;}}_r=2\mathrm{\&chi;}$ 的关系，由此，所述信号光束产生一外差干涉信号波I_sig(Δωt)＝2xcos(Δωt+Δφ_sig)，所述参考光束也产生一外差干涉参考波I_ref(Δωt)＝2xcos(Δωt+Δφ_ref)，且所述外差干涉信号波与所述外差干涉参考波的频率相同、振幅大小相等，并分别为包括所述频率差与时间乘积项、以及相位差项的函数；由此，所述差动放大器输出信号中所包含的相位差Δφ项，由所述振幅解调装置自所述振幅调制输出信号的振幅大小得出。

18.如权利要求17所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

包括一反馈回路，改变至少所述二光束的一分量的光程，将所述外差干涉P波及S波的相位差Δφ维持在原点Δφ(t＝0)＝Δφ₀附近之一范围。

19.如权利要求17所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述信号处理装置还包括用以比较所述二光检测器输出信号的一相位比较器，由此区别所述相位差Δφ的正负，辨别所述待测物位置的变化方向。

20.如权利要求17所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述信号处理装置还包括一计数器，当界定所述相位差变化Δφ＝2nπ+δ，则所述差动放大器输出振幅调制信号振幅大小

写成

其中0<δ<π，并以所述计数器纪录n个脉冲信号，由(n，δ)读取所述相位差的变化，由此延伸相位变化测量范围。

21.如权利要求17所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述信号光束中彼此相垂直的P₁波与S₁波，是通过设置于所述信号光束光路中的一偏振分光装置分离，以及所述待测物是一环形光路组件，使所述信号光束中彼此相垂直的P₁波与S₁波被所述偏振分光装置分离，并彼此反向行经所述环形光路组件所构成的一环形光路，再于所述偏振光分光装置处重合，当所述环形光路组件所处环境旋转时，所述差动放大器输出的相位差Δφ由所述振幅调制信号的振幅大小 $\left|4\mathrm{\&gamma;\&Gamma;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}{2}\right)\right|$ 得出。

22.如权利要求21所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述环形光路组件包括复数平面反射镜。

23.如权利要求21所述的外差干涉测量系统，其特征在于：

所述环形光路组件包括一偏振光状态保留单模光纤。

24.一种外差干涉测量系统，其特征在于是用以测量一待测物，包括：

一相干性光源；

一外差干涉仪，用以将来自所述相干性光源的光束分光为一信号光束及一参考光束，所述二光束皆包括相互垂直的二线偏振方向(P波及S波)分量，所述信号光束的二分量中的至少一个，是包括被照射至上述待测物而得的光学信号，所述参考光束则被照射至一移动反射镜，使所述参考光束产生一多普勒频率变化，并将所述二光束相互干涉产生二组振幅大小相等，并分别包括所述频率差与时间乘积项、以及相位差项之函数的外差干涉信号；

二光检测器，将所述二干涉信号分别转换为一电信号输出；

一差动放大器，供所述二电信号输入并相减放大，以获得一振幅调制的输出信号，所述信号正比于包括频率与时间乘积的函数、以及相位差的函数的乘积；

一信号处理装置，包括一振幅解调装置，解调度量所述差动放大器输出的所述振幅调制信号振幅大小和/或其变化量。

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