CN101033939A - 微位移高精度实时干涉测量仪 - Google Patents

Abstract

一种微位移高精度实时干涉测量仪，包括由半导体激光器、准直扩束镜、分束器、参考平板、待测量物体和探测元件组成的泰曼格林干涉仪，其特点是：所述的探测元件的输出端依次串连接实时信号处理电路归一化电路和单片机，该单片机具有相位连续化处理软件，该单片机的输出端与示波器的输入端相连，直流电源和信号源通过调制器与所述的半导体激光器相连接，所述的信号源还与所述的实时信号处理电路相连接。本发明的优点是提高了位移测量精度，扩展测量范围，使用时不需要校正，操作简便，可靠性高。

Description

微位移高精度实时干涉测量仪

技术领域

本发明涉及位移干涉测量技术，特别是一种采用正弦相位调制的半导体激光微位移高精度实时干涉测量仪。

背景技术

在光学精密干涉测量中，正弦相位调制干涉测量技术具有较高的测量精度，位移测量精度可达到纳米量级。半导体激光器(以下简称为LD)具有体积小、用电省、价格低、波长调制简便等特点，在采用光外差技术的干涉仪中通过直接调制LD的注入电流来实现正弦相位调制，不仅可以提高测量精度，还可以使干涉仪的结构更为简单。比如日本新泻大学的铃木孝昌(Takamasa Suzuki)等人提出的用来测量振动的干涉仪(在先技术[1]：Takamasa Suzuki，Takao Okada，Osami Sasaki，Takeo Maruyama，“Real-time vibration measurement using a feedback type of laser diodeinterferometer with an optical fiber”，Opt.Eng.，1997，36(9)，2496-2502)，其结构简单，调制精确，可以对待测量物体任何部位振动进行测量；不需要参考面，具有相位补偿功能，反馈电路消除了外界振动干扰；能实时得到振动位移。在此基础上，中国科学院上海光学精密机械研究所的宋松等人提出了另一种半导体激光微小振动实时干涉测量仪(在先技术[2]：宋松，王向朝，王学锋，锋锋，卢洪斌，“半导体激光微小振动实时干涉测量仪”，光学学报，2001，21(5)，578-580；在先技术[3]宋松，王向朝，王学锋，锋锋，陈高庭，“采用同步相位检测的微小振动实时测量”，中国激光，2001，28(8)，753-756)。此干涉仪的干涉信号由探测元件转换成电信号，由信号处理电路进行数据处理得到振动的位移。

在先技术[2，3]，半导体激光器的波长与强度分别为：

             λ(t)＝λ₀+β₁Δi(t)，                  (1)

             g(t)＝β₂[i₀+Δi(t)]，                  (2)

i₀为驱动电流的直流分量，Δi(t)为驱动电流的交流分量，β₁为波长调制系数，β₂为光强调制系数，λ₀为直流分量i₀对应的中心波长。调制电流为

             Δi(t)＝acos(ω₀t+θ)                   (3)

式中：a是调制电流振幅。

探测元件检测到的干涉信号为

S(t)＝S₀(t)+S₁(t)cos[zcos(ω₀t+θ)+α₀+α_r(t)]，     (4)

S₀(t)与S₁(t)被光强调制随时间变化，z＝4πβ₁β₂aD₀/λ₀ ²为正弦相位调制深度。式中α(t)为α₀与α_r(t)的和。干涉信号经过信号处理电路处理后得到探测信号P(t)为：

              P(t)＝KaJ₁(z)sinα(t)，                (5)

式中：K是信号处理电路的放大倍数，J₁(z)为第1阶贝塞尔函数。

由上述可知，干涉信号经信号处理电路处理后得到相位α(t)，从而可得到微小位移r(t)。由于半导体激光器的光强被调制，使得S₀(t)、S₁(t)随时间变化，造成测量误差。同时，(5)式中的位移同初始光程差2D₀、电路放大倍数K、调制深度z和贝塞尔函数值有关，它们对测量精度有影响，测试前要校正。在先技术[1]也没有解决光强被调制的问题，光强调制引起干涉信号的直流成分和交流振幅成分随时间变化，对测量精度有较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种微位移高精度实时干涉测量仪，以解决直接调制半导体激光器波长引起的光强变化与干涉仪参数，包括初始光程差2D₀，电路放大倍数K，调制深度z和贝塞尔函数值对测量精度的影响，使微位移测量不需要校正、操作方便，而且测试结果可靠。

本发明的技术解决方案如下：

一种微位移高精度实时干涉测量仪，包括由半导体激光器、准直扩束镜、分束器、参考平板、待测量物体和探测元件组成的泰曼格林干涉仪，其特点是：所述的探测元件的输出端接实时信号处理电路输入端、该实时信号处理电路输出端接归一化电路输入端，该归一化电路输出端接单片机输入端，该单片机具有相位连续化处理软件，该单片机的输出端与示波器的输入端相连，直流电源和信号源通过调制器与所述的半导体激光器相连接，所述的信号源还与所述的实时信号处理电路相连接。

所述的分束器是将入射光按1∶1的光强分成两束光的元件，由分光棱镜或者一面镀析光膜的平行平板构成。

所述参考平板是一光学平板，其靠近分束器的一面镀有高反射膜。

所述的探测元件是光电二极管、或光电池、或光电倍增管。

所述的实时信号处理电路由二个放大器、一个乘法器)、一个滤波器构成。

所述归一化电路由乘方运算电路、滤波电路、开方运算电路和除法运算电路串连构成。

所述单片机计算和示波器显示的功能由一台计算机完成。

本发明的优点：

1)、消除了光强的影响。已有技术中，直接调制半导体激光器的波长时，半导体激光器的输出光强随时间变化，而被测量位移是根据该光强求出的，所以输出光强的变化引入了测量误差。本发明利用归一化电路消除了光强对测量精度的影响。

2)、在先技术[2]，无法精确测量初始光程差2D₀，因此不能精确地得到贝塞尔函数值。使用时需要校正，这给用户正确使用该仪器带来困难。本发明消除了初始光程差2D₀的影响，使干涉仪的操作更为简单。

3)、在先技术[2]，电路放大倍数无法精确测量，并且电路放大倍数将随环境温度变化而变化。本发明消除了电路放大倍数对测量精度的影响。

4)、本发明的方法抗外界干扰能力强。

5)、本发明的测量范围超出半个波长，扩大了测量范围。

附图说明

图1为本发明微位移高精度实时干涉仪实施例结构图。

图2为本发明实时信号处理电路和规一化电路的信号流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明的微位移高精度实时干涉仪实施实例结构示意图。由图可见，本发明微位移高精度实时干涉仪带有直流电源11的半导体激光器1发射光束前进方向上同光轴依次放置有透镜2，分束器3，待测量物体5；该分束器3的反射光束f1前进方向上放置参考平板4。光束f1经参考平板4反射的光束f2前进方向上放置有探测元件6，构成泰曼格林干涉仪，与探测元件6依次串连的是实时信号处理电路7、归一化电路8、单片机9，最后由示波器10显示测量结果。直流电源11、信号源12与调制器13相连接。信号源12还与实时信号处理电路7相连接。半导体激光器1与调制器13相连接。

在本实施例中，所述的半导体激光器1是中心波长为785nm的半导体激光器。所述的分束器3是将光强按1∶1分成两束光的分光棱镜。所述的参考平板4是一镀金平面镜。所述的探测元件6是一光电二极管。

所述的实时信号处理电路7由第一放大电路701、第二放大电路702、乘法电路703，滤波电路704构成。第一放大电路701由芯片LM232构成，第二放大电路702由芯片LM232构成。乘法电路703由芯片AD532构成，滤波电路由芯片LF356与跟随器BC108构成。

所述归一化电路8由乘方电路801、滤波电路802、开方电路803、除法电路804构成。乘方电路801由两路输入相同的芯片AD532构成。滤波电路802是一π型滤波器。开方电路803由芯片LM232构成。除法电路804由芯片AD538构成。

所述单片机9是一型号为ADuc812的单片机。所述示波器10是一具有存储功能的数字示波器。所述信号源12是一信号发生器。所述调制器13是一激光电流调制器。

本发明微位移高精度实时干涉仪的工作过程是：半导体激光器1由直流电源11驱动，半导体激光器1的波长被信号发生器12输出的正弦信号调制。半导体激光器1发出的光束经准直扩束镜2准直扩束后，照射到分光棱镜3上，一束光分成两束光，反射光束f1照射到参考平板4上，另一透射光束t1照射到待测量物体5上。参考平面镜4和待测量物体5反射的光束f2和t2产生的干涉信号由探测元件6转换成电信号，该干涉信号为

    S(t)＝S₀(t)+S₁(t)cos[zcos(ω₀t+θ)+α₀+α(t)]，    (6)

          α₀＝4πD₀/λ₀，                             (7)

          α(t)＝4πr(t)/λ₀，                         (8)

2D₀是所述的泰曼干涉仪的两干涉臂之间的光程差，r(t)表示待测量物体5的微小位移。在图2中，上述电信号S(t)与调制信号acos(ω_ct+θ)分别经过信号处理电路7中的第一放大器701、第二放大器702放大后(增益分别为K₁、K₂)，由运算与滤波电路703进行乘法运算(系数为K_c)与低通滤波(增益为K_L)后得到探测信号P(t)

    P_s(t)＝K₁K₂K_cK_LS₁AJ₁(z)sinα(t)＝K_ssinα(t)，      (9)

其中Ks＝K₁K₂KcK_LS₀AJ₁(z)；A为信号发生器12输出的正弦相位调制电压信号的振幅。

探测信号P(t)经过归一化电路8的乘方电路801作乘方为

$P_1\left(t\right)=K_s^2{\sin }^2\mathrm{\α}\left(t\right).---\left(10\right)$

设α(t)的频率为ω，选用截止频率为1.5ω的低通滤波802作滤波运算得，得

$P_2\left(t\right)=K_s^2,---\left(11\right)$

用开方电路803对P₂(t)作开方运算得

                 P₃(t)＝K_s，                          (12)

由除法电路804对(9)式和(12)式除法运算，得到被测量信号P(t)

                 P(t)＝sinα(t)。                     (13)

其信号处理框图如图2所示.

将被测量信号P(t)输入单片机9，该单片机9具有相位连续化处理(参见在先技术[4]王学锋，王向朝等，用于纳米精度大范围位移测量的半导体激光干涉仪，中国激光，2001，28(5))计算方法编制的软件，经相位连续化处理计算得到相位α(t)，再计算得到被测量位移为

              r(t)＝mπ/4+λ₀α(t)/(4π)。            (14)

其中m为整数。相位的测量精度可达0.001rad，测量的分辨率为0.1nm，并扩大了位移测量范围。

由(13)式可以看出，测量信号P(t)与半导体激光器1输出的光强变化无关，从(14)式得到的位移从根本上消除了波长调制时光强变化对测量结果的影响。测量信号P(t)与测量参数，如两干涉臂之间的初始光程差2D₀、电路放大倍数K₁、K₂、K_c、K_L、调制深度z和贝塞尔函数值无关。

由此可见，本发明提高了位移测量精度，其测量范围超过一个波长以上，使用时不需要校正，操作简便，可靠性高。

Claims (7)

1、一种微位移高精度实时干涉测量仪，包括由半导体激光器(1)、准直扩束镜(2)、分束器(3)、参考平板(4)、待测量物体(5)和探测元件(6)组成的泰曼格林干涉仪，其特征在于：

所述的探测元件(6)的输出端接实时信号处理电路(7)输入端、该实时信号处理电路(7)输出端接归一化电路(8)输入端，该归一化电路(8)输出端接单片机(9)输入端，该单片机(9)具有相位连续化处理软件，该单片机9的输出端与示波器(10)的输入端相连，直流电源(11)和信号源(12)通过调制器(13)与所述的半导体激光器(1)相连接，所述的信号源(12)还与所述的实时信号处理电路(7)相连接。

2、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述的分束器(3)是将入射光按1∶1的光强分成两束光的元件，由分光棱镜或者一面镀析光膜的平行平板构成。

3、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述参考平板(4)是一光学平板，其靠近分束器的一面镀有高反射膜。

4、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述的探测元件(6)是光电二极管、或光电池、或光电倍增管。

5、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述实时信号处理电路(7)由二个放大器(701、702)、一个乘法器(703)、一个滤波器(704)构成。

6、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述归一化电路(8)由乘方运算电路(801)、滤波电路(802)、开方运算电路(803、除法运算电路(804)串连构成。

7、根据权利要求1所述的微位移高精度实时干涉测量仪，其特征在于所述单片机(9)计算和示波器(10)显示的功能由一台计算机完成。

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