CN101825432B - 双波长光纤干涉大量程高分辨率位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长光纤干涉大量程高分辨率位移测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由波长分别为λ₁和λ₂的两个激光器、两个3dB-耦合器、两个环行器、光纤光栅、两个探测器、自准直透镜、测量反射镜、参考反射镜、压电陶瓷、信号处理电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机和结果输出组成；本发明利用合成波干涉信号决定测量系统的测量量程，使得测量量程为合成波波长的二分之一，远远大于现有技术的二分之一光波波长的测量量程，利用单波长干涉信号决定测量系统的测量分辨率，使得测量系统在具有大测量量程的同时仍然具有波长干涉量程的高分辨率的优点。

Description

双波长光纤干涉大量程高分辨率位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种位移测量系统，特别是涉及一种大量程及高分辨率位移测量系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个：

[1]D.P.Hand，T.A.Carolan，J.S.Barton，and J.D.C.Jones.“Profile measurementof optically rough surfaces by fiber-optic interferomtry”，Opt.Lett.，Vol.18，No.16，1993，P.1361-1363.(Optics Letters(光学快报)，第18卷，第16期，P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB-耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器D1探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πv}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dej iao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and Ian Bennion.“High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolutedisplacement measurement and on-line surface metrology”，Optics Express，Vol.12，Issue 23，2004，P.5729-5734.(Optics Express(光学特快)，2004年，第12卷，第23期，P.5729-5734)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，小于λ/2，不能对大于半波长的大跨距的位移进行测量。

发明内容

本发明融合合成波干涉和单波长干涉的优点，实现大量程及高分辨率测量的目的，弥补了现有技术存在的问题和不足。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本测量系统由两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器、两个3dB-耦合器、两个环行器、光纤光栅、两个自准直透镜、测量反射镜、参考反射镜、两个探测器、压电陶瓷、信号处理电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机和结果输出组成。这两个激光器发出的光同时作用于一个光纤迈克尔逊干涉仪中。

两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器(1和2)发出的光经过第一个3dB-耦合器(3)、第一个环行器(5)和第二个3dB-耦合器(4)后被分为两路，分别到达自准直透镜，经过自准直透镜准直后，变成两束平行光束，分别垂直入射到测量反射镜和参考反射镜上，再由测量反射镜和参考反射镜反射，在第二个3dB-耦合器(4)相遇并生干涉。一路干涉信号经过第一个环行器(5)后被第一个探测器(PD1)探测，其探测到的是由波长λ₁和λ₂形成的合成波干涉信号。另一路干涉信号经过第二个环行器(6)后到达光纤光栅(FBG)，由于光纤光栅的布拉格波长与其中一个激光器(2)发出的光的波长λ₂相同，波长为λ₂的干涉信号就被光纤光栅反射回来，经过第二个环行器(6)后，由第二个探测器(PD2)探测。两个探测器分别并同时探测到的两路信号经过信号处理电路和A/D转换卡后，由计算机同步采样，并由计算机程序进行数据处理后将结果输出给结果输出。

所述信号发生器用来产生周期性锯齿波，对参考光路中的压电陶瓷PZT加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光程，调节锯齿波电压的幅值，使合成波干涉信号的周期与锯齿波的周期相同。

上述第一个探测器(PD1)探测到由这两个激光器发出的光形成的合成波干涉信号，同时，利用光纤光栅只反射布拉格波长的特性，以及波分复用技术，第二个探测器(PD2)只探测到其中一个激光器发出的光形成的单波长干涉信号。因为合成波干涉信号的周期为合成波波长的二分之一(合成波波长为

)，该测量系统利用PD1探测到的合成波干涉信号决定测量系统的测量量程，所以，该测量系统的测量量程为二分之一合成波波长，远远大于二分之一光波波长，同时，利用PD2探测到的单波长干涉信号决定测量系统的测量分辨率，使得该测量系统有高的测量分辨率。该测量系统融合合成波干涉和单波长干涉的优点，既具有大的测量量程又具有高的测量分辨率。

本发明的有益效果主要有两个：

1、本发明利用合成波干涉信号决定测量系统的测量量程，使得测量量程为合成波波长λ_s

的二分之一，远远大于现有技术的二分之一光波波长的测量量程。

2、本发明利用单波长干涉信号决定测量系统的测量分辨率，使得测量系统在具有大测量量程的同时，仍然具有光波干涉测量的高分辨率的优点。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的总原理图；

图2是现有技术文献[2]的实现表面测量原理图；

图3是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明的测量系统由两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器1和2、两个3dB-耦合器3和4、两个环行器5和6、光纤光栅FBG、两个自准直透镜、测量反射镜、参考反射镜、两个探测器PD1和PD2、压电陶瓷、信号处理电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机和结果输出组成。这两个激光器发出的光同时作用于一个光纤迈克尔逊干涉仪中。

如图3所示，两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器1和激光器2发出的光经过3dB-耦合器3、环行器5和3dB-耦合器4后被分为两路，分别到达自准直透镜，经过自准直透镜准直后，变成两束平行光束，分别垂直入射到测量反射镜和参考反射镜上，再由测量反射镜和参考反射镜反射，在3dB-耦合器4相遇并生干涉。一路干涉信号经过环行器5后被探测器PD1探测，探测器PD1探测到的是由波长λ₁和λ₂形成的合成波干涉信号。另一路干涉信号经过环行器6后到达光纤光栅FBG，由于FBG的布拉格波长与激光器2发出的光的波长λ₂相同，波长为λ₂的干涉信号就被FBG反射回来，经过环行器6后，由探测器PD2探测。PD1和PD2分别并同时探测到的两路信号经过信号处理电路和A/D转换卡后，由计算机同步采样，并由计算机程序进行数据处理。

当测量反射镜发生位移时，PD1和PD2探测到的干涉信号将发生周期地变化，PD1探测到的合成波干涉信号的变化周期为λ_s/2，

为合成波波长，PD2探测到的单波长干涉信号的变化周期为λ₂/2，因为λ_s远远大于λ₂，本测量系统用合成波干涉信号的周期决定测量系统的测量量程，极大扩大了测量系统的测量量程。

当测量反射镜发生小于λ_s/2的位移Δd时，PD2探测到的单波长干涉信号的相位变化量为：

由PD1和PD2探测到的信号经过信号处理电路处理和A/D转换卡以后，转换成数字信号，由计算机程序处理后得出再由以下计算公式经过计算机程序计算，即可得出测量反射镜的位移Δd：

式中λ₂为激光器2的波长。由方程(1)可知只要解调出单波长干涉信号的相位变化量

经过(2)式，即可得出测量反射镜的位移Δd。

为了解调出由PD1探测到的合成波干涉信号所决定的λ_s/2内，由于测量反射镜的位移Δd引起的PD2探测到的单波长干涉信号的相位的变化量

测量系统对参考光路中的压电陶瓷PZT加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光程。调节锯齿波电压的幅值，使得锯齿波电压的周期与PD1测量到的合成波干涉信号周期相同。周期性锯齿波电压驱动压电陶瓷PZT线性调节参考光路的光程，在测量反射镜发生位移前，计算机程序确定合成波干涉信号的峰值点的位置，当测量反射镜发生位移Δd后，再由计算机程序确定合成波干涉信号的峰值点的位置。计算机程序计算出这两个合成波干涉信号的峰值点对应的区间内PD2探测到的单波长干涉信号的相位的变化，即得

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (2)

1.一种双波长光纤干涉大量程高分辨率位移测量系统，其特征在于它是由波长分别为λ₁和λ₂的两个激光器(1和2)、两个3dB-耦合器(3和4)、两个环行器(5和6)、光纤光栅(FBG)、两个探测器(PD1和PD2)、两个自准直透镜、测量反射镜、参考反射镜、压电陶瓷(PZT)、信号处理电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机和结果输出组成；两个波长分别为λ₁和λ₂的激光器(1和2)发出的光经过第一个3dB-耦合器(3)、第一个环行器(5)和第二个3dB-耦合器(4)后被分为两路，分别到达自准直透镜，经过自准直透镜准直后，变成两束平行光束，分别垂直入射到测量反射镜和参考反射镜上，再由测量反射镜和参考反射镜反射，在第二个3dB-耦合器(4)相遇并生干涉；一路干涉信号经过第一个环行器(5)后被第一个探测器(PD1)探测，其探测到的是由波长λ₁和λ₂形成的合成波干涉信号，另一路干涉信号经过第二个环行器(6)后到达光纤光栅(FBG)，由于光纤光栅的布拉格波长与其中一个激光器(2)发出的光的波长λ₂相同，波长为λ₂的干涉信号就被光纤光栅反射回来，经过第二个环行器(6)后，由第二个探测器(PD2)探测，两个探测器分别并同时探测到的两路信号经过信号处理电路和A/D转换卡后，由计算机同步采样，并由计算机程序进行数据处理后将结果输出给结果输出；

所述信号发生器用来产生周期性锯齿波，对参考光路中的压电陶瓷(PZT)加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光程，调节锯齿波电压的幅值，使合成波干涉信号的周期与锯齿波的周期相同。

2.根据权利要求1所述的一种双波长光纤干涉大量程高分辨率位移测量系统，其特征在于：第一个探测器(PD1)探测到的合成波干涉信号的合成波波长为

合成波干涉信号的周期为λ_s/2；第二个探测器(PD2)探测到波长λ₂的干涉信号的周期为λ₂/2，合成波干涉信号用于决定测量系统的测量量程，使测量系统的测量量程扩大为二分之一合成波波长，波长λ₂的干涉信号用于决定测量系统的测量分辨率。

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