CN1019416B - 自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测量长度的方法及测长仪 - Google Patents

Abstract

一种自扫描光电二极管列阵单频稳频激光干涉测长仪，用自扫描光电二极管列阵(SSPDA)对迈克尔逊干涉系统的条纹进行扫描，使SSPDA的输出信号产生频差，再按频差数值来求得所测量的移动距离(长度)。由于采用频差来测长，所以比一般单频激光干涉仪的抗干扰能力强，由于采用了单频稳频激光器，所以设备较一般双频激光干涉仪简单，测量精度高。

Description

本发明涉及长度测量方法及仪器。

激光干涉测长仪器由于它的测量精度高、速度快、测量范围大，适用性广而得到迅速的发展和应用。以激光干涉技术做为长度测量的方法目前主要有两类，一类是用单频稳频激光器的单频激光干频系统，一类是用双频激光器的双频激光干涉系统。

单频激光干涉仪的工作原理如下：其常用的迈克尔逊干涉光路见图1。从激光器（1）发出频率为f₀的光束经析光镜（2）分成两路。一路射向参考镜（3），一路射向测量镜（4），两路光束经反射后在D处会合，形成固定不动的干涉条纹。测量镜（4）安置在运动物体上，当运动物体以一定速度v移动时，由于多普勒效应，从测量镜（4）反射回来的光其频率有一增值±Δf。频率为fo及fo±Δf的两束光在D处会合时，会产生“拍”的现象，Δf为拍频，要使干涉条纹移动，光电管（5）接收到干涉条纹的移动信号，通过计算移动条纹的数量即可换算获得运动物体移动距离（长度）。v＝0时干涉场光强分布不变，光电管接到直流信号。按这一原理制成的测长仪，由于光电管输出的幅值是主要信息量，所以受直流放大漂移，及光强衰减等因素的影响，使干涉系统的抗干扰能力较差。

双频激光干涉仪的工作原理如下：

图2为双频激光干涉仪原理图。激光器（6）上加上由永久磁铁（7）产生的磁场，由于塞曼效应和牵引效应，发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，其频率为f₁和f₂。这束光通过1/4波片（8）后成为两个互相垂直的线偏振光再经过平行光管（9）扩束和准直。

从平行光管出来的这束光经过析光镜（10）反射出一小部分作为参考光束通过45°置的检偏器（11），由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光，产生拍频。这个拍的频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f₁-f₂）。经光电元件（12）接收进入前置放大器（13）和计算机（21）。

其余的透过部分沿原方向射向偏振分光棱镜（15）。互相垂直的线偏振光f₁和f₂被分开。f₂射向立体棱镜（14）后返回，f₁频率的光透过偏振棱镜（15）到测量立体棱镜（16），这时如果测量立体棱镜（16）以速度v运动，f₁的返回光便有了变化成为（f₁+Δf₂）。这束光返回后重新通过偏振分光镜（15）并与f₂的返回光会合，然后 被直角棱镜（17）反射到45°放置的检偏器（18）上产生拍频被光电原件（19）接收，进入前置放大器（20）和计算机（21）。

计算机对两路信号进行比较，计算出它们之间的差值±Δf（即多普勒频差）。进而便求得被测长度值。

在双频激光干涉仪中，“双频”起了调制作用。它在被测物体相对于干涉仪静止时，仍然保留一个交流信号，被测物体的运动只是使这个信号的频率增加或减少，因而前置放大器可采用较高倍数的交流放大器;避免了直流放大器的零点漂移问题。这就是双频激光干涉仪抗干扰能力较强的原因。

从上面的叙述可以看出单频激光干涉仪虽然设备较简单，但由于受直流放大漂移，光强衰减等因素的影响，其抗干扰能力差。双频激光干涉仪是利用频差来测得移动物体的移动距离，其抗干扰能力强，但其设备较复杂，价格较昂贵。

本发明的目的是研制一种抗干扰性强、精度高、测量范围较大、成本低的激光干涉仪。

本发明的构成是用自扫描光电二极管列阵（SSPDA）对迈克尔逊干涉系统的干涉条纹进行扫描，使固定不动的干涉条纹信号转变成一定频率的视频信号。当干涉条纹移动时，SSPDA输出的视频信号频率即发生变化，从而产生频差，再利用频差的数值，来求得移动物体的移动距离（长度）。

说明附图如下：

图1为迈克尔逊干涉光路图

图2为双频激光干涉仪原理图

图3为本发明单频激光干涉测长仪光路原理图

图4为自扫描光电二极管列阵外形图

图5为自扫描光电二极管列阵扫描电路框图

图6为自扫描光电二极管列阵对固定不动的干涉条纹扫描时输出的波形图

图7为自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测长仪结构示意图（俯视）

图8为自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测长仪结构示意图（正视）

图9为信号处理电路框图

结合附图说明工作原理如下：

图3为光路原理图。22为He-Ne激光器    23为扩束器    24为析光镜    25为测量 镜    26为参考镜    27为柱面聚光透镜    28为光电接收器件自扫描光电二极管列阵

激光器（22）发出的单频激光，经扩束镜（23）将光束扩大。该光束经析光镜（24）分为两路，一路射向测量镜（25）后反回，另一路射向参考镜（26）后反回，两路反回光束会合形成干涉条纹，经过柱面聚光透镜（27）后由自扫描光电二极管列阵（28）接收，将其光信号转变为电信号输出。

自扫描光电二极管列阵是硅光电二极管列阵与扫描电路，多路转换开关同集成于一硅片上的一种元件，采用再充电取样法。图4为自扫描光电二极管列阵外形图。29为接收窗口。30为管腿。图5为SSPDA扫描电路框图。31为MOS开关管，32为光电管。在SSPDA的接收窗口（29）内排列有若干个（为64）个光电管（32），该光电管工作在电荷存贮方式，且当光照积累时间增加，二极管两端电压衰减增加，则充电电流也增大。当图5中的各MOS管依次被动态移位寄存器输出导通，则外加电压通过采样电阻Rs依次对各二极管进行再充电。从而在列阵的公共输出线上获得一系列冲电电流脉冲。这些电流脉冲的幅值和光强沿列阵方向的空间分布，在光照积累时间内的平均值成正比。

为了驱动动态位移寄存器工作及进行扫描，需要两路互补的驱动脉冲（ΦΦ）及一路起始脉冲S。及对光电管的输出信号进行放大的放大线路。在购置自扫描光电二极管列阵芯片时都配有相应的驱动放大板。

当自扫描光电二极管列阵对固定不动的干涉条纹进行扫描时，在其公共输出端可得到如图6所示的波形曲线。图6为自扫描光电二极管列阵扫描固定不动的干涉条纹时的信号图。横坐标为时间，纵坐标为电压值，其中每一个波形即代表一条干涉条纹，Tcp为线阵中各二极管依次导通时的时间隔，Ts为线阵中各二极管全部导通一次，到第二次再开始导通时的时间，即大扫描时间。To为扫描一条干涉条纹所需的时间。

令fcp＝1/Tcp    fs＝1/Ts    fo＝1/To

fcp-为自扫描二极管列阵的扫描频率（小扫描频率）。

fs-为自扫描二激管列阵的起始脉冲频率（大扫描频率）。

fo-为视频输出信号的调制波的频率。

同时有下列关系式。Ts＝（N+No）Tcp

N-为自扫描光电二激管列阵中光电管的个数。可为N＝64。

No-列阵扫描回归所需时间，相当占用二极管的个数。可为No＝4。

由于To＝Ts/m    m-为Ts的扫描周期中的条纹数。

∴fo＝1/To＝m/Ts＝mfs    （1）

当物体运动后（即测量镜运动）则干涉条纹要产生移动，设其运动速度为v′，则此时视频信号调制波的频率为f。

f＝fo[1±v′/（w/m·fo）]    （2）

w-为自扫描光电二极管列阵中二极管排列的宽度。

m-为自扫描光电二极管列阵扫描时所得的条纹个数。

条纹运动速度v′与工作台运动速度V的比值，与条纹运动一个条纹宽度和工作台运动半个光波长度的比值近似相等。即：

v′/v＝（w/m）/（λ/2n）

∴    v′＝v    w/m·2n/λ    （3）

λ-为光波波长    n-为光在空气中的折射率。

以（3）式代入（2）式可得：

f＝fo±V·2n/λ

设Δf＝V·2n/λ    则V＝±Δf（λ/2n）

因运动位移量    s＝∫vdt

∴ S＝±∫^t _DΔfλ/2n′dt （4）

由此可见，求出Δf对时间的积分即可求得运动距离。即被测位移距离（长度）。

结合附图7说明实施例如下：

图7为SSPDA单频激光干涉测长仪结构示意图。（俯视图）

33为    He-Ne单频稳频激光器    34为    V-型支架

35为    扩束器    36为    析光镜    37为    直角立方棱镜（参考镜）

38为    直角立方棱镜（测量镜）    39为    柱面镜

40为    自扫描光电二极管列阵（CL-64）    41为    干涉头的四壁

42为    扩束器支架    43为    自扫描光电二极管列阵驱动板

本干涉测长仪的全部元器件除测量镜的直角立方棱镜（38）以外全部布置在一干涉头（41）内。干涉头为一长方盒在其底板一端（后部）安置二个V-型支架（34），在该支架上放置激光器（33），在激光器（33）前方安置扩束器支架（42），在其上放置扩束器（35），在扩束器（35）的前方安置析光镜（36），在析光镜（36）的光路折射方向安置参考直角立方棱镜（37），在析光镜（36）光路折射方向的另一方安置柱面镜（39），在柱面镜（39）的光路前方安置自扫描光电二极管列阵（40），测量镜直角立方棱镜（38）在干涉头（41）外部，安放在被测运动物上，上述所有元件的布置都必需调整在其光路的正确位置，在自扫描光电二极管列阵右侧安置驱动板（43）。

图8为SSPDA单频激光干涉测长仪的结构示意图。（正视图）

图中符号同图7。

本干涉仪的光路原理图见图3。

由SSPDA输出的信号经过放大，锁相倍频，脉冲减法器，可逆计数及运算显示即可得出运动距离（长度）数值。

图9为信号处理电路框图。

本发明干涉仪的优点是可用单频稳频激光干涉系统来获得类似于双频激光干涉系统的频差。因此比一般的单频激光干涉仪的抗干扰能力强，实用性强，同时因使用的激光器是单频激光器，使设备简单，成本低。

Claims (2)

1、一种用迈克尔逊干涉法测量长度的方法，其特征在于用自扫描光电二极管列阵对迈克尔逊干涉系统的干涉条纹进行扫描，使固定不动的干涉条纹信号转变成一定频率的视频信号，当干涉条纹移动时，自扫描光电二极管列阵输出的视频即发生变化，从而产生频差，再利用频差的数值，来求得移动物体的移动距离，即要测的长度，其具体光路是，激光器(22)发出的单频激光经扩束镜(23)将光束扩大，该光束经析光镜(24)分为两路，一路射向测量镜(25)后反回，另一路射向参考镜(26)后反回，两路反回光束汇合后形成干涉条纹，经过柱面聚光透镜(27)后由自扫描光电二极管列阵(28)接收，将光信号转变为电信号输出，移动距离可按S=±∫^t _o△fλ/2n^dt来计算求得，其中S为物体移动距离，△f为频差，λ为光波波长，n为光在空气中的折射率，±表示测量方向，t为时间。

2、一种由单频稳频激光器、扩束器、折光镜、直角立方棱镜、柱面镜所组成的单频稳频激光干涉测长仪，其特征是接收元件为自扫描光电二极管列阵，该自扫描光电二极管列阵输出的信号进入前置处理电路进行放大滤波，经放大滤波后的信号进入倍频电路，和锁相倍频电路，然后该信号进入脉冲减法器，从脉冲减法器输出的信号即进入可逆计数器，然后再进入运算计数电路并显示测量结果。

Images