CN102052902A - 一种高精度大量程低相干干涉位移解调装置及其解调方法 - Google Patents

Abstract

高精度大量程低相干干涉位移解调装置包括光源、光环行器、自聚焦准直透镜、固定反射镜、光纤接头、扩束透镜、起偏器、双折射光楔、台阶形双折射移相器、检偏器、面阵相机以及处理单元。解调方法是：光源的光通过光环行器到传感一侧的自聚焦准直透镜被分成两部分，一部分直接反射，另一部分入射到固定在待检测物体上的反射镜后反射，两部分反射光具有一定的光程差。反射回的两部分光再次通过环行器到达光纤接头，经扩束透镜、起偏器入射到双折射光楔和台阶形双折射移相器上，双折射光楔和台阶形双折射移相器共同作用实现大量程光程差扫描，在检偏器后方产生干涉条纹，利用面阵相机接收条纹，并通过计算机或嵌入式系统进行数字处理检测出位移信息。

Description

一种高精度大量程低相干干涉位移解调装置及其解调方法

技术领域

本发明涉及位移信息解调领域，该位移传感解调方法可以用于位移高精度检测，或者其他可转化为位移的应变，温度，厚度，群折射率和压力等传感器的解调。

背景技术

低相干干涉技术用作位移解调方式主要有时间扫描式和空间扫描式。时间扫描式如Miho Song等（Minho Song, Byoungho Lee, An effective optical evaluation technique using visible low-coherence interferometry, Optics and Lasers in Engineering, 1997,27:441-449）通过对Michelson干涉仪的其中一臂进行光程差扫描，从而匹配出待测位移。空间扫描式是将光程差在空间作一线性分布，从而利用线阵CCD接收实现光程差的空间扫描。如Chen等（Chen, S., et al., Study of electronically-scanned optical-fibre white-light Fizeau interferometer. Electronics letters, 1991. 27(12): 1032-1034.）在1991年提出Fizeau干涉仪结构，利用Fizeau干涉仪构成的光楔实现光程差空间分布， Marshall等（Marshall, R., et al., A novel electronically scanned white-light interferometer using a Mach-Zehnder approach. Lightwave Technology, Journal of, 1996. 14(3): 397-402）在1996年提出采用Mach-Zehnder干涉仪结构实现光程差的空间分布。

时间扫描式可以测量很大的范围，但由于需要对其中一个反射镜进行机械扫描，其长期可靠性和稳定性较差，测量精度只在微米量级。空间扫描式采用线阵CCD器件进行电扫描，其长期可靠性高，但线阵CCD的像元有限，其测量范围通常较小，只有几十个微米。为了克服这一问题，我们提出一种新型的低相干干涉解调装置和方法。

发明内容

本发明目的是克服现有传统的低相干干涉解调装置和方法存在的问题，提供一种新型的高精度大量程低相干干涉位移解调装置及其解调方法。该装置可以有效扩大测量范围，同时得到高的测量精度。

本发明提供的高精度大量程低相干干涉位移解调装置包括12个部分：

光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源或卤素灯；

光环行器：用来将光源发出的光发送到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大时，也可采用光纤耦合器替代；

自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过所镀反射膜实现光的部分反射；

固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；所述的固定反射镜是具有反射作用的器件，可以是平面镜或者角锥棱镜；

光纤接头：用来接收光环行器收集的反射信号光并将反射信号光输出到干涉子系统中；

扩束透镜：用来将光纤接头输出的光束进行扩束准直，使之能很好的覆盖CMOS或ＣＣＤ面阵相机的有效感光面积；

起偏器：用来对扩束透镜扩束准直后的输入信号光进行起偏；

双折射光楔：用来对起偏器产生的正交的两个线偏振光产生具有线性分布的空间光程差；

台阶形双折射移相器：用来对经过双折射光楔产生空间光程差后的正交的两个线偏振光产生的制定的固定相移，相移在空间呈台阶形分布；

检偏器：用来对经过台阶形双折射移相器移相后的相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉；

面阵相机：采用CMOS相机或者CCD面阵相机对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；

处理单元：可以采用计算机，也可以是嵌入式计算系统，用于对面阵相机采集的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。

上面所述系统的光学器件也可以全部采用空间光学对应的器件来代替。

 

本发明同时提供了一种基于上述装置的高精度大量程低相干干涉位移解调方法，该方法的具体过程如下：

第1、宽带光源发出的光通过光环行器到达传感一侧的自聚焦准直透镜，一部分光被自聚焦准直透镜端面的反射面反射，另一部分光透过自聚焦准直透镜入射到固定在待检测物体上的固定反射镜上，被反射后这部分反射光再次耦合进入到光纤中；两部分反射光具有与待检测物体位移相关的一个光程差                                                ，

为两倍于自聚焦准直透镜和固定在待检测物体上的固定反射镜之间的距离；

第2、反射的两束光通过环行器和光纤接头透射到扩束透镜上，光纤接头位于扩束透镜的焦距上，因此实现光束的扩束并贯满面阵相机的有效感光面积；

第3、两部分反射光岀射并扩束后经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与双折射光楔的光轴方向成45度放置，起偏后的偏振光将均分为偏振方向沿双折射光楔光轴和垂直于双折射光楔光轴的两个偏振分量，两个分量在双折射光楔产生光程差

，

为双折射晶体的非常光折射率，

为双折射晶体的寻常光折射率，光楔厚度

在空间呈线性分布，即

，

为入射光点离双折射光楔顶点的横向距离，

为楔角，所以可实现光程差的空间扫描，从而匹配出待检测的位移信息；由于双折射率差非常小，构成一个光学杠杆，即可以用较大的横向位移

得到较小的光程差，实现高精度光程差分辨率扫描；

第4、然后两部分反射光继续通过台阶形双折射移相器后产生光学移相效应，台阶形双折射移相器的光轴方向与双折射光楔光轴平行或者垂直，台阶形双折射移相器将增加光程差扫描范围；

台阶形双折射移相器的台阶高度选择需使得每一级光程差的最大值和下一级光程差的最小值相等，或者每一级光程差的最大值略大于下一级光程差的最小值，产生一小部分的重叠，以减少可能由加工带来的误差，从而增大光程差的测量范围。

第5、移相后的两光束再通过与双折射光楔的光轴方向成45度放置的检偏器后产生干涉条纹，利用面阵相机接收，并通过计算机或嵌入式系统进行数字处理，在对干涉条纹进行处理后通过判断匹配情况获取位移信息。

 

本发明的优点和积极效果：

1.本发明提出的高精度大量程低相干干涉解调装置有效地利用双折射效应构成光学杠杆，用较大的横向位移得到较小的光程差，获取光程差的高分辨率，同时利用台阶形双折射移相器和面阵CMOS相机或CCD相机实现光程差的大测量范围。测量精度在1nm左右，而测量范围可达2mm左右。

2．双折射晶体可以采用铌酸锂晶体，氟化镁晶体，YVO₄晶体等，起偏器和检偏器可以是格兰-泰勒棱镜，格兰-汤姆逊棱镜等偏振棱镜，也可以是偏光片。

3. 通过设计双折射光楔的楔角，台阶形双折射移相器的台阶高度和选择面阵相机的有效感光面积可以很容易得到不同的测量范围和精度的位移测量性能。楔角一般可选择在1o至10o之间，面阵相机可以选择CMOS相机，如像元大小为5.2

，像元数1280X1024的CMOS相机，或者像素大小为3.2

,像元数2048X1536的CMOS相机，或者其他规格的像元数较大的CMOS相机以及CCD面阵相机。台阶形双折射移相器的台阶数可以根据需要在1至50中选取，台阶高度通过使台阶高度满足每一级光程差的最大值和下一级光程差的最小值相等或略有重叠的条件来确定。

4.由于整个光程差扫描没有机械运动部件，可靠性高。高精度大量程低相干干涉解调装置可以应用在能转化为位移量的物理信息如应变，温度，压力等的探测，应用范围宽。

附图说明

图1是本发明中一种高精度大量程低相干干涉位移解调装置示意图；

图2是本发明中扩大光程差的等效双折射光楔拼接示意图；

图3是具有双折射光楔和两级台阶的台阶形双折射移相器下的接收到的高相干干涉条纹。

图4是具有双折射光楔和一级台阶的台阶形双折射移相器下的接收到的低相干干涉条纹。

图5是具有双折射光楔和两级台阶的台阶形双折射移相器下的接收到的低相干干涉条纹。

图中，1宽带光源，2光环行器，3自聚焦准直透镜，4固定反射镜，5光纤接头，6扩束透镜，7起偏器，8双折射光楔，9台阶形双折射移相器，10检偏器，11面阵相机，12计算机。

具体实施方式

实施例1：一种高精度大量程低相干干涉位移解调装置

如图1所示，宽带光源1发出的光经过光环行器2到达传感一侧的自聚焦准直透镜3，一部分光被自聚焦准直透镜3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦准直透镜3准直出射到固定在待检测物体上的固定反射镜4上，被反射后这部分光再次耦合进入到光纤中。反射的两束光通过光环行器2和光纤接头5透射到扩束透镜6上，光纤接头5位于扩束透镜6的焦距上，实现光束的扩束并贯满面阵相机11的有效感光面积。扩束后的光经起偏器7起偏成线偏振光，线偏振光通过双折射光楔8和台阶形双折射移相器9，移相后的两光束再通过检偏器10进行投影干涉。透过检偏器10的干涉条纹采用面阵相机11接收并输入到计算机12中。

 

实施例2：一种高精度大量程低相干干涉位移解调方法

上述低相干干涉位移解调装置的解调过程如下：

图1中的宽带光源1的光经过光环行器2到达传感一侧的自聚焦准直透镜3，一部分光被自聚焦准直透镜3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦准直透镜3准直出射到待检测物体的固定反射镜4上，被反射后这部分光再次耦合进入到光纤中，两部分光具有与待检测物体位移相关的一个光程差

，

为两倍于自聚焦准直透镜3和待检测物体的固定反射镜4之间的距离。反射的两束光通过环行器2和光纤接头5透射到扩束透镜6上，光纤接头5位于扩束透镜6的焦距上，因此实现光束的扩束并贯满面阵相机11的有效感光面积。扩束后的光经起偏器7起偏成线偏振光，起偏器的偏振轴方向与双折射晶体的光轴方向成45度放置，因此起偏后的偏振光可以均分为偏振方向沿双折射晶体光轴和垂直于双折射晶体光轴的两个偏振分量，两个分量在双折射晶体光程差为

，

为双折射晶体的非常光折射率，

为双折射晶体的寻常光折射率，

为双折射晶体沿光传输方向的几何距离。制作的双折射光楔8使

在空间呈线性分布，即

，

为光点离光楔顶点的横向距离，

为楔角。从而实现光程差扫描。由于双折射率差非常小，构成一个光学杠杆，即可以用较大的横向位移

得到较小的光程差，从而实现高精度光程差分辨率扫描。通过双折射光楔8的光再通过台阶形双折射移相器9进行分级移相，台阶形双折射移相器9的光轴与双折射光楔8的光轴平行，台阶高度选择需使得每一级光程差的最大值和下一级光程差的最小值相等或略有小部分重叠，从而等效增长了光楔，实现增大光程差的测量范围，如图2所示。移相后的两光束再通过检偏器10进行投影干涉，检偏器10的透光方向与双折射光楔8的光轴成45度。透过检偏器的干涉条纹采用面阵CMOS相机11接收，并输入到计算机12中进行数字处理，提取峰值，计算位移距离。

图3是采用具有双折射光楔和两级台阶的台阶形双折射移相器的解调装置的干涉条纹采集示例，该图是采用相干长度为1mm的红光半导体激光器光源产生的干涉条纹。光通过双折射光楔后的光程差和通过台阶形双折射移相器的光程差是相互补偿的。实验所采用的双折射光楔的光程差测量范围为30

，移相器每两级之间的光程差为30

，红光半导体激光器的相干长度远大于30，所以在图3上能看到由于上下级光程差的不同，导致了上下两级的干涉条纹相互错开的现象。

图4是采用一级台阶形双折射移相器解调装置下的干涉条纹，该图是采用相干长度为15

蓝光宽带光源产生的干涉条纹。

图5是采用相干长度为15

蓝光宽带光源下，具有双折射光楔和两级台阶形双折射移相器解调装置产生的干涉图形。实验两级台阶的相干长度测量范围是相互衔接的，每级的相干长度测量范围是30

。在第一级，光源的相干长度处于测量范围之内，能够产生干涉条纹；而第二级，光源的相干长度处于测量范围之外，没有干涉条纹出现。

本发明的低相干干涉位移解调装置中

1.      宽带光源可以是LED光源，也可以是SLD光源，或卤素灯光源；

2.      每一级光程差的最大值可以略大于下一级光程差的最小值，产生一小部分的重叠；

3.环形器可以采用光纤耦合器代替，面阵相机可以是面阵CMOS相机，也可以是面阵CCD相机；

4.处理单元除了可采用计算机实现外，也可采用嵌入式系统实现；

5.上述的光纤光学器件部分也可以采用对应的空间光学器件代替。

 

实施例3：应用举例

如果将自聚焦准直透镜3和固定反射镜4作为光纤法珀的两个反射面，则本解调装置和解调方法可以用于光纤法珀的绝对腔长解调。以光纤法珀压力传感器为例，将固定反射镜4固定在压力膜片上，当法珀腔腔长足够小时，自聚焦准直透镜3可以省掉，直接采用光纤替代即可，即固定反射镜4和光纤端面构成法珀腔。当外界压力作用在膜片时，膜片发生变形，带动反射镜4轴向移动，解调装置通过光程差扫描可匹配出当前法珀腔长，从而感知出膜片变形量，进而可根据公式或标定系数计算出待测压力。

Claims (3)

1.一种高精度大量程低相干干涉位移解调装置，其特征在于该装置包括：

光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源或卤素灯；

光环行器：用来将光源发出的光发送到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大时，也可采用光纤耦合器替代；

自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过所镀反射膜实现光的部分反射；

固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；

光纤接头：用来接收光环行器收集的反射信号光并将反射信号光输出到干涉子系统中；

扩束透镜：用来将光纤接头输出的光束进行扩束准直，使之能很好的覆盖CMOS或ＣＣＤ面阵相机的有效感光面积；

起偏器：用来对扩束透镜扩束准直后的输入信号光进行起偏；

双折射光楔：用来对起偏器产生的正交的两个线偏振光产生具有线性分布的空间光程差；

台阶形双折射移相器：用来对经过双折射光楔产生空间光程差后的正交的两个线偏振光产生的制定的固定相移，相移在空间呈台阶形分布；

检偏器：用来对经过台阶形双折射移相器移相后的相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉；

面阵相机：采用CMOS相机或者CCD面阵相机对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；

处理单元：可以采用计算机，也可以是嵌入式计算系统，用于对面阵相机采集的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的固定反射镜是具有反射作用的器件，可以是平面镜或者角锥棱镜。

3.一种依据权利要求1所述装置的高精度大量程低相干干涉位移解调方法，其特征在于该方法的具体过程如下：

第1、宽带光源发出的光通过光环行器到达传感一侧的自聚焦准直透镜，一部分光被自聚焦准直透镜端面的反射面反射，另一部分光透过自聚焦准直透镜入射到固定在待检测物体上的固定反射镜上；

第2、由于自聚焦准直透镜和固定在待检测物体上的固定反射镜之间的位移使得两部分反射光存在一个光程差，所述的两部分反射光再次耦合到光纤中并通过环行器到达光纤接头；

第3、两部分反射光岀射并扩束后经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与双折射光楔的光轴方向成45度放置，起偏后的偏振光将均分为偏振方向沿双折射光楔光轴和垂直于双折射光楔光轴的两个偏振分量，两个分量在双折射光楔产生光程差                                                

，

为双折射晶体的非常光折射率，

为双折射晶体的寻常光折射率，光楔厚度

在空间呈线性分布，即，

为入射光点离双折射光楔顶点的横向距离，

为楔角，所以可实现光程差的空间扫描，从而匹配出待检测的位移信息；由于双折射率差非常小，构成一个光学杠杆，即可以用较大的横向位移

得到较小的光程差，实现高精度光程差分辨率扫描；

第4、然后两部分反射光继续通过台阶形双折射移相器后产生光学移相效应，台阶形双折射移相器的光轴方向与双折射光楔光轴平行或者垂直，台阶形双折射移相器将增加光程差扫描范围；

第5、最后经过与双折射光楔的光轴方向成45度放置的检偏器后产生干涉条纹，利用面阵相机接收，在对干涉条纹进行处理后通过判断匹配情况获取位移信息。

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