CN102168944B - 用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法 - Google Patents

用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法 Download PDF

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CN102168944B CN201010612523A CN201010612523A CN102168944B CN 102168944 B CN102168944 B CN 102168944B CN 201010612523 A CN201010612523 A CN 201010612523A CN 201010612523 A CN201010612523 A CN 201010612523A CN 102168944 B CN102168944 B CN 102168944B
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Abstract

一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法,该双频激光干涉仪的结构包括光源、光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机。所述的光源是两个波长不相等的半导体激光器,且带有光源控制器;光电探测器将接收到的干涉信号转换成电信号输入到数据采集卡内,并通过计算机进行数据处理得到待测距离。本发明干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合,扩大了测量范围,利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位,从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差,提高了测量精度。

Description

用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及绝对距离测量干涉仪,特别是一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法。
背景技术
距离测量在工业生产及科研中占有重要地位。干涉测量技术因为具有高精度、高分辨率、非接触性等优点被广泛应用于绝对距离测量。正弦相位调制干涉技术是一种国际前沿的干涉测量技术,具有精度高、调制方便、结构简单等优点,长期以来受到研究人员的重视,在绝对距离测量领域得到了很大发展。
用于绝对距离测量的正弦相位调制干涉仪具有纳米精度,但测量范围只有半个波长。为了解决这个问题,O.Sasaki等提出了一种双波长半导体激光干涉仪(在先技术[1]:“Two-wavelength sinusoidal phase modulating laser-diodeinterferometer insensitive to external disturbances”,Appl.Opt.30,4040-4045,1991)。此干涉仪采用两个光源,利用合成波长技术将测量范围扩大到152μm,扩大了测量范围,但仍然无法满足厘米量级的大范围测量,此外,由于在测量过程中,利用近似的干涉信号表达式对数据进行处理:
S(t)=A0+A1cos(z1cosω1t+α1)+A2cos(z2cosω2t+α2)
上式在信号处理得过程中没有考虑光强调制项的影响,从而引入了一定的系统误差测量精度只有6μm,无法满足高精度测量的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足,提供一种大范围高精度的绝对距离测量干涉仪。该干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合,扩大了测量范围,并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位,从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差,提高了测量精度。
本发明的技术解决方案如下:
一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪,特点在于其结构包括:带有第一光源控制器的第一光源、带有第二光源控制器的第二光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机,所述的第一光源控制器为第一光源提供直流驱动电流和正弦交流电流,由第一光源发射的光束通过第一段光纤进入第一光纤耦合器内,由第一光纤耦合器出射后,通过第二段光纤进入隔离器,由隔离器出射后,通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内,由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤,经过准直器准直后照射到被测物体上,由被测物体表面反射的光和由准直器出射端面反射的光通过准直器后,经过第五段光纤入射到光电探测器内,所述的第二激光控制器为第二光源提供直流驱动电流和正弦交流电流,第二光源的中心波长λ2不等于第一光源的中心波长,由第二光源发射的光束通过第六段光纤进入第一光纤耦合器内,由第一光纤耦合器出射后,通过第二段光纤射入隔离器,由隔离器出射后,通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内,由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤,经过准直器准直后照射到被测物体上,由被测物体表面反射的光和由准直器端面反射的光通过准直器后,经过第五段光纤进入光电探测器内,准直器上固定有压电陶瓷,数据采集卡包含三个输出端口:第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和两个输入端口:第一输入端口、第二输入端口,第一输出端口与第一光源控制器相连,第二输出端口与第二光源控制器相连,第三输出端口与计算机的输入端相连,第四输出端口与压电陶瓷相连,第一输入端口与光电探测器的输出端相连,第二输入端口与计算机的输出端口相连。计算机带有绝对距离测量程序,该程序包括粗测模块和细测模块,在测量过程中,粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值,细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度,并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。
上面所说的第一光源、第二光源均是半导体激光器,均作为测量光源用,而且两光源的发射波长λ1、λ2不相等。
所说的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块,温度控制模块用于控制第一光源的温度,使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化,电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。
所说的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块,温度控制模块用于控制第二光源的温度,使第二光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化,电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。
所说的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过,而从光路中返回的光束不能通过,也就是从光路中返回的光束射不到原发射光源上。
所说的准直器是指其出射光为平行光的光学元件。
所说的光电探测器内部集成有放大电路。
利用所说的绝对距离测量的双频激光干涉仪进行绝对距离的测量方法,具体测量步骤如下:
①参数测定:
开启第一光源,并使其注入电流保持为直流,利用数据采集卡产生的正弦信号驱动压电陶瓷PZT,使PZT产生一个振幅大于λ01/8而小于λ01/4正弦振动,此时所述的光电探测器所探测到的干涉信号为:
P1′(t)=S1S01+S1S11cos[α1(t)+α01],
提取干涉信号P1′(t)的直流分量S1S01,并利用公式S1S11cos[α1(t)+α01]=P1′(t)-S1S01计算干涉信号P1′(t)的交流幅值S1S11
开启第二光源,利用相同的方法确定P2′(t)的直流分量S2S02与交流幅值S2S12
②将相关参数S1S01,S1S11,S2S02,S2S12导入绝对距离测量程序
③距离粗测值lc确定:
距离粗测模块控制数据采集卡输出三角波信号对第一光源的注入电流进行调制,并采集光电探测器探测到的线性调频信号:
S c ( t ) = C 1 cos [ α - ( 2 π / λ 0 2 ) l β 1 ′ bt ]
其中β1′为第一光源的波长调制系数,b为三角波信号的幅值。截取一段干涉信号进行数波数可得
Figure BSA00000403384400032
其中Δt所截取的干涉信号的时间,m为该干涉信号的波数。根据数据处理可得
Figure BSA00000403384400033
线性调频干涉测量技术的测量精度较低,因此只能获得与待测距离l近似的粗测值lc
④通过数据采集卡获取光电探测器探测到的正弦相位调制干涉信号:
S(t)=S1(t)+S2(t)
=g1(t)[S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]+g2(t)[S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]
=β1′[I01+Im1(t)][S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]
2′[I02+Im2(t)][S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]
=S1(1+β1cosω1t)[S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]
+S2(1+β2cosω2t)[S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]
其中:g1(t)和g2(t)分别为第一光源和第二光源产生的干涉信号的光强调制项;S1=β1′I01,S2=β2′I02分别为第一光源和第二光源输出光强的直流分量;β1=a1/I01,β2=a2/I02分别为第一光源和第二光源注入电流交流成分的幅值与直流偏置的比值;S01和S11分别为不考虑光强调制时,干涉信号项S1(t)和S2(t)的直流成分,S02和S12分别为不考虑光强调制时,干涉信号项S1(t)和S2(t)的交流成分;
Figure BSA00000403384400042
为两干涉信号S1(t)和S2(t)对应的正弦相位调制深度;α1=(4π/λ01)l和α2=(4π/λ02)l为由准直器和待测物体之间的距离l所决定的相位。
⑤对干涉信号进行带通滤波,并利用快速傅里叶变换提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量:
P11=β1{S1S01+S1S11[J0(z1)-J2(z1)]cosα1}-2S1S11J1(z1)sinα1
P21=-β1S1S11[J1(z1)-J3(z1)]sinα1-2S1S11J2(z1)cosα1
P12=β2{S2S02+S2S12[J0(z2)-J2(z2)]cosα2}-2S2S12J1(z2)sinα2
P22=-β2S2S12[J1(z2)-J3(z2)]sinα2-2S2S12J2(z2)cosα2
⑥将步骤⑤中由第一光源产生的干涉信号提取出的一阶和二阶频谱分量
P11=β1{S1S01+S1S11[J0(z1)-J2(z1)]cosα1}-2S1S11J1(z1)sinα1
P21=-β1S1S11[J1(z1)-J3(z1)]sinα1-2S1S11J2(z1)cosα1
看作关于cosα1和sinα1的线性方程组,利用由粗测模块计算得到的距离粗测值lc利用公式
Figure BSA00000403384400043
确定细测时与第一光源对应的干涉信号的正弦相位调制深度z1,结合相关参数S1S11,S1S01通过求解线性方程组,计算与第一光源对应的干涉信号相位的正弦值与余弦值:
cos α 1 = K 21 A 21 - K 41 A 11 K 31 K 21 - K 11 K 41 sin α 1 = K 31 A 11 - K 11 A 21 K 31 K 21 - K 11 K 41 ,
其中,
A 11 = 1 S 1 S 11 ( P 11 - β 1 S 1 S 01 ) A 21 = 1 S 1 S 11 P 21 ,
K 11 = β 1 [ J 0 ( z 1 ) - J 2 ( z 1 ) ] K 21 = - 2 J 1 ( z 1 ) K 31 = - 2 J 2 ( z 1 ) K 41 = - β 1 [ J 1 ( z 1 ) - J 3 ( z 1 ) ]
根据正弦值与余弦值计算干涉信号的相位α1
⑦利用与步骤⑥类似的方法计算α2
⑧根据α1和α2计算与合成波长对应的相位:α=α12
⑨将距离粗测值lc导入,对2lce向下取整,计算满足
Figure BSA00000403384400054
的整数n,其中λe=λ01λ02/(λ0201)为合成波长。并根据α和n通过下式计算待测距离l:
l = 1 2 n λ e + λ e 4 π α
本发明与在先技术相比,具有以下优点和积极效果:
1、与在先技术[1]相比,本发明的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合,扩大了测量范围。
2、与在先技术[1]相比,本发明的用于绝对距离测量的双频激光干涉测量方法在处理干涉信号的过程中考虑了光源光强调制项的影响,通过求解线性方程组对相位进行计算,从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差,提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明双波长绝对距离测量干涉仪的结构示意图。
图2是本发明绝对距离测量程序的流程图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明双波长绝对距离测量干涉仪的结构示意图如图1所示。由图可见,本发明双波长绝对距离测量干涉仪,包括带有第一光源控制器2的第一光源1、带有第二光源控制器11的第二光源10、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器5、隔离器4、准直器6、光电探测器7、压电陶瓷9、数据采集卡12和计算机13,所述的第一光源控制器2为第一光源1提供直流驱动电流和正弦交流电流,由第一光源1发射的光束通过第一段光纤301进入第一光纤耦合器3内,由第一光纤耦合器3出射后,通过第二段光纤302进入隔离器4,由隔离器4出射后,通过第三段光纤501进入第二光纤耦合器5内,由第二光纤耦合器5出射后通过第四段光纤502,经过准直器6准直后照射到被测物体8上,由被测物体8表面反射的光和由准直器6出射端面反射的光通过准直器6后,经过第五段光纤503入射到光电探测器7内,所述的第二激光控制器11为第二光源10提供直流驱动电流和正弦交流电流,第二光源10的中心波长λ2不等于第一光源1的中心波长,由第二光源10发射的光束通过第六段光纤303进入第一光纤耦合器3内,由第一光纤耦合器3出射后,通过第二段光纤302射入隔离器4,由隔离器4出射后,通过第三段光纤501进入第二光纤耦合器5内,由第二光纤耦合器5出射后通过第四段光纤502,经过第一准直器6准直后照射到被测物体8上,由被测物体8表面反射的光和由准直器6端面反射的光通过准直器6后,经过第五段光纤503进入光电探测器7内,准直器6上固定有压电陶瓷9,数据采集卡12包含三个输出端口:第一输出端口12b、第二输出端口12c、第三输出端口12e和两个输入端口:第一输入端口12a、第二输入端口12d,第一输出端口12b与第一光源控制器2相连,第二输出端口12c与第二光源控制器11相连,第三输出端口12e与计算机13的输入端相连,第四输出端口12f与压电陶瓷9相连,第一输入端口12a与光电探测器7的输出端相连,第二输入端口12d与计算机13的输出端口相连。计算机13带有绝对距离测量程序,程序包括粗测模块和细测模块,在测量过程中,粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值,细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度,并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。
光电探测器7内部集成有放大电路。
绝对距离测量程序包括距离粗测模块和距离细测模块,其中计算机距离粗测模块通过数据采集卡12输出三角波信号对第一光源1的注入电流进行调制,采集光电探测器7探测到的线性调频信号,然后通过拍频法计算并存储待测距离的粗测值。
距离细测模块通过数据采集卡12获取光电探测器7探测到的正弦相位调制干涉信号,然后利用快速傅里叶变换提取干涉信号的一阶和二阶频谱分量,并利用由粗测模块计算得到的距离粗测值确定细测时与第一光源1和第二光源10对应的干涉信号的正弦相位调制深度,结合与反射率和光强相关的参数通过求解线性方程组计算与第一光源1和第二光源10对应的干涉信号相位的正弦值与余弦值,根据正弦值与余弦值计算出干涉信号的相位,并计算与合成波长对应的相位。最后根据与合成波长对应的相位和粗测模块得到的距离粗测值计算出待测距离。
第一光源控制器2为第一光源1提供直流、三角波交流或正弦交流电流,第二光源控制器11为第二光源10提供直流和正弦交流电流,两个光源控制器的交流信号由计算机控制数据采集卡12产生。第一光源1和第二光源10的出射光的波长和强度被正弦调制,两束被调制的光分别经过第一段光纤301和第六段光纤303进入第一光纤耦合器3,从第一光纤耦合器3出射的光经过第二段光纤302进入隔离器4,并依次经过第三段光纤501、第二光纤耦合器5、第四段光纤502和准直器6,一部分光在准直器与空气交界的端面反射,另一部分光经过准直器6后以平行光出射,经待测物体8表面反射后,又经准直器6进入光纤。被准直器6端面反射回去的参考光与物体表面反射的物光进行干涉,产生的干涉信号经过第四段光纤502、第二光纤耦合器5和第五段光纤503后,由光电探测器7检测。由光电探测器7检测到的信号由数据采集卡12采集并送入计算机13,经过计算机13数据处理后得到待测距离。
本发明的双波长绝对距离测量干涉仪工作时,先通过线性调频波长扫描技术获得距离粗测值,然后对第一光源1和第二光源10的注入电流进行正弦调制并采集干涉信号,根据距离粗测值计算干涉信号的正弦相位调制深度,并通过求解线性方程组精确地求出两个干涉信号相位的正弦值和余弦值,进而精确地求出与两个光源对应的干涉信号相位和与合成波长对应的相位以及待测距离。
如图2所示,测量程序距离粗测模块控制数据采集卡12输出三角波信号对第一光源1的注入电流进行调制,并采集光电探测器探测到的线性调频信号:
S c ( t ) = C 1 cos [ α - ( 2 π / λ 0 2 ) l β 1 ′ bt ]
其中β1′为第一光源1的波长调制系数,b为三角波信号的幅值。截取一段干涉信号进行数波数可得
Figure BSA00000403384400082
其中Δt所截取的干涉信号的时间,m为该干涉信号的波数。根据数据处理可得
Figure BSA00000403384400083
线性调频干涉测量技术的测量精度较低,因此只能获得与待测距离l近似的粗测值lc(在先技术[2]:“调频激光干涉绝对距离测量技术及其信号处理”,航空计测技术,17(2),31~35,1997)。
测量程序细测模块通过绝对距离测量程序控制数据采集卡12向第一光源1和第二光源10注入电流后,第一光源1的波长λ1(t)和强度g1(t),第二光源10的波长λ2(t)和强度g2(t)分别表示为:
λ1(t)=λ0101Im1(t),                              (1)
λ2(t)=λ0202Im2(t)
g1(t)=β1′[I01+Im1(t)],                             (2)
g2(t)=β2′[I02+Im2(t)]
其中:λ01和λ02分别为第一光源1和第二光源10的中心波长,β01和β02分别为第一光源1和第二光源10的波长随驱动电流的变化系数,β1′和β2′分别为第一光源1和第二光源10的光强随驱动电流的变化系数。I01和I02分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的直流偏置电流,Im1(t)和Im2(t)分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的正弦交流电流,它们可以表示为:
Im1(t)=a1cosω1t,                                    (3)
Im2(t)=a2cosω2t
其中:ω1和ω2分别为第一光源1和第二光源10正弦调制的角频率,a1和a2分别为第一光源控制器2和第二光源控制器11提供的正弦交流电流的幅度。
光电探测器7检测到的干涉信号可以表示为:
S(t)=S1(t)+S2(t)
=g1(t)[S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]+g2(t)[S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]
=β1′[I01+Im1(t)][S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]
2′[I02+Im2(t)][S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]’                          (4)
=S1(1+β1cosω1t)[S01+S11cos(z1cosω1t+α1)]
+S2(1+β2cosω2t)[S02+S12cos(z2cosω2t+α2)]
其中:S1=β1′I01,S2=β2′I02是分别为第一光源1和第二光源10输出光强的直流分量;β1=a1/I01,β2=a2/I02分别为第一光源1和第二光源10注入电流交流成分的幅值与直流偏置的比值;A01和A11分别为不考虑光强调制时,干涉信号项A1(t)和A2(t)的直流成分,S02和S12分别为不考虑光强调制时,干涉信号项S1(t)和S2(t)的交流成分;
Figure BSA00000403384400092
为两干涉信号S1(t)和S2(t)对应的正弦相位调制深度;α1=(4π/λ01)l和α2=(4π/λ02)l为由准直器6和待测物体8之间的距离l所决定的相位。
通过数据采集卡12采集正弦相位调制干涉信号,经过带通滤波后,利用快速傅里叶变换对干涉信号进行频谱分析提取与第一光源1波长对应的干涉信号的一阶和二阶频谱分量,其中一阶频谱分量表示为:
P11=β1{S1S01+S1S11[J0(z1)-J2(z1)]cosα1}-2S1S11J1(z1)sinα1    (5)
二阶频谱分量表示为:
P21=-β1S1S11[J1(z1)-J3(z1)]sinα1-2S1S11J2(z1)cosα1,        (6)
(5)式和(6)式可以看作关于cosα1和sinα1的线性方程组,对公式中的参量进行变换,令
A 11 = 1 S 1 S 11 ( P 11 - β 1 S 1 S 01 ) A 21 = 1 S 1 S 11 P 21 - - - ( 7 )
K 11 = β 1 [ J 0 ( z 1 ) - J 2 ( z 1 ) ] K 21 = - 2 J 1 ( z 1 ) K 31 = - 2 J 2 ( z 1 ) K 41 = - β 1 [ J 1 ( z 1 ) - J 3 ( z 1 ) ] - - - ( 8 )
(5)式和(6)式可改写为:
A11=K11cosα1+K21sinα1
                                                (9)
A21=K31cosα1+K41sinα1
则cosα1和sinα1的表达式为:
cos α 1 = K 21 A 21 - K 41 A 11 K 31 K 21 - K 11 K 41 sin α 1 = K 31 A 11 - K 11 A 21 K 31 K 21 - K 11 K 41 - - - ( 10 )
(10)式中的参数K11,K21,K31,K41为与正弦相位调制深度z1有关的参数,根据公式
Figure BSA00000403384400102
可以计算出干涉信号的正弦相位调制深度,其中第一光源1的调制电流幅值a1为已知,距离l可利用粗测模块的运行得到的距离粗测值lc近似。通过公式
Figure BSA00000403384400103
计算得到的调制深度z1,利用(8)式可以求得参数K11,K21,K31,K41的值。
由(7)式可知,(10)式中的参量A11,A21与常量S1S01和S1S11有关。S1S01和S1S11是与反射率和光强有关测参数,这些参数难以通过直接计算获得,需要通过压电陶瓷9振动间接测量获得。如图1所示,开启第一光源1,并使其注入电流保持为直流,利用数据采集卡产生正弦信号驱动压电陶瓷9,使压电陶瓷9产生一个振幅大于λ01/8而小于λ01/4正弦振动。此时,光电探测器7所探测到的干涉信号为:
P1′(t)=S1S01+S1S11cos[α1(t)+α01],            (11)
由于压电陶瓷的振幅大于λ01/8,cos[α1(t)+α01]的值可以达到±1,干涉信号P1′(t)的交流幅值即为S1S11,而干涉信号的直流分量即为S1S01,通过信号处理与分析,可以得到S1S01和S1S11的值。
将上述计算得到的相关参数导入绝对距离测量程序,利用(10)式即可得到sinα1和cosα1的值,则α1的值可以通过反正切函数求得:
α1=arctan(sinα1/cosα1),                    (12)
类似的,α2的值可以通过绝对距离测量程序求得。则合成波长的相位α=α12也可以求得。
将距离粗测值lc导入,对2lce向下取整,计算满足
Figure BSA00000403384400104
的整数n,其中λe=λ01λ02/(λ0201)为合成波长。则绝对距离的测量值可通过下式计算求得:
l = 1 2 n λ e + λ e 4 π α , - - - ( 13 )
实验结果表明(13)式中等号右边的第一项能达到小于1nm的精度,由于考虑了光源光强调制的影响,第二项能达到1μm的精度,因此绝对距离的测量精度为1μm。
如图1所示的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪,第一光源1和第二光源10采用波长分别为1309.49nm和1311.51nm的半导体激光器。两个光源的最大输出功率均为10mW。在测量前,驱动压电陶瓷9产生正弦振动,并使光源的注入电流为直流,通过对干涉信号进行处理与分析,测得与物体的反射率和光源光强有关的参数,并将参数导入绝对距离测量程序。之后利用程序的粗测模块控制数据采集卡12产生频率为20Hz的三角波信号对第一光源1进行调制并保持第二光源2的注入电流为直流,利用干涉信号计算出待测距离的粗测值lc。然后,程序切换到细测模块,通过信号触发数据采集卡12产生正弦信号对第一光源1和第二光源10的注入电流进行调制,其中第一光源1的正弦相位调制角频率为ω1=9000Hz,第二光源10的正弦相位调制角频率为ω2=5600Hz。对采集到的干涉信号进行分析与处理,其中干涉信号的正弦相位调制深度利用距离粗侧值lc和交流调制电流的幅值计算求得,之后根据计算得到的调制深度,计算出与两个光源相对应的干涉信号的相位α1和α2,进而求得合成波长的相位α,并结合粗测模块计算得到的距离粗测值lc,即可计算得到待测距离l。
由于结合了线性调频技术,该测量装置可以在50mm至300mm的范围内进行测量。此外,系统利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位,从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差,实验结果和理论分析表明,测量的精度可以达到1μm。

Claims (5)

1.一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪,特征在于其结构包括:所述的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪构成包括带有第一光源控制器(2)的第一光源(1)、带有第二光源控制器(11)的第二光源(10)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(5)、隔离器(4)、准直器(6)、光电探测器(7)、压电陶瓷(9)、数据采集卡(12)和计算机(13),所述的第一光源控制器(2)为第一光源(1)提供直流驱动电流、三角波交流电流或正弦交流电流,由第一光源(1)发射的光束通过第一段光纤(301)进入第一光纤耦合器(3)内,由第一光纤耦合器(3)出射后,通过第二段光纤(302)进入隔离器(4),由隔离器(4)出射后,通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内,由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502),经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上,由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)出射端面反射的光通过准直器(6)后,经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)入射到光电探测器(7)内,所述的第二光源控制器(11)为第二光源(10)提供直流驱动电流和正弦交流电流,第二光源(10)的中心波长不等于第一光源(1)的中心波长,由第二光源(10)发射的光束通过第六段光纤(303)进入第一光纤耦合器(3),由第一光纤耦合器(3)出射后,通过第二段光纤(302)射入隔离器(4),由隔离器(4)出射后,通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内,由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502),经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上,由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)端面反射的光通过准直器(6)后,经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503)进入所述的光电探测器(7)内,准直器(6)上固定有压电陶瓷(9),数据采集卡(12)的第一输出端口(12b)与第一光源控制器(2)相连,第二输出端口(12c)与第二光源控制器(11)相连,第三输出端口(12e)与计算机(13)的输入端相连,第四输出端口(12f)与压电陶瓷(9)相连,第一输入端口(12a)与所述的光电探测器(7)的输出端相连,所述的数据采集卡(12)的第二输入端口(12d)与计算机(13)的输出端口相连,所述的计算机(13)具有绝对距离测量模块,该模块包括粗测模块和细测模块,在测量过程中,粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值,细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度,并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。
2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪,其特征在于所述的第一光源和第二光源均是半导体激光器,而且两光源的发射波长λ1、λ2不相等。
3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪,其特征在于所述的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块,温度控制模块用于控制第一光源的温度,使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化,电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。
4.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪,其特征在于所述的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块,温度控制模块用于控制第二光源的温度,使第二光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化,电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。
5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪,其特征在于所述的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过,而从光路中返回的光束不能通过。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12007250B2 (en) 2020-05-12 2024-06-11 Zhejiang Sci-Tech University Variable synthetic wavelength absolute distance measuring device locked to dynamic sideband and method thereof

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103234515B (zh) * 2013-04-19 2015-10-28 中国科学院力学研究所 一种空间激光干涉系统弱光锁相技术的模拟方法和装置
CN103293959B (zh) * 2013-06-03 2016-03-23 中国科学院力学研究所 空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟方法和装置
CN103575220B (zh) * 2013-10-31 2016-09-14 中国人民解放军国防科学技术大学 基于光纤耦合器的小型化单光栅干涉测量系统及测量方法
US20150131078A1 (en) * 2013-11-08 2015-05-14 The Boeing Company Synthetic wave laser ranging sensors and methods
CN103983211A (zh) * 2014-05-22 2014-08-13 天津大学 基于正弦相位调制四步积分的条纹投射三维形貌测量系统
CN103983210A (zh) * 2014-05-22 2014-08-13 天津大学 三维形貌测量光纤干涉投射条纹的相位稳定度测量方法
EP3234500A4 (en) * 2014-12-19 2018-07-04 University of Utah Research Foundation Interferometry system and associated methods
US9835441B2 (en) 2015-03-27 2017-12-05 Zhejiang Sci-Tech University Absolute distance measurement apparatus and method using laser interferometric wavelength leverage
CN105738913B (zh) * 2016-03-30 2018-02-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 测距通信一体化激光雷达
CN111609798B (zh) * 2020-05-12 2021-04-16 浙江理工大学 锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置与方法
CN112415534B (zh) * 2020-12-16 2023-12-05 深圳市中图仪器股份有限公司 一种基于强度调制的绝对距离测量装置
CN114894120B (zh) * 2022-05-26 2024-03-19 安徽大学 一种基于双波长的可调量程表面形貌测量装置及测量方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1201901A (zh) * 1998-03-20 1998-12-16 清华大学 绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法
US5929990A (en) * 1997-03-19 1999-07-27 Litton Systems, Inc. Fabry-perot pressure sensing system with ratioed quadrature pulse detection
CN101738160A (zh) * 2009-12-25 2010-06-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 双光源正弦相位调制位移测量干涉仪

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7292347B2 (en) * 2005-08-01 2007-11-06 Mitutoyo Corporation Dual laser high precision interferometer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5929990A (en) * 1997-03-19 1999-07-27 Litton Systems, Inc. Fabry-perot pressure sensing system with ratioed quadrature pulse detection
CN1201901A (zh) * 1998-03-20 1998-12-16 清华大学 绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法
CN101738160A (zh) * 2009-12-25 2010-06-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 双光源正弦相位调制位移测量干涉仪

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12007250B2 (en) 2020-05-12 2024-06-11 Zhejiang Sci-Tech University Variable synthetic wavelength absolute distance measuring device locked to dynamic sideband and method thereof

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