CN102269627B - 基于交流小相位调制的相移量的检测与控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学测试技术。为提供提高相移精度，提高在非平衡干涉仪中的信噪比和信号稳定性，实现在闭环情况下，通过低精度相移器实现高精度的锁定相移，实现光学表面相位分布的精确测量，本发明采取的技术方案是，基于交流小相位调制相位控制的相移干涉测量方法，包括下列步骤：采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；根据光电探测器PD接收到的信号对激光器驱动器进行正玄调制；改变待测镜和参考镜的相位差α，来实现步进相移。本发明主要应用于光学测试。

Description

基于交流小相位调制的相移量的检测与控制方法及装置
技术领域
本发明属于光学测试技术，涉及先进光学仪器制造，具体是涉及基于交流小相位调制的相移量的检测与控制方法及装置。
背景技术
相移干涉法的发明是干涉领域的一个重大突破，使相位的测量达到了前所未有的精度。相移法分为时间相移法和空间相移法。空间相移法结构复杂，安装困难，多采用时间相移法。时间相移法分为连续相移和步进相移。步进相移通过最小二乘法求解相位，但对相移误差敏感，精度主要由相移器决定。相移方式包括压电晶体法，光电晶体法，偏振相移法，多普勒频移法，磁光法，液晶法和旋转平晶法等，存在滞后，非线性和机械振动等缺点。利用半导体激光器的注入电流变化时，输出光频也相应变化的特性进行相位调节，具有方法简单，降低环境要求等优点。但也存在频率漂移，输出光强变化等缺点。
在对干涉仪的相位控制上国内外也进行了大量研究。1986年，Hubert J.Matthews等通过直流相位跟踪(PTDC)使得干涉仪工作在正交状态[1]，测量精度达到1nm。1990年，CarolynR.Mercer等通过交流相位控制实现相移的同时稳定光纤干涉仪[2]，相位稳定度达到7.3mrad。1995年，A.AFreschi等提出的基于光学高频相位调制和锁相技术的抗干扰干涉法[3]，干涉仪可工作在任意相位工作点。1995年，Alexis V.Kudryashov等通过四象限光电二极管判断条纹产生的光电流大小来控制激光器波长相移[4]。2002年，Andrew J.Moore等人通过PZT将光纤干涉仪控制在正交状态[5]，相位稳定度达1.17mrad。2003年，Ribun Onodera等通过三角波调制得到干涉仪相差从而实时稳定干涉仪[6]。国内学者也进行了研究。2003年，吴栋等通过四个光电探测器探测条纹光强间接得到相位变化[7][8]。2007年，陆振宇对相移干涉仪的主动抗振算法进行了深入研究[9]。2007年王泽锋，胡永明等通过无源零差补偿相位变化[10]。2010年，苑立波等通过交流相位跟踪稳定干涉仪[11]，测量分辨力达到0.25nm。
传统步进相移通过高精度相移器开环相移实现高精度相位测量，测量精度受相移器精度的限制，需要对相移器进行定期标定。
[1]Hubert J.Matthews，Douglas K.Hamilton，Colin J.R.Sheppard.“Surface profiling byphase-locked interferometry”.APPLIED OPTICS，1986，Vol.25，No.14.
[2]Carolyn R.Mercer，Glenn Beheim.“Fiber optic phase stepping system for interferometry”.APPLIED OPTICS，1991，Vol.30，No.7.
[3]A.A.Freschi，J.Frejlich.“Adjustable phase control in stabilized interferometry”.OPTICSLETTERS：1995，Vol.20，No.6，.
[4]Alexis V.Kudryashov，Aleksei V.Seliverstov.“Adaptive stabilized interferometer with laserdiode”.Optics Communications，1995，120，239-244.
[5]Andrew J.Moore，Roy McBride，James S.Barton，Julian D.C.Jones.“Closed-loop phasestepping in a calibrated fiber-optic fringe projector for shape measurement”.APPLIEDOPTICS，2002，Vo1.41，No.16.
[6]Ribun.Onodera，Yukihiro Ishii.“Phase-shift-locked interferometer with a wavelength-modulatedlaser diode”.APPLIED OPTICS：2003，Vol.42，No.1.
[7]吴栋，陈磊，陈进榜，朱日宏.干涉仪自适应抗振的空间移相术.光子学报，2003，8(32)，969-971
[8]吴栋，朱日宏.移相干涉仪的主动抗振技术.光强-相位法振动探测与补偿.激光杂志.2004，25(6)，65-66
[9]陆振宇，朱日宏，陈磊，高志山.光学移相干涉仪抗振系统的鲁棒控制系统仿真分析.光子学报.2007，36(2)，332-334
[10]王泽锋，胡永明.干涉型光纤传感器相位漂移的无源解决方法.中国激光.2007，34(10)，1418-1421
[11]刘彬彬，孙佳星，杨军，苑立波.基于ACPT技术的纳米振动测量激光干涉仪.纳米技术与精密工程.2010，5(8)，406-410
发明内容
为克服现有技术的不足，提高相移精度从而提高测量精度，提高在非平衡干涉仪中的信噪比和信号稳定性，实现在闭环情况下，通过低精度相移器实现高精度的锁定相移，实现光学表面相位分布的精确测量。进而实现对光学透镜表面形貌，光学透镜波像差，光学传递函数等的高精度测量。为达上述目的，本发明采取的技术方案是，基于交流小相位调制的相移量的检测与控制方法，包括下列步骤：
采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；
根据光电探测器PD接收到的信号对激光器驱动器进行正玄调制；
通过正弦调制后光电探测器PD接收信号为：
Figure BDA0000067953830000022
其中J0，J1J2......为贝塞尔展开系数项，只采用基频信号求取相位；PD接收信号通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G1的信号G1 cos(ωt+θ))相乘，经低通滤波，得到V1＝-BG1 sin(α)J1(z)，通过反正弦计算求出待测镜和参考镜的相位差α，通过改变驱动器的直流偏置来相移，即改变待测镜和参考镜的相位差α，来实现步进相移。
基于交流小相位调制的相移量的检测与控制装置，结构为：激光器驱动器驱动激光器产生激光依次经聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理：
光电探测器PD输出到步进相移量测量电路，步进相移量稳定控制电路用于根据步进相移量测量电路的结果对激光器驱动器进行正弦调制。
步进相移量测量电路包括依次相连的中心频率为ω的带通滤波器后、乘法器、低通滤波。
本发明具有以下技术效果：
本发明提供了步进相移干涉测量新的改进方法，针对传统开环相移精度不高，步进相移量不能精确测量和控制技术，采用闭环相移精确测量和控制实现了步进相移量的动态锁定。为提高在非平衡干涉仪中的信噪比和信号稳定性，引入交流小相位调制，实现在闭环情况下，通过低精度相移器实现高精度的锁定相移。由于系统采用闭环结构，抗干扰能力强，避免了普通干涉仪对环境干扰敏感的缺点，可用于现场测量与校正。同时系统具有动态测量与监控能力。因此本系统可实现对光学透镜表面形貌，光学透镜波像差，光学传递函数等的高精密测量。
附图说明
图1示出本发明的基于交流小相位调制相位控制的相移干涉测量方法方法系统框图。
图1中：1为激光器驱动器；2为激光器；3为聚焦透镜；4半透半反镜；5为扩束准直透镜；6为小半透半反镜；7为参考镜；8为测量镜；9为光电探测器；10为步进相移量测量电路；11为步进相移量稳定控制电路；12为CCD相机；13为计算机测量软件。
图2示在相位调制度为0.15rad时的测量信号。
具体实施方式
为解决开环相移精度不高的问题，拟采用闭环相移。步进相移量的高精度实时检测是实现该技术的关键。交流相位调制是目前比较成熟的技术，但该技术要求的相位调制度大，如2.45、2.63等，这类相位调制度在相移干涉中会极度劣化干涉图样。相位调制度小，则对干涉图样影响小。
引文[13]中通过相位调制度为z＝0.21rad调制，此时J1(z)＝0.1044，通过将相位差控制在nπ附近(n为整数)，相位灵敏度最高，相移精度RMS值为7.3mrad，对条纹对比度的影响不超过1％。采用大相位调制z＝2.45rad时，J1(z)＝0.5091，J2(z)＝0.4388，当z＝0.1rad，J1(z)＝0.0499，J2(z)＝0.0012，相对于大相位调制，小相位调制下J1(z)下降为原来的1/10。因此对电路的微光探测能力提出要求，需要实现高信噪比窄带接收。在相位调制度为0.15rad时，我们测量了调制信号，信噪比高于50dB(如图2)。
结合交流小相位调制特点，设计直流相位跟踪系统，相位稳定度小于28mrad。由于非平衡单端输出易受环境干扰，直流工作点漂移，只能短期稳定。交流相位控制相对直流相位跟踪(PTDC)不受直流工作点影响，精确求解相位，实现相位差控制和稳定。
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。
如图1建立实验系统，实现基于交流相位控制的传统步进相移测量。
通过正弦调制后贝塞尔展开信号为：
Figure BDA0000067953830000031
Figure BDA0000067953830000032
(式1)
其中
Figure BDA0000067953830000041
w调制角频率，CCD相机采集信号和调制信号相位延迟为θ，A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，z为相位调制度系数，α(x，y，t)为待测面引起的相位变化，
传统的解相过程采用PGC等方法，通过J1(z)/J2(z)来处理信号，在交流小相位调制下，相对于J1(z)，J2(z)下降较快，只采用基频信号求取相位。PD接收信号通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G1的信号G1cos(ωt+θ))相乘，经低通滤波，得到V1＝-BG1sin(α)J1(z)，通过反正弦计算求出待测镜和参考镜的相位差α。通过改变驱动器的直流偏置来相移，即改变待测镜和参考镜的相位差α，来实现步进相移。

Claims (2)

1.一种基于交流小相位调制的相移量的检测与控制方法，其特征是，包括以下步骤：
采用激光器驱动器驱动激光器产生激光，依次经过聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；
根据光电探测器PD接收到的信号对激光器驱动器进行正弦调制；
通过正弦调制后光电探测器PD接收信号为：
Figure FDA00001611517100011
Figure FDA00001611517100012
其中
Figure FDA00001611517100013
w调制角频率，CCD相机采集信号和调制信号相位延迟为θ，A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，z为相位调制度系数，J0，J1J2......为贝塞尔展开系数项，只采用基频信号求取相位；PD接收信号通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G1的信号G1cos(ωt+θ))相乘，经低通滤波，得到V1＝-BG1sin(α)J1(z)，通过反正弦计算求出待测镜和参考镜的相位差α，通过改变驱动器的直流偏置来相移，即改变待测镜和参考镜的相位差α，来实现步进相移。
2.一种基于交流小相位调制的相移量的检测与控制装置，其特征是，结构为：激光器驱动器驱动激光器产生激光依次经聚焦透镜、半透半反镜、扩束准直透镜、小半透半反镜、参考镜到达测量镜，小半透半反镜反射信号送入光电探测器PD，半透半反镜反射信号进入摄像机后最终送计算机处理；
光电探测器PD输出到步进相移量测量电路，步进相移量测量电路包括依次相连的中心频率为ω的带通滤波器、乘法器、低通滤波器；步进相移量稳定控制电路用于根据步进相移量测量电路的结果对激光器驱动器进行正弦调制；
通过正弦调制后光电探测器PD接收信号为：
Figure FDA00001611517100014
Figure FDA00001611517100015
其中
Figure FDA00001611517100016
w调制角频率，CCD相机采集信号和调制信号相位延迟为θ，A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，z为相位调制度系数，J0，J1J2......为贝塞尔展开系数项，只采用基频信号求取相位；PD接收信号通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G1的信号G1cos(ωt+θ))相乘，经低通滤波器，得到V1＝-BG1sin(α)J1(z)，通过反正弦计算求出待测镜和参考镜的相位差α，通过改变激光器驱动器的直流偏置来相移，即改变待测镜和参考镜的相位差α，来实现步进相移。
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