CN103091681A - 基于重反射技术的调频连续波干涉仪 - Google Patents

Abstract

基于重反射技术的调频连续波干涉仪，属于光学领域。本发明为解决现有采用线性调频激光干涉技术的干涉仪不能达到很高的精度问题。它的调频激光器输出的激光束经准直透镜准直后输出准直平行光束，并入射至分光棱镜，经分光棱镜反射的光束入射至第一角锥棱镜，再返回入射至分光棱镜，再透射出去形成参考光束，该参考光束经聚焦透镜汇聚在点探测器的光敏面上；经分光棱镜透射的光束入射至第二角锥棱镜；第二角锥棱镜反射后形成的向上偏移光束入射至第三角锥棱镜，经第三角锥棱镜、第二角锥棱镜和分光棱镜依次反射后形成测量光束，该测量光束经聚焦透镜汇聚在点探测器的光敏面上。本发明作为一种干涉仪。

Description

基于重反射技术的调频连续波干涉仪

技术领域

本发明涉及基于重反射技术的调频连续波干涉仪，属于光学领域。

背景技术

基于调频连续波(FMCW)干涉测量技术的光路如图1，激光由可调谐激光器发出，经PBS(偏振分束器)准直后被分为两路：一路为参考光经反射进入探测器PD，令一路为测量光，经孔径后照射到目标的角锥棱镜出，经反射进入探测器PD。测量光与参考光在探测器PD上干涉，形成拍频信号，拍频信号为电信号。测量时，对输出激光频率进行线性啁啾调制，调制曲线如图2所示。由于测量光相对于参考光有时间延迟，则它们干涉形成的拍频信号中值频率如图3所示。探测器PD获得的电信号i(t)可以表示为：

其中，P_T与P_R为测量光路与参考光路的光强，η_H为外差效率，ω_IF为差频。测量距离R_ADI可由中值频率ω_IF得出：

$R_{\mathrm{ADI}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}\frac{T_{m}c}{2\mathrm{\Ω}}---\left(2\right)$

其中，T_m是频率调制周期，c是光速，Ω是调频范围。

由于频率从上升到下降变化时，拍频信号的频率会发生变化，因此信号最长取T_m，则频率分辨率最高为1/T_m。由此可得系统的固有精度为：

$\mathrm{\ΔR}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}\frac{T_{m}c}{2\mathrm{\Ω}}=\frac{1}{T_m}\frac{T_{m}c}{2\mathrm{\Ω}}=\frac{c}{2\mathrm{\Ω}}---\left(3\right)$

因此系统的固有精度只与频率的调制深度有关。而调制深度的增加会影响调制的线性度，因此线性调频激光干涉技术不能达到很高的精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用线性调频激光干涉技术的干涉仪不能达到很高的精度问题，提供了一种基于重反射技术的调频连续波干涉仪。

本发明所述基于重反射技术的调频连续波干涉仪，它包括调频激光器、准直透镜、分光棱镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、聚焦透镜和点探测器，

第二角锥棱镜设置在待测量目标处；

调频激光器输出啁啾调制的激光束，该激光束经准直透镜准直后输出准直平行光束，所述准直平行光束入射至分光棱镜，经分光棱镜反射的光束入射至第一角锥棱镜，经第一角锥棱镜反射的光束返回入射至分光棱镜，并从分光棱镜透射出去形成参考光束，该参考光束经聚焦透镜汇聚在点探测器的光敏面上；

经分光棱镜透射的光束入射至第二角锥棱镜；第二角锥棱镜反射后形成的向上偏移光束入射至第三角锥棱镜，经第三角锥棱镜、第二角锥棱镜和分光棱镜依次反射后形成测量光束，该测量光束经聚焦透镜汇聚在点探测器的光敏面上；

所述参考光束和测量光束在点探测器上进行干涉形成拍频信号，进而获得待测量目标的距离。

本发明的优点：本发明所述基于重反射技术的调频连续波干涉仪结构简单，采用本发明干涉仪的测量精度提高了一倍。

附图说明

图1是背景技术中涉及的FMCW干涉仪的结构示意图；

图2是测量光与参考光的波形示意图，图中的虚线为参考光，实线为测量光；

图3是形成的拍频信号中值频率图；

图4是本发明所述基于重反射技术的调频连续波干涉仪的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式所述基于重反射技术的调频连续波干涉仪，它包括调频激光器1、准直透镜2、分光棱镜3、第一角锥棱镜4、第二角锥棱镜5、第三角锥棱镜6、聚焦透镜7和点探测器8，

第二角锥棱镜5设置在待测量目标处；

调频激光器1输出啁啾调制的激光束，该激光束经准直透镜2准直后输出准直平行光束，所述准直平行光束入射至分光棱镜3，经分光棱镜3反射的光束入射至第一角锥棱镜4，经第一角锥棱镜4反射的光束返回入射至分光棱镜3，并从分光棱镜3透射出去形成参考光束，该参考光束经聚焦透镜7汇聚在点探测器8的光敏面上；

经分光棱镜3透射的光束入射至第二角锥棱镜5；第二角锥棱镜5反射后形成的向上偏移光束入射至第三角锥棱镜6，经第三角锥棱镜6、第二角锥棱镜5和分光棱镜3依次反射后形成测量光束，该测量光束经聚焦透镜7汇聚在点探测器8的光敏面上；

所述参考光束和测量光束在点探测器8上进行干涉形成拍频信号，进而获得待测量目标的距离。

调频激光器1、准直透镜2依次排列在分光棱镜3的左侧光轴轴线上，准直透镜2的光轴轴线与分光棱镜3的光轴轴线重合。

第一角锥棱镜4和聚焦透镜7的光轴轴线与分光棱镜3的反射光光轴轴线重合。

第三角锥棱镜6与分光棱镜3的距离和第一角锥棱镜4与分光棱镜3的距离相等，第三角锥棱镜6的反射面朝向目标；第二角锥棱镜5的下边缘近似在分光棱镜3下边沿的延长线上，反射面朝向分光棱镜3。第三角锥棱镜6的下边缘略低于分光棱镜3的上边缘。

聚焦透镜7的轴线、点探测器8的中心与分光棱镜3的反射光光轴轴线重合。点探测器8位于聚焦透镜7的焦点处。

工作原理：

调频激光器1输出啁啾调制的激光。激光经准直透镜2准直后被分光棱镜3分为两束：一束为参考光束，经第一角锥棱镜4反射，透过分光棱镜3，经聚焦透镜7汇聚，照射在点探测器8上；另一束为测量光束，经第二角锥棱镜5反射，并有个向上的偏移量，照射在第三角锥棱镜6上，经第三角锥棱镜6反射后又经过第二角锥棱镜5反射，回到分光棱镜3处，经分光棱镜3反射，聚焦透镜7汇聚，照射在点探测器8上。由于两束光有固定的光程差，测量光束和参考光束的光程差为4倍的测量距离。参考光与测量光在点探测器8上进行干涉，形成拍频信号。设拍频信号的频率为ω_2IF，此时测量距离R_ADI为：

$R_{\mathrm{ADI}}={\mathrm{\ω}}_{2\mathrm{IF}}\frac{T_{m}c}{4\mathrm{\Ω}},$

式中：T_m是频率调制周期，c是光速，Ω是调频范围。

若频率提取精度不变，则系统的固有精度ΔR′为：

${\mathrm{\ΔR}}^{\′}={\mathrm{\Δ\ω}}_{2\mathrm{IF}}\frac{T_{m}c}{4\mathrm{\Ω}}=\frac{1}{T_m}\frac{T_{m}c}{4\mathrm{\Ω}}=\frac{c}{4\mathrm{\Ω}}$

相比于传统的采用线性调频激光干涉技术的方式，固有精度提高了一倍。

Claims (4)

1.基于重反射技术的调频连续波干涉仪，其特征在于，它包括调频激光器(1)、准直透镜(2)、分光棱镜(3)、第一角锥棱镜(4)、第二角锥棱镜(5)、第三角锥棱镜(6)、聚焦透镜(7)和点探测器(8)，

第二角锥棱镜(5)设置在待测量目标处；

调频激光器(1)输出啁啾调制的激光束，该激光束经准直透镜(2)准直后输出准直平行光束，所述准直平行光束入射至分光棱镜(3)，经分光棱镜(3)反射的光束入射至第一角锥棱镜(4)，经第一角锥棱镜(4)反射的光束返回入射至分光棱镜(3)，并从分光棱镜(3)透射出去形成参考光束，该参考光束经聚焦透镜(7)汇聚在点探测器(8)的光敏面上；

经分光棱镜(3)透射的光束入射至第二角锥棱镜(5)；第二角锥棱镜(5)反射后形成的向上偏移光束入射至第三角锥棱镜(6)，经第三角锥棱镜(6)、第二角锥棱镜(5)和分光棱镜(3)依次反射后形成测量光束，该测量光束经聚焦透镜(7)汇聚在点探测器(8)的光敏面上；

所述参考光束和测量光束在点探测器(8)上进行干涉形成拍频信号，进而获得待测量目标的距离。

2.根据权利要求1所述的基于重反射技术的调频连续波干涉仪，其特征在于，准直透镜(2)的光轴轴线与分光棱镜(3)的光轴轴线重合。

3.根据权利要求1所述的基于重反射技术的调频连续波干涉仪，其特征在于，第一角锥棱镜(4)和聚焦透镜(7)的光轴轴线与分光棱镜(3)的反射光光轴轴线重合。

4.根据权利要求1所述的基于重反射技术的调频连续波干涉仪，其特征在于，第三角锥棱镜(6)与分光棱镜(3)的距离和第一角锥棱镜(4)与分光棱镜(3)的距离相等。

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