CN103292689A - 基于triz的光学干涉测量装置设计及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种精密光学干涉测量装置及其技术进化路线，其装置的设计利用了TRIZ和光学干涉原理。由装置的激光器产生相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃分成两个相干光束，其中一个相干光束经过四个反射镜起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两个相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃输出两个干涉光束，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及利用TRIZ和光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种光学干涉测量装置及其方法。
背景技术
目前，光学干涉仪是许多大型探测仪器与产业发展的核心技术，其发展水平决定着探测仪器和产业竞争力，我国探测仪器设备产业缺乏核心技术，其发展面临内忧外困的局面，产业发展的落后已严重制约我国自主创新能力的进一步提升。“自主创新，方法先行”是提高我国自主创新能力的技术路线。国家发改委、科技部、教育部和中国科协印发了《关于加强创新方法工作的若干意见》，被欧美西方发达国家誉为“神奇点金术”的TRIZ作为重点推广的创新方法。
TRIZ是“发明问题解决理论”的俄语缩写，是由前苏联发明家阿奇舒勒创立的。他和他的同事分析了全世界250万个高水平的发明专利后，惊奇的发现这些专利在重复着40种工作，经过研究和总结，找出了这些专利背后所隐藏的40个发明原理，然后综合多学科领域的原理和法则，建立起了TRIZ体系。经过60多年的不断发展，TRIZ已经成为当今创新问题或解决技术问题的最先进创新方法。
光学干涉原理是利用分束器将一束相干光分为两束，其中一束作为参考光，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两束光重新汇聚，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此这样测得的物理量可以实现非常高的精度。因此，目前许多的精密测量是利用光学干涉方法来实现的，例如引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等。虽然不同的测量系统采用不同的干涉仪，如马赫—增德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、Sagnac干涉仪等，但这些干涉仪的基本原理都是基本相同的。
光学干涉仪是许多大型探测仪器的重要组成部分和关键核心技术，本发明运用TRIZ和光学干涉原理研究干涉仪的技术进化路线，设计一种精密光学干涉测量装置，可以提高该仪器的测量精度，对许多大型探测仪器的改造升级具有重要的指导意义。
发明内容
本发明提出运用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线。从源头对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，发现该仪器系统的适应性较差，限制了一些实验，根据2008TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用其中七个发明原理将贾民(Jiman)干涉仪进化精密光学干涉测量装置。如图2所示，该仪器包括：1.激光器；2.半透半反射玻璃；3. 第一反射镜；4. 第二反射镜；5. 第三反射镜；6.第四反射镜；7.第五反射镜；8.相位调节器；9.光电二极管；10.差分器；11.相关器。本发明在结构上与一般的Michelson干涉仪不同是在光学干涉测量装置设置了楔形体半透明半反射玻璃，使3、4 、5和6四个反射镜的起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度。该仪器的激光器产生相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃分成两个相干光束，其中一个相干光束经过四个反射镜起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两个相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃输出两个干涉光束，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。它可以用于引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等等。
本发明的有益效果是，对大型探测仪器的改造升级具有：简单实用，操作方便，便于生产等应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是贾民(Jiman)干涉仪光路图。
图2是精密光学干涉测量装置光路图。
图1中S为激光器，以及两块等厚度的玻璃块。
图2中1.激光器；2.楔形体半透明半反射玻璃；3. 第一反射镜；4. 第二反射镜；5. 第三反射镜；6.第四反射镜；7.第五反射镜；8.相位调节器；9.光电二极管；10.差分器；11.相关器。
具体实施方式
在图1中，通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差。根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”。“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1，32，35，24，17，28，26，19。根据TRIZ推荐的八个发明原理为线索，使用其中七个发明原理将贾民干涉仪进化成精密光学干涉测量装置。
表1 2008TRIZ矛盾矩阵表。
根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分。将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7。
发明原理32改变颜色：改变一个物体的透明度。将图2中2玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃。
发明原理35改变特性：改变浓度或密度。在图2中，改变2半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃3、4、5、6和7部分成分浓度，将其改变成反射镜。
发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。物体或物质波作为中间物体可以执行一个动作，使干涉条纹发生移动，进而获得待测物理量的值。
发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域。只有增加光程，把光线投射到邻近的区域，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度。在图2中，2、3、4和5四个反射镜的作用就是起到增加干涉臂的有效长度。
发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。当测物理量时，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，进而获得待测物理量的值。
发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它。通过9光电二极管的光强变化，利用10差分器和11相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测物理量的值。
以上对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，根据2008TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用其中七个发明原理将贾民(Jiman)干涉仪进化成精密光学干涉测量装置，其工作原理如下：激光器产生的相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃分成两个相干光束，其中一个相干光束经过四个反射镜起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两个相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃输出两个干涉光束，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。如图2所示，1.激光器；2.半透半反射玻璃；3. 第一反射镜；4. 第二反射镜；5. 第三反射镜；6.第四反射镜；7.第五反射镜；8.相位调节器；9.光电二极管；10.差分器；11.相关器。本发明在结构上与一般的Michelson干涉仪不同是在干涉仪设置了楔形体半透明半反射玻璃，使3、4 、5和6四个反射镜的起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度。
Claims (3)
1.一种基于TRIZ的精密光学干涉测量装置设计，其特征在于它包括:(1)激光器；（2）楔形体半透明半反射玻璃；（3）第一反射镜；（4）第二反射镜；（5）第三反射镜；（6）第四反射镜；（7）第五反射镜；（8）相位调节器；（9）光电二极管；（10）差分器；（11）相关器。
2.如权利要求1所述的一种光学干涉测量装置设计，其特征在于所述的激光器产生的相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃分成两个相干光束，其中一个相干光束经过四个反射镜起到增加干涉臂的有效长度，提高了测量精度，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两个相干光束经过楔形体半透明半反射玻璃输出两个干涉光束，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。
3. 一种使用如权利要求1所述装置设计涉及TRIZ和光学干涉原理的设计方法，其特征在于包括如下步骤：通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差；根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”；“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1，32，35，24，17， 28，19，26；根据TRIZ推荐的八个发明原理为线索，使用其中七个发明原理将贾民干涉仪进化成精密光学干涉测量装置；表1 2008TRIZ矛盾矩阵表，
根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分；将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7；发明原理32改变颜色：改变一个物体的透明度；将图2中2玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃；发明原理35改变特性：改变浓度或密度；在图2中，改变2半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃3、4、5、6和玻璃7部分成分浓度，将其改变成反射镜；发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作；物体或物质波作为中间物体可以执行一个动作，使干涉条纹发生移动，进而获得待测物理量的值；发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域；只有增加光程，把光线投射到邻近的区域，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度；在图2中，2、3、4和5四个反射镜的作用就是起到增加干涉臂的有效长度；发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统；当测物理量时，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，进而获得待测物理量的值；发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它；通过8光电二极管的光强变化，利用9差分器和10相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测物理量的值；以上对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，根据2008TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用其中七个发明原理将贾民(Jiman)干涉仪进化成精密光学干涉测量装置。
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