CN105300290A - 一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、光纤隔离器、3dB-耦合器、自准直镜、光纤光栅、测量镜、参考镜、探测器、环行器、光栅、透镜、线阵探测器、压电陶瓷、反馈控制、A/D转换卡、计算机和结果输出组成。宽带光源发出的光经过干涉仪获取被测量信息，光栅将干涉仪输出的宽谱干涉信号色散成波长在空间连续分布的光片，由线阵探测器探测。将线阵探测器的各像元探测到干涉信号转换成对应的波数干涉信号，两相邻峰值之间的波数变化量与干涉仪光程差的绝对值成正比，测出两相邻峰值之间的波数变化量，即测出被测量的绝对值。反馈控制补偿环境的干扰使测量系统适合在线测量。

Description

一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个：

[1]D.P.Hand,T.A.Carolan,J.S.BartonandJ.D.C.Jones.“Profilemeasurementofopticallyroughsurfacesbyfiber-opticinterferometry”,Opt.Lett.,Vol.18,No.16,1993,P.1361-1363.(OpticsLetters(光学快报),第18卷,第16期,P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB-耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\π}\mathrm{\ν}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1,2,3,4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，ν是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]DejiaoLin,XiangqianJiang,FangXie,WeiZhang,LinZhangandIanBennion.“Highstabilitymultiplexedfibreinterferometeranditsapplicationonabsolutedisplacementmeasurementandon-linesurfacemetrology”,OpticsExpress,Vol.12,Issue23,2004,P.5729-5734.(OpticsExpress(光学特快),2004年,第12卷,第23期,P.5729-573)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1.测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，仅为λ/2，不能对跨距大于λ/2的位移进行测量。

2.不能进行绝对距离测量。

3.光源的光谱漂移将影响测量结果的精度。

发明内容

本发明一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统。利用低相干干涉信号对被测量进行测量，衍射光栅将低相干干涉信号色散成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的光片，线阵探测器同时探测各个波长的干涉信号，并将各个波长的干涉信号转换成波数干涉信号，解调出被测量值。测量量程不受光波波长限制，并能够绝对测量；利用反馈控制系统使干涉仪保持在正交状态，从而提高干涉仪的抗干扰能力，使测量系统适合在线测量。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，由宽带光源S1、光纤隔离器GL、3dB-耦合器N、自准直镜G3、自准直镜G4、自准直镜G5、光纤光栅FBG、测量镜G1、参考镜G2、探测器PD、环行器H、衍射光栅DG、透镜L、线阵探测器CCD、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出B4组成。宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器GL、3dB-耦合器N后被分成两路，这两路光分别被自准直镜G3和自准直镜G4准直后，分别垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上，并分别由测量镜G1和参考镜G2反射再次返回系统，两束反射光在3dB-耦合器N再次相遇，其中一路合光到达光纤隔离器GL，由于光纤隔离器GL的作用，此光不会到达宽带光源S1，因此不会对宽带光源S1产生影响。另一路合光经过环形器H后到达光纤光栅FBG，合光中满足此光纤光栅FBG布拉格条件的波长的光被光纤光栅FBG反射，反射光再次经过环形器H，由探测器PD探测，探测器PD探测到的信号输入反馈控制电路B1，经过反馈控制电路B1处理后，其输出信号加在位于光纤干涉仪参考臂的压电陶瓷PZT上，光纤干涉仪参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷PZT上，反馈控制电路B1输出信号驱动压电陶瓷PZT调节干涉仪的光程差，使光纤干涉仪保持在正交状态(两个干涉臂的相位差为π/2)；透过光纤光栅FBG的光被自准直镜G5准直后，被衍射光栅DG色散成波长在横向(垂直于光波的传播方向)连续分布的扇形光片，再经过透镜L准直成波长在横向连续分布的平行光片，由线阵探测器CCD探测，得到的信号经过A/D转换卡B2后输入计算机B3，由计算机B3中的程序作数据处理后，得到绝对距离测量结果，由结果输出B4输出。

进一步，作为一种优先方案，本测量系统利用宽带光源作为光源，将干涉仪产生的低相干干涉信号色散成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的光片，由线阵探测器CCD探测，线阵探测器CCD的各个像元分别探测到不同波长的干涉信号，将不同波长的干涉信号转换成波数干涉信号，解调出绝对距离。

进一步，作为一种优先方案，利用探测器PD探测到的光纤光栅FBG反射满足布拉格条件的波长的光经过反馈控制电路B1处理后驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程差，使光纤干涉仪保持在正交状态，从而提高测量系统的抗干扰能力，使测量系统适合在线测量。

本发明的有益效果主要有三个：

1.本发明将波长干涉信号变换成波数干涉信号，实现绝对距离测量，无需对干涉仪的光程进行扫描。

2.本发明利用低相干干涉信号对被测量进行测量，使测量量程不受光波波长λ的限制，能对跨距大于λ/2的位移进行测量。

3.本发明利用反馈控制系统将干涉仪稳定在正交状态，从而提高干涉仪的抗干扰能力，使测量系统适合在线测量。

4.本发明中的光源光谱漂移不影响测量结果的精度。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的原理图；

图2是现有技术文献[2]的原理图；

图3是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，由宽带光源S1、光纤隔离器GL、3dB-耦合器N、自准直镜G3、自准直镜G4、自准直镜G5、光纤光栅FBG、测量镜G1、参考镜G2、探测器PD、环行器H、衍射光栅DG、透镜L、线阵探测器CCD、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出模块B4组成。

宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器GL、3dB-耦合器N后被分成两路，这两路光分别被自准直镜G3和自准直镜G4准直后，分别垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上，并分别由测量镜G1和参考镜G2反射再次返回系统，两束反射光在3dB-耦合器N再次相遇，其中一路合光到达光纤隔离器GL，由于光纤隔离器GL的作用，此光不会到达宽带光源S1，因此不会对宽带光源S1产生影响；另一路合光经过环形器H后到达光纤光栅FBG，合光中满足此光纤光栅FBG布拉格条件的波长的光被光纤光栅FBG反射，反射光再次经过环形器H，由探测器PD探测，探测器PD探测到的信号输入反馈控制电路B1，经过反馈控制电路B1处理后，其输出信号加在位于干涉仪参考臂的压电陶瓷PZT上，光纤干涉仪参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷PZT上，反馈控制电路B1输出信号驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程差，使光纤干涉仪始终处于正交状态(两干涉臂的相位差为π/2)，从而抑制环境干扰对干涉仪的影响，使测量系统适合在线测量。

透过光纤光栅FBG的光被自准直镜G5准直后，被衍射光栅DG色散成波长在横向(垂直于光波的传播方向)连续分布的扇形光片，再经过透镜L准直成波长在横向连续分布的平行光片，由线阵探测器CCD探测，线阵探测器CCD的第i个像元探测到的波长为λ_i的干涉信号如式(1)所示：

$I_i=A_{i0}+A_{i}cos(\frac{\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\λ}}_i}\×2\mathrm{\π})---\left(1\right)$

式中，A_i0是干涉信号的直流分量，A_i是干涉信号的可见度，Δ为干涉仪的光程差，λ_i为波长。

该信号经过A/D转换卡B2以及计算机B3中的程序作数据处理后，得到绝对距离测量结果，由结果输出模块B4输出。具体实现说明如下。

将式(1)改写为式(2)：

I_i＝A_i0+A_icos(k_iΔ)(2)

式中，为波长λ_i对应的波数。

由式(2)可知，当k_iΔ＝2nπ(n为整数)时，干涉信号I_i取得最大值：

I_i＝I_max＝A_i0+A_i(3)

对于k_iΔ＝2nπ式两边求微分，有：

Δk_i×Δ＝2π×Δn(4)

取Δn＝1，Δk_i即为干涉信号曲线相邻两个峰值之间的波数。则干涉仪的光程差Δ可由式(5)求出。

$\mathrm{\Δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Δk}}_i}---\left(5\right)$

根据式(5)，本测量系统即可对干涉仪的光程差进行绝对测量，从而可以利用此测量系统进行对绝对距离的测量。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，其特征在于：它是由宽带光源(S1)、光纤隔离器(GL)、3dB-耦合器(N)、自准直镜(G3，G4，G5)、光纤光栅(FBG)、测量镜(G1)、参考镜(G2)、探测器(PD)、环行器(H)、衍射光栅(DG)、透镜(L)、线阵探测器(CCD)、压电陶瓷(PZT)、反馈控制电路(B1)、A/D转换卡(B2)、计算机(B3)和结果输出模块(B4)组成；宽带光源(S1)发出的光经过光纤隔离器(GL)、3dB-耦合器(N)后被分成两路，这两路光分别被自准直镜(G3)和自准直镜(G4)准直后，分别垂直入射到测量镜(G1)和参考镜(G2)上，并分别由测量镜(G1)和参考镜(G2)反射再次返回系统，两束反射光在3dB-耦合器(N)再次相遇，其中一路合光到达光纤隔离器(GL)，由于光纤隔离器(GL)的作用，此光不会到达宽带光源(S1)，因此不会对宽带光源(S1)产生影响；另一路合光经过环形器(H)后到达光纤光栅(FBG)，合光中满足此光纤光栅(FBG)布拉格条件的波长的光被光纤光栅(FBG)反射，反射光再次经过环形器(H)，由探测器(PD)探测，探测器(PD)探测到的信号输入反馈控制电路(B1)，经过反馈控制电路(B1)处理后，其输出信号加在位于光纤干涉仪参考臂的压电陶瓷(PZT)上，因光纤干涉仪参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷(PZT)上，反馈控制电路(B1)的输出信号驱动压电陶瓷(PZT)调节光纤干涉仪的光程差，使光纤干涉仪保持在正交状态(两个干涉臂的相位差为π/2)；透过光纤光栅(FBG)的光被自准直镜(G5)准直后，被衍射光栅(DG)色散成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的扇形光片，再经过透镜(L)准直成波长在横向连续分布的平行光片，由线阵探测器(CCD)探测，得到的信号经过A/D转换卡(B2)以及计算机(B3)中的程序作数据处理后，得到绝对距离测量结果，由结果输出模块(B4)输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，其特征在于：利用宽带光源(S1)作为光源，将干涉仪产生的低相干干涉信号色散成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的光片，由线阵探测器(CCD)探测，线阵探测器(CCD)的各个像元分别探测到不同波长的干涉信号，将不同波长的干涉信号转换成波数干涉信号，从而解调出干涉仪的光程差，实现绝对距离测量。

3.根据权利要求1所述的一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，其特征在于：测量量程不受光波波长λ的限制，能对跨距大于λ/2的位移进行测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，其特征在于：利用探测器(PD)探测到的光纤光栅(FBG)反射满足布拉格条件的波长的光经过反馈控制电路(B1)处理后驱动位于光纤干涉仪参考臂的压电陶瓷(PZT)，光纤干涉仪的参考臂缠绕在压电陶瓷(PZT)上，反馈控制电路(B1)输出信号驱动压电陶瓷(PZT)调节光纤干涉仪的光程差，使光纤干涉仪保持在正交状态(两个干涉臂的相位差为π/2)，从而提高测量系统的抗干扰能力，使测量系统适合在线测量。

5.根据权利要求1所述的一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，其特征在于：光源光谱漂移不影响测量结果的精度。