CN107192336A - 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法 - Google Patents

双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107192336A
CN107192336A CN201710387002.4A CN201710387002A CN107192336A CN 107192336 A CN107192336 A CN 107192336A CN 201710387002 A CN201710387002 A CN 201710387002A CN 107192336 A CN107192336 A CN 107192336A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization
light
photodetector
wavelength
way
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710387002.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107192336B (zh
Inventor
卢乾波
白剑
汪凯巍
潘德馨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201710387002.4A priority Critical patent/CN107192336B/zh
Publication of CN107192336A publication Critical patent/CN107192336A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107192336B publication Critical patent/CN107192336B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法。系统由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜、信号处理电路及上位机组成；本发明利用双波长产生的合成波长干涉信号提升系统的测量量程，使得系统的测量量程远大于单波长干涉的量程，并采用超外差干涉法对输出信号进行解调滤波，可以直接测量合成波长的相位，实现实时测量，同时利用超窄带滤波片采得单波长干涉信号，在扩大测量量程的同时保证单波长干涉测量的精度。

Description

双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法
技术领域
本发明涉及一种位移测量系统，特别涉及了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法。
背景技术
常见的单波长激光干涉位移测量系统拥有纳米级的位移测量精度，但是由于激光单波长通常为1μm左右，因此其干涉信号的周期只有数百纳米，限制了其测量量程。位移测量系统需要增加周期计数才可以准确记录相位变化，一旦位移变化较为迅速或者遇到台阶等较大的绝对位移变化，就会出现相位模糊。
为了解决单波长激光干涉的量程问题，Tilford等人最早提出了采用双波长构造一种合成波长来扩大测量系统量程的方法(C.R.Tilford,Appl.Opt.16,1857(1977).)。两束波长分别为λ1和λ2的激光可以合成波长为λ1λ2/(λ1-λ2)的干涉信号，当λ1和λ2比较接近时，合成波长远大于单波长，这样就可以大大扩展干涉位移测量系统的量程。但是随着测量量程的扩大，双波长干涉测量同样面临了两个新的问题：1.基于合成波长的干涉测量精度会下降，2.求合成波长相位时往往需要对单波长依次测量再求解，难以实现实时快速的测量。之后几十年双波长干涉位移测量取得了很大的发展，如专利号为02112079.X的专利“双波长纳米精度实时干涉测量仪”加入了双路正弦调制和信号处理器，保证了较高的测量精度，但是其通过温度调制激光波长等调制手段稳定性较差，很难达到理论精度；Dandliker等人提出的超外差干涉法通过(R.Dandliker,R.Thalmann,and D.Prongue,Opt.Lett.13,339(1988))对不同波长的两束激光加入不同的频移可以实现合成波长的实时测量，但是仍然没有解决合成波长测量精度下降的问题。
现有技术无法很好地同时解决双波长干涉带来的两个问题，满足大量程高精度的实时干涉测量需求。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法，融合了合成波长干涉、单波长干涉、超外差干涉的优点，实现了大量程高精度的实时位移测量。
本发明通过以下技术方案实现。
一、一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统：
主要由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜、信号处理电路和上位机组成；
两个激光器发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；
两路输出光入射到第三分光棱镜合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片到达第一光电探测器，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；
经第三偏振分光棱镜反射出的一路垂直偏振的光经过第四四分之一波片被参考反射镜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜；经第三偏振分光棱镜透射出的一路水平偏振的光经过第三四分之一波片被被测反射镜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜，被测反射镜固定在被测物表面；
回到第三偏振分光棱镜的两路激光在第三偏振分光棱镜合束后入射到第四分光棱镜，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片被第二光电探测器接收作为双波长超外差干涉的测量信号；反射的一部分经过超窄带滤波片后再经第三偏振片被第三光电探测器接收，第四光电探测器置于第三光电探测器旁；第一、第二光电探测器和第三、第四光电探测器均经信号处理电路连接到上位机。
本发明的第一光电探测器、第二光电探测器为两个大带宽的跨阻抗光电探测器，第三光电探测器、第四光电探测器为两个低带宽的高灵敏度光电探测器，灵敏度大于0.1V/nW。
信号处理电路包括有自混频器、带通滤波器、相关测相器、跟随器和差分放大电路。所述的信号处理电路具体包括第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一自混频器、第二自混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相关测相器、模数转换模块、差分放大器和第二相关测相器；第一光电探测器依次经第一低噪声放大器、第一自混频器和第一带通滤波器连接到第一相关测相器，第二光电探测器依次经第二低噪声放大器、第二自混频器、第二带通滤波器连接到第一相关测相器，第三光电探测器和第四光电探测器均依次经差分放大器连接到第二相关测相器，第一相关测相器和第二相关测相器均经模数转换模块连接到上位机。
所述的两个激光器发出不同波长的激光，两束激光的波长差为Δλ。波长差为Δλ小于5nm，大于2nm。
所述的两个激光器发出的光为不同波长的线偏振光，经过四分之一波片后变为两束圆偏振光，每束圆偏振光经过偏振分光棱镜后分别分束为两束偏振方向互相垂直的线偏振光。
所述的两个声光调制器的调制频率不同。
具体实施中，两个声光调制器调制频率f1和f2分别为100MHz和100.01MHz，两者差频为10kHz。
所述的第一、第二光电探测器的带宽大于声光调制器的调制频率。
所述的超窄带滤波片的中心波长与两个激光器发出的两束光中较小的波长相同。
具体实施中，两个激光器发出的光为波长为632.8nm和635nm的线偏振光。超窄带滤波片的中心波长为632.8nm，半高全宽为1nm。
所述的第三、第四光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以实现与环境光的差分。
二、一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量方法：
1)采用上述测量系统进行工作采集到各个光电探测器的接收信号；
2)第一、第二光电探测器和第三、第四光电探测器的接收信号发送到信号处理电路，发送到上位机进行数据处理得到结果输出。
第一光电探测器和第二光电探测器的接收信号分别经过自混频、带通滤波和相关测相后获得双波长超外差干涉的相位变化信息，根据双波长超外差干涉的相位变化信息获得大量程的位移探测值；
第三光电探测器和第四光电探测器接收到的信号经过差分运算和相关测相后获得单波长干涉信号的相位变化信息，根据单波长干涉信号的相位变化信息获得高精度的位移探测值；
4)将得到的大量程的位移探测值和高精度的位移探测值采用以下公式进行计算获得最终位移测量值：
其中d1为通过合成波长干涉信号获得的大量程位移值，d2为通过单波长干涉信号获得的高精度位移值，为取以μm为单位的位移值的整数部分，为取以nm为单位的位移值的小数部分。
本发明位移探测值的高精度能达到亚纳米量级。
所述步骤1)具体为：
1.1)两个激光器发出两束波长分别为λ1和λ2的激光，波长为λ1和λ2的波长差为Δλ，λ2-λ1＝Δλ，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一、第二偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：
对于波长为λ1的两路光，水平偏振的一路依次经过第一声光调制器发生移频和第一反射镜反射，垂直偏振的一路经过第三反射镜后反射，第一反射镜和第三反射镜各自的反射光入射到第一分光棱镜合束输出，频率分别为v1和v1+f1，偏振态分别为垂直偏振和水平偏振，合束光含有频率为v1且垂直偏振的一路光和频率为v1+f1且水平偏振的一路光；
对于波长为λ2的两路光，水平偏振的一路依次经过第二声光调制器发生移频和第二反射镜后反射，垂直偏振的一路经过第四反射镜后反射，第二反射镜和第四反射镜各自的反射光入射到第二分光棱镜合束输出，频率分别为v2和v2+f2，偏振态分别为垂直偏振和水平偏振，合束光含有频率为v2且垂直偏振的一路光和频率为v2+f2且水平偏振的一路光；
1.2)第一分光棱镜和第二分光棱镜各自的输出光入射到第三分光棱镜合束，合束光包含有四个频率的激光束，并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片到达第一光电探测器，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分的四束激光入射到第三偏振分光棱镜发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；
1.3)经第三偏振分光棱镜反射出的一路垂直偏振的频率为v1和v2的激光经过第四四分之一波片被参考反射镜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜；经第三偏振分光棱镜透射出的一路水平偏振的频率为v1+f1和v2+f2的激光经过第三四分之一波片被被测反射镜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜，被测反射镜固定在被测物表面；
1.4)回到第三偏振分光棱镜的两路激光在第三偏振分光棱镜合束后入射到第四分光棱镜，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片被第二光电探测器接收作为双波长超外差干涉的测量信号；反射的一部分经过超窄带滤波片滤去频率为v2和v2+f2的两路激光，使得频率为v1和v1+f1的两路激光再经第三偏振片被第三光电探测器接收，第四光电探测器接收第三光电探测器附近的环境光，将第四光电探测器与第三光电探测器的接收信号进行差分后作为单波长干涉的测量信号。
本发明中，第一光电探测器接收到的双波长超外差干涉的参考信号四种频率激光的复振幅表达式为：
A1＝a1exp[j(2πν1t)]
A2＝a2exp[j(2πν2t)]
A3＝a3exp[j(2π(ν1+f1)t)]
A4＝a4exp[j(2π(ν2+f2)t)]
其中，a1、a2、a3、a4分别表示四个信号复振幅的幅值，t表示时间。
假设声光调制器引入的光强衰减可以通过在其他光路中添加衰减片补偿，波长为λ1和λ2的激光器出射光强功率标定至一致，分光棱镜的分光比为1：1，各路中添加衰减片是的第一、二、三、四光电探测器接收到的光强信号振幅相同，则有a1＝a2＝a3＝a4＝a0，双波长超外差干涉的参考信号光强表达式可以简化为：
Ir1＝|A1+A3|2+|A2+A4|2＝4a0 2+2a0 2[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)]
其中，a0表示复振幅的幅值。(添加字母名称解释)
同理，第二光电探测器接收到的双波长超外差干涉的测量信号四种频率激光的复振幅表达式为：
其中，D表示位移量，z表示参考光路的来回距离。
双波长超外差干涉的测量信号光强表达式可以简化为：
第一光电探测器和第二光电探测器接收到的光强信号经过自混频器和带通滤波器后的信号可以表示为：
其中S01为考虑了增益后的双波长超外差干涉的参考信号的输出强度，S02为双波长超外差干涉的被测信号的输出强度，带通滤波器的截止频率设置为f1-f2，为双波长超外差干涉的参考信号初始相位，为双波长超外差干涉的被测信号初始相位，初始相位即为测量臂和参考臂的相位差，DD为位移变化量，λs为合成波长。通过相关解调得到变化的相位值即可测得最终的变化位移值。
双波长超外差干涉的测量是以合成波长λs＝λ1λ2/(λ2-λ1)作为基准的，因此量程扩大为λs/2，假设选取的波长λ1和λ2分别为632.8nm和635nm，则对应的合成波长λs可以扩展为182.649μm，5BF9应的位移测量量程扩展到接近100μm。
另一方面，通过超外差干涉技术可以实时获取干涉信号的相位变化量，实现实时测量。声光调制器进行调制后的第三光电探测器接收到的单波长干涉信号复振幅表达式为：
因为声光调制器引入的调制频率f1相对于光频率v1极小(100MHz：4.74×1014Hz)，因此这两个波长的复振幅能够相干叠加，最终第三光电探测器接收到的干涉信号光强表达式可以近似为：
其中，Ia表示为环境光强。
第四光电探测器接收到的光强信号可以表示为：
Ir4＝Ia
因此在经过差分处理后的单波长干涉信号表达式为：
通过检测干涉信号中的相位差即可测得位移变化量，单波长干涉的测量是以单波长λ1作为基准的，因此具有光学干涉测长的高精度。其中差分运算可以减小环境光对单波长干涉测量的影响，提高信噪比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用合成波长扩大测量系统的量程，使测量系统的量程扩大为合成波长的二分之一，并且通过合理地选取双波长使得测量系统的量程保持在合理范围。
2、本发明利用超外差干涉的手段可以直接获取合成波长的相位变化，避免了分别对单波长相位提取运算过程，提高了测量的实时性。
3、本发明利用单波长干涉信号保证测量系统的测量精度，使得测量系统能够在扩大测量量程的同时保证纳米级的精度。
附图说明
图1是本发明的系统示意图和测量原理示意图；
图2是本发明信号处理过程示意图。
图中：激光器1、激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第一声光调制器7、第二声光调制器8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第一分光棱镜13、第二分光棱镜14、第五反射镜15、第三分光棱镜16、第一偏振片17、第一光电探测器18、第三偏振分光棱镜19、第三四分之一波片20、被测反射镜21、被测物22、第四四分之一波片23、参考反射镜24、第二偏振片25、第四分光棱镜26、第二光电探测器27、超窄带滤波片28、第三偏振片29、第三光电探测器30、第四光电探测器31、第一低噪声放大器32、第二低噪声放大器33、第一自混频器34、第二自混频器35、第一带通滤波器36、第二带通滤波器37、第一相关测相器38、模数转换模块39、差分放大器40、第二相关测相器41、上位机42。
具体实施方式
以下结合具体实施例进行进一步的说明。
本发明为实现大量程高精度的实时位移测量，提供了一种双波长超外差干涉测量系统，该系统包括波长为λ1＝632.8nm的激光器1、波长为λ2＝635nm的激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第一声光调制器7、第二声光调制器8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第一分光棱镜13、第二分光棱镜14、第五反射镜15、第三分光棱镜16、第一偏振片17、第一光电探测器18、第三偏振分光棱镜19、第三四分之一波片20、被测反射镜21、被测物22、第四四分之一波片23、参考反射镜24、第二偏振片25、第四分光棱镜26、第二光电探测器27、超窄带滤波片28、第三偏振片29、第三光电探测器30、第四光电探测器31、上位机42和信号处理电路。
如图2所示，信号处理电路包括第一低噪声放大器32、第二低噪声放大器33、第一自混频器34、第二自混频器35、第一带通滤波器36、第二带通滤波器37、第一相关测相器38、模数转换模块39、差分放大器40和第二相关测相器41。
本发明的具体测量原理描述如下：
如图1所示，激光器1和激光器2分别发出波长为λ1＝632.8nm和λ2＝635nm的线偏振光，其中波长λ1的线偏振光为经过第一四分之一波片3后变成第一圆偏振光，波长为λ2经过第二四分之一波片4后变成第二圆偏振光，第一、第二圆偏振光分别经过第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6分束。
第一圆偏振光分束为第一水平偏振光和第一垂直偏振光，第一水平偏振光通过第一声光调制器7引入f1＝100MHz的频移，后经第一反射镜9与经过第三反射镜11的第一垂直偏振光在第一分光棱镜13处合束，此时第一水平偏振光的频率为v1+f1，第一垂直偏振光的频率为v1，其中v1为λ1对应的光频率。
第二圆偏振光分束为第二水平偏振光和第二垂直偏振光，第二水平偏振光经第二声光调制器8和第二反射镜10后在第二分光棱镜14与经第四反射镜12反射的第二垂直偏振光合束，此时第二水平偏振光的频率为v2+f2，第二垂直偏振光的频率为v2，其中f2＝100.01MHz，v2为λ2对应的光频率。
第一水平偏振光、第一垂直偏振光、第二水平偏振光和第二垂直偏振光四束激光在第三分光棱镜16处合束分束；其中一部分光强经过第一偏振片17，第一偏振片17将四束不同偏振的激光变为偏振态相同的线偏振光，其中频率为v1和v1+f1的两束激光相干叠加，频率为v2和v2+f2的两束激光相干叠加，形成双波长超外差干涉的参考信号被第一光电探测器18接收，该信号的表达式为：
Ir1＝|A1+A3|2+|A2+A4|2＝4a0 2+2a0 2[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)]
分束后的另四束激光经过第三偏振分光棱镜19再次分束，其中透射的第一水平偏振光和第二水平偏振光经过第三四分之一波片20后分别变为第三圆偏振光和第四圆偏振光垂直入射到被测反射镜21上反射，再次经过第三四分之一波片20变为第三垂直偏振光和第四垂直偏振光被第三偏振分光棱镜19反射，其中被测反射镜21固连在被测物22上；反射的第一垂直偏振光和第二垂直偏振光经过第四四分之一波片23后被参考反射镜24反射，再次经过第四四分之一波片23后变为第三水平偏振光和第四水平偏振光透过第三偏振分光棱镜19；其中第三垂直偏振光、第四垂直偏振光、第三水平偏振光和第四水平偏振光的频率分别为v1+f1、v2+f2、v1、v2，这四束激光经过第四分光棱镜26分束为两部分；一部分经过第二偏振片25发生相干叠加，形成双波长超外差干涉的测量信号被第二光电探测器27接收，该信号的表达式为：
另一部分经过超窄带滤波片28只留下频率为v1+f1、v1的第三垂直偏振光和第四水平偏振光，这两束激光的波长都在λ1附近，因此可以通过超窄带滤波片28，超窄带滤波片的中心波长为632.8nm，半高全宽为1nm。经过超窄带滤波片28的第三垂直偏振光和第四水平偏振光再经过第三偏振片29，发生相干叠加，形成单波长干涉信号被第三光电探测器30接收，该信号的表达式为：
第四光电探测器31接收到环境光信号，可以用Ia表示，用来与单波长干涉信号差分消除环境光的影响。
本发明信号处理的流程图如图2所示，双波长超外差干涉的参考信号和被测信号分别经第一低噪声放大器32和第二低噪声放大器33放大后通过第一自混频器34和第二自混频器35，然后经过第一带通滤波器36和第二带通滤波器37，这两个带通滤波器的通带频率均为f2-f1，即10kHz，经过带通滤波器后的两路信号可以表示为：
这两路信号经过第一相关测相器38解算出包含位移信息的相位变化值该测量以合成波长λs为基准，因此具有大量程和相对较低的精度。具体地说，该实施例中的λ1＝632.8nm，λ2＝635nm，λs＝182.649μm，相应的双波长超外差干涉位移量程扩展至近100μm。
单波长干涉信号和环境关信号经过差分放大器40后再经过第二相关测相器41后解算出包含位移信息的相位变化值该测量以单波长λ1为基准，因此具有高精度。经过第一相关测相器38和第二相关测相器41的处理信号都是电压值，经过模数转换模块39后变为模拟量连接上位机42，完成被测位移量的输出。
由此可见，本发明方法利用双波长产生的合成波长干涉信号提升了位移测量的量程，使得系统的测量量程远大于单波长干涉的量程，并采用超外差干涉法对输出信号进行解调滤波，可以直接测量合成波长的相位，实现实时测量，同时利用超窄带滤波片采得单波长干涉信号，在扩大测量量程的同时保证位移测量的高精度。
本发明已通过实施例进行了描述，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：
两个激光器(1、2)发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；
两路输出光入射到第三分光棱镜(16)合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片(17)到达第一光电探测器(18)，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜(19)发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；
经第三偏振分光棱镜(19)反射出的一路垂直偏振的光经过第四四分之一波片(23)被参考反射镜(24)反射后再次经过第四四分之一波片(23)变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)；经第三偏振分光棱镜(19)透射出的一路水平偏振的光经过第三四分之一波片(20)被被测反射镜(21)反射后再次经过第三四分之一波片(20)变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)，被测反射镜(21)固定在被测物(22)表面；
回到第三偏振分光棱镜(19)的两路激光在第三偏振分光棱镜(19)合束后入射到第四分光棱镜(26)，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片(25)被第二光电探测器(27)接收作为双波长超外差干涉的测量信号；反射的一部分经过超窄带滤波片(28)后再经第三偏振片(29)被第三光电探测器(30)接收，第四光电探测器(31)置于第三光电探测器(30)旁；第一、第二光电探测器(18、27)和第三、第四光电探测器(30、31)均经信号处理电路连接到上位机(42)。
2.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的信号处理电路具体包括第一低噪声放大器(32)、第二低噪声放大器(33)、第一自混频器(34)、第二自混频器(35)、第一带通滤波器(36)、第二带通滤波器(37)、第一相关测相器(38)、模数转换模块(39)、差分放大器(40)和第二相关测相器(41)；第一光电探测器(18)依次经第一低噪声放大器(32)、第一自混频器(34)和第一带通滤波器(36)连接到第一相关测相器(38)，第二光电探测器(27)依次经第二低噪声放大器(33)、第二自混频器(35)、第二带通滤波器(37)连接到第一相关测相器(38)，第三光电探测器(30)和第四光电探测器(31)均依次经差分放大器(40)连接到第二相关测相器(41)，第一相关测相器(38)和第二相关测相器(41)均经模数转换模块(39)连接到上位机(42)。
3.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的两个激光器发出不同波长的激光，两束激光的波长差为Δλ。
4.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的两个激光器发出的光为不同波长的线偏振光，经过四分之一波片后变为两束圆偏振光，每束圆偏振光经过偏振分光棱镜后分别分束为两束偏振方向互相垂直的线偏振光。
5.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的两个声光调制器的调制频率不同。
6.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的第一、第二光电探测器的带宽大于声光调制器的调制频率。
7.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的超窄带滤波片的中心波长与两个激光器发出的两束光中较小的波长相同，半高全宽小于Δλ/2。
8.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统，其特征在于：所述的第三、第四光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以实现与环境光的差分。
9.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量方法，其特征在于方法步骤如下：
1)采用权利要求1-6任一所述测量系统进行工作采集到各个光电探测器的接收信号；
2)第一、第二光电探测器(18、27)和第三、第四光电探测器(30、31)的接收信号发送到信号处理电路，发送到上位机进行数据处理得到结果输出。
第一光电探测器(18)和第二光电探测器(27)的接收信号分别经过自混频、带通滤波和相关测相后获得双波长超外差干涉的相位变化信息，根据双波长超外差干涉的相位变化信息获得大量程的位移探测值；
第三光电探测器(30)和第四光电探测器(31)接收到的信号经过差分运算和相关测相后获得单波长干涉信号的相位变化信息，根据单波长干涉信号的相位变化信息获得高精度的位移探测值；
4)将得到的大量程的位移探测值和高精度的位移探测值采用以下公式进行计算获得最终位移测量值：
其中d1为通过合成波长干涉信号获得的大量程位移值，d2为通过单波长干涉信号获得的高精度位移值，表示取以μm为单位的位移值的整数部分，表示取以nm为单位的位移值的小数部分。
10.根据权利要求1所述的一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：
1.1)两个激光器(1、2)发出两束波长分别为λ1和λ2的激光，λ2-λ1＝Δλ，每束激光分别经过各自的四分之一波片(3、4)后入射到第一、第二偏振分光棱镜(5、6)分为水平偏振和垂直偏振的两路：
对于波长为λ1的两路光，水平偏振的一路依次经过第一声光调制器(7)发生移频和第一反射镜(9)反射，垂直偏振的一路经过第三反射镜(11)后反射，第一反射镜(9)和第三反射镜(11)各自的反射光入射到第一分光棱镜(13)合束输出，频率分别为v1和v1+f1，偏振态分别为垂直偏振和水平偏振，合束光含有频率为v1且垂直偏振的一路光和频率为v1+f1且水平偏振的一路光；
对于波长为λ2的两路光，水平偏振的一路依次经过第二声光调制器(8)发生移频和第二反射镜(10)后反射，垂直偏振的一路经过第四反射镜(12)后反射，第二反射镜(10)和第四反射镜(12)各自的反射光入射到第二分光棱镜(14)合束输出，合束光含有频率为v2且垂直偏振的一路光和频率为v2+f2且水平偏振的一路光；
1.2)第一分光棱镜(13)和第二分光棱镜(16)各自的输出光入射到第三分光棱镜(16)合束，并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片(17)到达第一光电探测器(18)，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜(19)发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；
1.3)经第三偏振分光棱镜(19)反射出的一路垂直偏振的频率为v1和v2的激光经过第四四分之一波片(23)被参考反射镜(24)反射后再次经过第四四分之一波片(23)变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)；经第三偏振分光棱镜(19)透射出的一路水平偏振的频率为v1+f1和v2+f2的激光经过第三四分之一波片(20)被被测反射镜(21)反射后再次经过第三四分之一波片(20)变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)，被测反射镜(21)固定在被测物(22)表面；
1.4)回到第三偏振分光棱镜(19)的两路激光在第三偏振分光棱镜(19)合束后入射到第四分光棱镜(26)，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片(25)被第二光电探测器(27)接收作为双波长超外差干涉的测量信号；反射的一部分经过超窄带滤波片(28)滤去频率为v2和v2+f2的两路激光，使得频率为v1和v1+f1的两路激光再经第三偏振片(29)被第三光电探测器(30)接收，第四光电探测器(31)接收第三光电探测器(30)附近的环境光，将第四光电探测器(31)与第三光电探测器的接收信号进行差分后作为单波长干涉的测量信号。
CN201710387002.4A 2017-05-26 2017-05-26 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法 Active CN107192336B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710387002.4A CN107192336B (zh) 2017-05-26 2017-05-26 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710387002.4A CN107192336B (zh) 2017-05-26 2017-05-26 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107192336A true CN107192336A (zh) 2017-09-22
CN107192336B CN107192336B (zh) 2023-04-11

Family

ID=59874466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710387002.4A Active CN107192336B (zh) 2017-05-26 2017-05-26 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107192336B (zh)

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108132026A (zh) * 2018-01-24 2018-06-08 赵智亮 半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置
CN108225578A (zh) * 2017-12-25 2018-06-29 中国科学技术大学 一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统
CN108286943A (zh) * 2018-01-15 2018-07-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用于光刻系统工作台的位移测量光学系统
CN108592800A (zh) * 2018-05-02 2018-09-28 中国计量科学研究院 一种基于平面镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
CN108645343A (zh) * 2018-05-02 2018-10-12 中国计量科学研究院 一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
CN108805937A (zh) * 2018-05-29 2018-11-13 浙江大学 一种单相机偏振信息预测方法
CN109084676A (zh) * 2018-07-01 2018-12-25 北京工业大学 基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统
CN110530531A (zh) * 2019-08-27 2019-12-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法
CN110849593A (zh) * 2019-11-22 2020-02-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备
CN111947592A (zh) * 2020-06-29 2020-11-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法
CN112414314A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置
CN112539705A (zh) * 2020-07-14 2021-03-23 深圳中科飞测科技股份有限公司 一种发光装置及其聚焦方法、检测设备
CN113865479A (zh) * 2021-09-02 2021-12-31 浙江理工大学 基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法
CN115218823A (zh) * 2022-07-21 2022-10-21 北方工业大学 一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路
CN115242314A (zh) * 2022-08-02 2022-10-25 北京中科国光量子科技有限公司 一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08278114A (ja) * 1995-04-07 1996-10-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 表面形状測定方法及び表面形状測定器
WO2014071807A1 (zh) * 2012-11-09 2014-05-15 清华大学 一种外差光栅干涉仪位移测量系统
CN104049248A (zh) * 2014-06-14 2014-09-17 哈尔滨工业大学 超外差与外差结合式抗光学混叠激光测距装置与方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08278114A (ja) * 1995-04-07 1996-10-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 表面形状測定方法及び表面形状測定器
WO2014071807A1 (zh) * 2012-11-09 2014-05-15 清华大学 一种外差光栅干涉仪位移测量系统
CN104049248A (zh) * 2014-06-14 2014-09-17 哈尔滨工业大学 超外差与外差结合式抗光学混叠激光测距装置与方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
梁晶;龙兴武;张斌;: "一种新型多波长绝对距离干涉测量系统的研究" *

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108225578A (zh) * 2017-12-25 2018-06-29 中国科学技术大学 一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统
CN108225578B (zh) * 2017-12-25 2020-05-12 中国科学技术大学 一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统
CN108286943A (zh) * 2018-01-15 2018-07-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用于光刻系统工作台的位移测量光学系统
CN108286943B (zh) * 2018-01-15 2020-10-16 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用于光刻系统工作台的位移测量光学系统
CN108132026A (zh) * 2018-01-24 2018-06-08 赵智亮 半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置
CN108132026B (zh) * 2018-01-24 2024-02-27 赵智亮 半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置
CN108592800B (zh) * 2018-05-02 2019-08-20 中国计量科学研究院 一种基于平面镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
US10907950B1 (en) 2018-05-02 2021-02-02 National Institute Of Metrology Laser heterodyne interferometric apparatus and method based on plane mirror reflection
CN108645343B (zh) * 2018-05-02 2019-08-20 中国计量科学研究院 一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
CN108592800A (zh) * 2018-05-02 2018-09-28 中国计量科学研究院 一种基于平面镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
CN108645343A (zh) * 2018-05-02 2018-10-12 中国计量科学研究院 一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法
CN108805937B (zh) * 2018-05-29 2021-12-17 浙江大学 一种单相机偏振信息预测方法
CN108805937A (zh) * 2018-05-29 2018-11-13 浙江大学 一种单相机偏振信息预测方法
CN109084676A (zh) * 2018-07-01 2018-12-25 北京工业大学 基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统
CN109084676B (zh) * 2018-07-01 2020-03-13 北京工业大学 基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统
CN110530531B (zh) * 2019-08-27 2020-10-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法
CN110530531A (zh) * 2019-08-27 2019-12-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法
CN110849593A (zh) * 2019-11-22 2020-02-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备
CN110849593B (zh) * 2019-11-22 2021-06-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备
CN111947592A (zh) * 2020-06-29 2020-11-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法
CN111947592B (zh) * 2020-06-29 2021-10-08 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法
CN112539705A (zh) * 2020-07-14 2021-03-23 深圳中科飞测科技股份有限公司 一种发光装置及其聚焦方法、检测设备
CN112414314A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种三光束激光干涉法发动机叶尖间隙测量方法及装置
CN113865479A (zh) * 2021-09-02 2021-12-31 浙江理工大学 基于频分复用的多波长干涉绝对距离测量装置与方法
CN115218823A (zh) * 2022-07-21 2022-10-21 北方工业大学 一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路
CN115218823B (zh) * 2022-07-21 2024-06-11 北方工业大学 一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路
CN115242314A (zh) * 2022-08-02 2022-10-25 北京中科国光量子科技有限公司 一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置
CN115242314B (zh) * 2022-08-02 2023-03-24 北京中科国光量子科技有限公司 一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN107192336B (zh) 2023-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107192336A (zh) 双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法
CN101413783B (zh) 双频激光干涉测量装置
CN100552376C (zh) 光学干涉测量中分光、成像及同步移相的方法和装置
WO2021017098A1 (zh) 差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法
CN102944169B (zh) 一种同步偏振相移干涉仪
CN102889853B (zh) 分光同步移相共光路干涉显微检测装置及检测方法
CN101776488B (zh) 利用同步移相干涉方法测量光学相位的方法及实现装置
CN104897047B (zh) 双路线偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪
CN110132138B (zh) 基于级联干涉仪的双扫频光源测距系统及方法
CN104634283A (zh) 具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法
CN104931125A (zh) 抗偏振混叠的双路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪
CN105571529A (zh) 一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统
JPH0543961B2 (zh)
US11150077B2 (en) Heterodyne laser interferometer based on integrated secondary beam splitting component
CN104897270A (zh) 基于单声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪
CN104913838A (zh) 抗偏振混叠的单路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪
CN104897271A (zh) 抗偏振混叠的单路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪
CN103439010A (zh) 基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法及装置
CN102538714A (zh) 一种平面高精度平行度的检测装置
CN106248195B (zh) 附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法
CN104296678A (zh) 基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪
CN103499384A (zh) 一种新型双频激光外差干涉相位测振光路
CN103743336A (zh) 基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置
CN207019624U (zh) 一种双波长超外差干涉实时位移测量系统
CN104897048B (zh) 无正交误差的单路线偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant