CN107702734B - 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法 - Google Patents

一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107702734B
CN107702734B CN201710830257.3A CN201710830257A CN107702734B CN 107702734 B CN107702734 B CN 107702734B CN 201710830257 A CN201710830257 A CN 201710830257A CN 107702734 B CN107702734 B CN 107702734B
Authority
CN
China
Prior art keywords
image sensor
light source
laser
phase modulation
parallel
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.)
Active
Application number
CN201710830257.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107702734A (zh
Inventor
陈珂
周新磊
于清旭
郭珉
王泽霖
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.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
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 Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201710830257.3A priority Critical patent/CN107702734B/zh
Publication of CN107702734A publication Critical patent/CN107702734A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107702734B publication Critical patent/CN107702734B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
    • 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
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供了一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法，属于光电检测技术领域。该仪器包括激光光源、平行反光板、图像传感器、信号采集处理器和显示器，使用一个双面平行反光板作为空间相位调制器，空间发散激光斜入射到由低反射双面平行反光板，上下表面反射光在图像传感器表面形成由双光束干涉产生的相位调制分布。本发明的光学部分仅包括激光光源、双面平行反光板和图像传感器，相比于其他干涉仪，具有结构简单和成本低等显著优势。本发明为位移、激光波长、平板厚度和折射率的高精度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

Description

一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，涉及一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法。
背景技术
激光器的出现推动了光电检测技术领域的快速发展，利用激光干涉原理可实现高精度的光电检测。激光波长或者光程差的改变可引起干涉信号的相位调制，激光干涉仪是将波长、温度、应变、压力、折射率或者位移等物理量转换为对相位差的高精度测量仪器。常见的激光干涉测量仪主要包括迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。目前，各种形式的激光干涉仪已经广泛应用于物理化学参量测量、精密机械加工和结构健康监测等领域。
光学干涉仪分为时间域相位调制干涉仪和空间域相位调制干涉仪。时间域相位调制利用了光的时间相干性；空间域相位调制则利用了光的空间相干性。时间域相位调制干涉仪形成的干涉场是一个空间均匀的强度随时间变化的分布；空间域相位调制干涉仪形成的干涉场则是一个不随时间变化的强度随空间位置变化的干涉条纹分布。在光探测方面，时间域相位调制干涉仪采用单面元光探测器；空间域相位调制干涉仪采用面阵或者线阵图像传感器。
空间相位调制型激光干涉仪在测量过程中无需对测量臂的光程或者激光波长进行扫描，具有测量速度快、信噪比高和稳定性高等优势。文献“空间域相位调制干涉仪用于微位移测量.应用光学，1999，20(2)：40-44”首次提出了空间相位调制型干涉测量方案，采用光楔替代传统迈克尔逊干涉中的平板玻璃，空间相位调制激光干涉场被CCD探测。然而该方案易受光楔倾角不均匀的影响，无法在实际工程应用中得到应用。文献“空间相位调制表面等离子体共振检测蛋白质芯片.清华大学学报，2008，48(5)：792-795”和“基于SPR传感的空间相位调制蛋白质芯片检测方法.仪器仪表学报，2009，30(6)：1134-1139”提出了一种基于空间相位调制的SPR成像干涉检测法，该方案将s光作为参考光，测量p光的相位变化，将传感芯片表面的生物分子相互作用时所引起的反射光的相位变化转换成干涉条纹移动，干涉图像由面阵CCD采集。然而该方案的应用领域受限，目前的报道只能用于SPR传感。
目前，在非接触光学玻璃测厚、光学折射率测量等领域，尚且缺乏低成本的高精度激光干涉测量方法。并且，各种常见的激光干涉仪使用较多的高精密光学元件，存在结构复杂和成本较高等问题，影响了激光干涉仪进一步地推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单的无扫描激光干涉测量仪器及方法，旨在大幅度简化仪器结构、降低激光干涉仪的成本、提高检测精度，为激光干涉仪在工业检测与生产中的应用拓展更大的空间。
本发明的技术方案：
一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，空间相位调制型激光干涉测量仪器包括激光光源1、平行反光板2、图像传感器3、信号采集处理器4和显示器5；激光光源1与图像传感器3之间设置平行反光板2，激光光源1发射的光斜射到平行反光板2表面，经平行反光板2上、下表面反射后入射到光图像传感器3，光图像传感器3将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器4与图像传感器3相连，用于采集干涉图像并对其进行相位解调；显示器5与信号采集处理器4相连，用于显示数字信号处理的结果。
所述的激光光源1是一种空间发散光源，其空间发散角大于5度。
所述的激光光源1是一种相干光源，其相干长度大于10倍的平行反光板2的厚度。
所述的平行反光板2是一种低反射双面平行反光板，上、下表面的反射率为2％-20％，厚度为1μm-10mm。
所述的激光光源1上设置光纤6，激光光源1通过光纤6将光发射至平行反光板2上。
所述的平行反光板2为光学玻璃402或流通池702。
所述的图像传感器3为线阵图像传感器403或面阵图像传感器。
一种空间相位调制型激光干涉测量方法，采用低反射双面平行反光板2作为空间相位调制器，图像传感器3对空间相位调制光进行探测，实现高分辨率和低成本的光学干涉测量；具体步骤如下：
首先激光光源1发射的相干光在空间发散后，斜射到低反射双面平行反光板2的上、下表面；经反射后的双面反射光射入图像传感器3，然后图像传感器3将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器4对图像传感器3形成的干涉图像进行采集，并对其进行相位解调；最后显示器5对数字信号处理的结果进行显示。
本发明有益效果：本发明属于一种空间相位调制型激光干涉测量方法，相比于普通的激光干涉测量技术，该方法不需要机械扫描部件，是一种无扫描测量法，具有高精度、高稳定性、高重复性和大动态测量范围等优势。本发明仪器的光学部分仅包括激光光源、双面平行反光板和图像传感器，相比于其他干涉仪，具有结构简单和成本低等显著优势。本发明为位移、激光波长、平板厚度和折射率的高精度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的激光干涉原理图。
图3是线阵图像传感器表面的相位差空间分布图。
图4是本发明实施例一的结构示意图。
图5是本发明实施例一的干涉条纹图。
图6是本发明实施例一的玻璃厚度与干涉信号空间频率的关系图。
图7是本发明实施例二的结构示意图。
图中：1激光光源；2平行反光板；3图像传感器；4信号采集与处理器；5显示器；6光纤；402光学玻璃；403线阵图像传感器；702流通池。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明的结构如图1所示，主要包括激光光源1、平行反光板2、图像传感器3、信号采集处理器4和显示器5。激光光源1发射的空间发散光，入射到平行反光板2；上表面和下表面的反射光分别入射到图像传感器3，在图像传感器3表面形成干涉图像；信号采集与处理器4对采集的干涉图像进行处理；计算结果显示在显示器5。
图2是本发明的激光干涉原理图。平行反光板上表面和下表面的反射光到达图像传感器表面上同一点的两束光的光程不同，即图像传感器上不同点对应不同的光程差。图中，激光发射点与平行反光板上表面的垂直距离为a，平行反光板的厚度为b，折射率为n。激光出射光经平行反光板上表面反射，到达图像传感器表面点(x,y)，其光程为
Figure BDA0001408586050000041
激光出射光经平行反光板下表面反射，到达同一点(x,y)，其光程为
Figure BDA0001408586050000051
其中，α和β分别是光束在平行反光板外侧和内侧与法线的夹角。根据斯涅耳定律，可得
sinα＝nsinβ (3)
此外，根据几何关系，可得
atanα+2btanβ+(y-b)tanα＝x (4)
图像传感器上(x,y)处的光程差为
OPD1(x,y)＝OP12(x,y)-OP11(x,y) (5)
根据式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)即可计算出图像传感器表面的相位差空间分布值。
附图3是线阵图像传感器表面的相位差空间分布图。计算条件为：入射光轴线与平行反光板的夹角为45°，线阵图像传感器与平行反光板的夹角为45°，线阵图像传感器中心与平行反光板的垂直距离h为50mm，线阵图像传感器的像素为3648，线阵图像传感器的光探测面元的长度为29.1mm，a为1mm，b为250μm，激光光源的波长为850nm。图3显示出线阵图像传感器表面的相位差空间分布具有很好的线性关系。
实施例1：高精度光学玻璃厚度测量仪
本发明提供了如图4所示的一种高精度光学玻璃厚度测量仪，主要包括激光光源1、光纤6、光学玻璃402，线阵图像传感器403，信号采集处理器4和显示器5。激光光源1经光纤6发射，空间发散光入射到光学玻璃402；光学玻璃402上表面和下表面的反射光分别入射到线阵图像传感器403，在线阵图像传感器403表面形成干涉图像；信号采集处理器4使用高速模数转换器采集线阵图像传感器403的输出图像，FPGA控制线阵图像传感器403的输入时序，并对采集的干涉图像信号进行去噪处理，计算出干涉信号的频率后，得到光学玻璃402的厚度；计算结果显示在显示器5。
其中激光光源4是波长为850nm的窄线宽半导体激光光源。光纤6为9/125μm通信光纤。线阵图像传感器403为东芝公司的TCD1304DG型CCD，像素为3648。
图5是本发明实施例一的干涉条纹图。由于平行反光板表面的反射率较低，干涉条纹图近似为双光束干涉图像。光纤出射的激光是高斯发散的，在附图5的干涉条纹图中包含了近似高斯分布的包络。
图6是本发明实施例一的玻璃厚度与干涉信号空间频率的关系图，该结果是当线阵图像传感器中心与平行反光板的垂直距离为100mm时得到的。当干涉信号的空间频率范围为2-1860Hz时，对应玻璃厚度为10um–10mm。
传统的激光玻璃测厚仪的测量精度/分辨率在100um量级，无法满足精密光学玻璃测厚的需求。本发明实施例1的方法采用与传统的激光玻璃测厚仪相近的结构，在不增加测量系统成本的情况下，采用空间相位调制型激光干涉测量技术，可将系统测量分辨率提高到10nm量级。
实施例2：液体折射率测量仪
本发明提供了如图7所示的一种液体折射率测量仪，主要包括激光光源1，光纤6，流通池702，线阵图像传感器403，信号采集处理器4和显示器5。激光光源1经光纤6发射，空间发散光入射到流通池702；流通池702上下内表面的反射光分别入射到线阵图像传感器403，在线阵图像传感器403表面形成干涉图像；信号采集处理器4采集并处理线阵图像传感器403的输出图像，并将计算出的折射率结果显示在显示器5。
其中激光光源1是波长为850nm的窄线宽半导体激光光源。光纤6为9/125μm通信光纤。流通池702的上下表面为两个平行的光学镜片构成，且光学镜片的外表面镀增透膜。线阵图像传感器403为东芝公司的TCD1304DG型CCD，像素为3648。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的空间相位调制型激光干涉测量仪器包括激光光源(1)、平行反光板(2)、图像传感器(3)、信号采集处理器(4)和显示器(5)；激光光源(1)与图像传感器(3)之间设置平行反光板(2)，激光光源(1)发射的光斜射到平行反光板(2)表面，经平行反光板(2)上、下表面反射后入射到图像传感器(3)，图像传感器(3)将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器(4)与图像传感器(3)相连，用于采集干涉图像并对其进行相位解调；显示器(5)与信号采集处理器(4)相连，用于显示数字信号处理的结果；
所述的激光光源(1)是一种空间发散光源，其空间发散角大于5度；
所述的激光光源(1)是一种相干光源，其相干长度大于10倍的平行反光板(2)的厚度；
所述的平行反光板(2)是一种低反射双面平行反光板，上、下表面的反射率为2％-20％，厚度为1μm-10mm。
2.根据权利要求1所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的激光光源(1)上设置光纤(6)，激光光源(1)通过光纤(6)将光发射至平行反光板(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的平行反光板(2)为光学玻璃(402)或流通池(702)。
4.根据权利要求1或2所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的图像传感器(3)为线阵图像传感器(403)或面阵图像传感器。
5.根据权利要求3所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的图像传感器(3)为线阵图像传感器(403)或面阵图像传感器。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器的测量方法，其特征在于，采用低反射双面平行反光板(2)作为空间相位调制器，图像传感器(3)对空间相位调制光进行探测，实现高分辨率和低成本的光学干涉测量；具体步骤如下：
首先激光光源(1)发射的相干光在空间发散后，斜射到低反射双面平行反光板(2)的上、下表面，经反射后的双面反射光射入图像传感器(3)；然后图像传感器(3)将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器(4)对图像传感器(3)形成的干涉图像进行采集，并对其进行相位解调；最后显示器(5)对数字信号处理的结果进行显示。
CN201710830257.3A 2017-09-15 2017-09-15 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法 Active CN107702734B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710830257.3A CN107702734B (zh) 2017-09-15 2017-09-15 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710830257.3A CN107702734B (zh) 2017-09-15 2017-09-15 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107702734A CN107702734A (zh) 2018-02-16
CN107702734B true CN107702734B (zh) 2020-06-16

Family

ID=61171692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710830257.3A Active CN107702734B (zh) 2017-09-15 2017-09-15 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107702734B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109489837A (zh) * 2019-01-07 2019-03-19 大连理工大学 一种基于光学干涉仪的多波长计
CN112556588A (zh) * 2020-11-30 2021-03-26 珠海冠宇电池股份有限公司 电池封印在线测厚装置及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100347546C (zh) * 2005-09-02 2007-11-07 清华大学 蛋白质芯片的传感方法及其检测系统
CN100570296C (zh) * 2007-10-19 2009-12-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 偏振移相双剪切干涉波面测量仪及其检测方法
CN102636457B (zh) * 2012-04-19 2014-06-11 上海理工大学 一种微量液体折射率的测量系统及测量方法
CN104111163B (zh) * 2014-07-23 2017-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 凸透镜焦距的测量装置和测量方法
JP6503568B2 (ja) * 2014-12-10 2019-04-24 株式会社オキサイド 二重像検査システム
CN104570380B (zh) * 2015-01-22 2017-02-22 中国科学院上海光学精密机械研究所 空间滤波器的调试装置和调试方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107702734A (zh) 2018-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. A review of recent developed and applications of plastic fiber optic displacement sensors
US4948253A (en) Interferometric surface profiler for spherical surfaces
CN106802160B (zh) 一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法
JP2013517465A5 (zh)
CN107702734B (zh) 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法
Sastikumar et al. Determination of the thickness of a transparent plate using a reflective fiber optic displacement sensor
Wiersma et al. Vibration insensitive extended range interference microscopy
CN112097680A (zh) 一种基于多腔fp干涉仪的表面形貌测试装置及测试方法
Kim et al. Quadrature laser interferometer for in-line thickness measurement of glass panels using a current modulation technique
Koch et al. Linear optical coherence tomography system with a downconverted fringe pattern
WO2023015933A1 (zh) 一种激光位移测量装置和方法
CN111964580B (zh) 一种基于光杠杆的薄膜位置与角度的检测装置及方法
EP2336714B1 (en) Interferometer
Wisniewski et al. Interferometric metrology probe for highly sloped freeform optics
RU2606805C1 (ru) Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений
Depiereux et al. Fiber-based white-light interferometer with improved sensor tip and stepped mirror
CN111288896B (zh) 一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法
Manojlović High-resolution wide-dynamic range electronically scanned white-light interferometry
JP2920533B1 (ja) 白色干渉による高感度計測方法
RU2502951C1 (ru) Устройство контроля положения объекта нано- и субнанометровой точности
Watanabe et al. Geometrical tomographic imaging of refractive indices through turbid media by a wavelength-scanning heterodyne interference confocal microscope
Quan et al. Study on the use of white light interferometry for multifiber-end surface profile measurement
Zheng et al. Nonequal arm surface measurement of femtosecond optical frequency combs using the Savitzky–Golay filtering algorithm
JPH11281313A (ja) 白色光のヘテロダイン干渉法
CN106908155B (zh) 一种波长测量仪

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