CN110631484B - 基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法，系统包括半导体激光传感头、平面反射镜、反射式二维平面光栅、数据采集卡和计算机，半导体激光传感头发出的激光入射到反射式二维光栅上，相应的衍射光沿原光路反馈回半导体激光传感头发生自混合干涉，自混合干涉信号被半导体激光器内置的光电探测器转化为电信号，输出至数据采集卡，经过计算机处理后得到待测目标的三维位移。本发明解决了传统光栅干涉仪在进行面外位移测量时量程受限的问题，同时相对传统光栅干涉仪更加紧凑，并保持了激光自混合干涉仪自准直的优点，可以实现结构简单、大量程、高分辨率三维实时位移测量系统和测量方法。

Description

基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，特别是涉及一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法。

背景技术

精密位移测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着半导体制造技术和超微细加工技术的发展，对实时高精度三维定位系统的需求迅速增长。激光干涉仪和光栅干涉仪由于具有非接触，高分辨率和宽动态测量范围等优点而被广泛用于高精度位移测量。激光干涉仪以波长为测量基准，通常用于测量目标的面外位移，其精度可以达到纳米量级，测量范围可以达到数十米。光栅干涉仪以光栅栅距为测量基准，通常用于测量目标的面内位移，其精度也可以达到纳米量级，测量范围取决于光栅大小。当采用零膨胀系数材料制作光栅时，环境温度变化不会对光栅栅距产生影响，因此光栅干涉仪具有很好的环境适应性。

目前能够实现三维位移测量的解决方案还很少，人们往往通过将多个干涉仪组合从而实现三维位移测量，但这一方案对各个干涉仪间的配合精度提出了极高的要求。近几年，用反射光栅替换反射镜的光栅干涉仪得到了许多关注，它在传统二维光栅干涉仪的基础上同时计算了面外位移对衍射光光程的影响，可以同时测量面内和面外的位移。基于这种思路，已经有一些三维位移测量系统被开发出来，但这类系统普遍存在一个缺陷：当目标在平面外方向上移动一段距离时，这些系统的光路也将改变，导致检测光与光电检测器之间出现偏差，大大限制了平面外位移测量的量程。同时，现有的精密三维测量系统结构往往十分复杂，难于调整。

激光自混合干涉技术，又称激光回馈干涉技术，是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，当激光器输出光被外界物体反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强的变化，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量。由于系统固有的结构简单紧凑、自准直、以及可以工作于粗糙散射表面显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感于准直等问题，在很多场合可以代替传统的激光干涉仪。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法，解决了传统光栅干涉仪在面外位移测量时量程受限的问题，同时相对传统光栅干涉仪更加紧凑，并保持了激光自混合干涉仪自准直的优点，可以实现结构简单、大量程、高分辨率三维实时位移测量系统和测量方法。

技术方案：本发明所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，包括第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头、第三半导体激光传感头、反射式二维平面光栅、第一平面反射镜、第二平面反射镜、数据采集卡和计算机，第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头、第三半导体激光传感头垂直于反射式二维平面光栅，它们在反射式二维平面光栅的投影呈等腰直角三角形，第一半导体激光传感头的投影为顶点，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别设置在第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头到反射式二维平面光栅的垂线上，数据采集卡的一端连接第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头，另一端连接计算机。

进一步的，第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头均包括稳流电源、半导体激光器和电光相位调制器，所述半导体激光器内部集成了半导体发光二极管和背向光电探测器，所述半导体激光器在稳流电源驱动下发射激光，经电光相位调制器调制后出射，反馈光返回至到所述电光相位调制器，经过第二次调制后回馈到所述半导体激光器，发生激光自混合干涉效应后干涉信号被背向光电探测器转化为电信号，输出到所述数据采集卡。

进一步的，所述电光相位调制器主轴方向和通过的激光偏振方向一致，其对通过的激光进行纯相位调制，调制幅度为π/2，调制初始相位为0。

进一步的，所述反射式二维平面光栅在x、y方向有相同的刻线周期d，与激光波长λ间满足λ/2<d<2λ。

进一步的，所述第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头所发射的激光分别被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后的方向与所述反射式二维平面光栅法线所成的利特罗入射角θ为:θ＝arcsin(λ/2d)。

本发明所述的三维位移测量方法，基于上述的系统，包括以下步骤：

(1)初始化系统并开始工作；

(2)数据采集卡对接收的干涉信号进行模数转换，并将转换后的信号输入计算机；

(3)对信号进行时域正交解调，分别解调出的第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头所在光路的反馈光相位变化量

(4)根据上述反馈光相位变化量，计算反射式二维平面光栅在x、y、z方向的位移。

进一步的，步骤(2)中所述模数转换的采样时间为t＝f_s/f_m,其中f_s为采样频率，f_m为电光调制频率。

进一步的，步骤(3)中所述的时域正交解调具体为，每个调制周期内对干涉信号进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，然后进行反正切运算，再进行解包裹运算，得到

进一步的，步骤(4)中反射式二维平面光栅在x、y、z方向的位移为，

其中，θ为利特罗入射角，d为平面光栅上x、y方向的刻线周期，λ为激光波长。

有益效果：本系统通过对三个通用半导体激光传感头组合，可以实现结构简单、大量程、高分辨率三维实时位移测量系统，具有以下优点：

(1)本发明采用激光自混合光栅干涉原理，不需要传统光栅干涉仪的参考光栅等辅助元件，同时可以直接利用半导体激光器集成的光电探测器检测干涉信号，大大简化了光路系统的结构，降低系统成本；

(2)相对于现有的用于三维位移测量的光栅干涉技术，本发明利用利特罗结构的优势，在光栅发生面外位移时光路结构不会随之改变，实现了面外大量程位移的测量；

(3)本发明提出了采用电光调制器对衍射光进行纯相位调制，调制精度高，调制带宽宽，相位解调由时域正交解调技术实现，解调方法算法简单，对采样误差不敏感，可以大幅度提高位移测量装置的测量分辨率。

本发明形成了新的大量程、高分辨率、适用于工业现场测量的三维微位移测量装置，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本实施方式的系统示意图；

图2是本实施方式三维位移测量时使用的时域正交解调原理图；

图3是本实施方式中测量方法的流程图。

图例说明：1、第一半导体激光传感头；2、第二半导体激光传感头；3、第三半导体激光传感头；4、反射式二维平面光栅；5、第一平面反射镜；6、第二平面反射镜；7、数据采集卡；8、计算机；11、第一稳流电源，12、第一半导体激光器，13、第一电光相位调制器；21、第二稳流电源，22、第二半导体激光器，23、第二电光相位调制器；31、第三稳流电源，32、第三半导体激光器，33、第三电光相位调制器。

具体实施方式

本实施方式的测量系统如图1所示，包括第一半导体激光传感头1、第二半导体激光传感头2、第三半导体激光传感头3、反射式二维平面光栅4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、数据采集卡7和计算机8。第一半导体激光传感头1、第二半导体激光传感头2、第三半导体激光传感头3垂直于反射式二维平面光栅4，即它们出射光束方向垂直于反射式二维平面光栅4，它们在反射式二维平面光栅4的投影呈等腰直角三角形，第一半导体激光传感头1的投影位于三角形的顶点，第二半导体激光传感头2、第三半导体激光传感头3的投影分别位于三角形的两个底角。第一平面反射镜5和第二平面反射镜6分别设置在第二半导体激光传感头2和第三半导体激光传感头3到反射式二维平面光栅4的垂线上，反射镜距离传感头的距离可以不一样。数据采集卡7的一端连接第一半导体激光传感头1、第二半导体激光传感头2和第三半导体激光传感头3，另一端连接计算机8。数据采集卡7用于模数转换并将转换后信号发送给计算机8，计算机8用于对接收的信号进行解调，计算各光路的反馈光相位变化量，并计算反射式二维平面光栅4在x、y、z方向的位移。所述反射式二维平面光栅4在x、y方向尺寸由所需要测量的x，y方向的二维位移的量程确定。其工作原理为，所述第一半导体激光传感头1发射激光，垂直入射至所述反射式二维平面光栅4，0级衍射光沿原路反馈回所述第一半导体激光传感头1，在第一半导体激光器12内部产生自混合干涉。干涉信号被所述第一半导体激光器12内部集成的探测器接收后以电信号形式输出至所述数据采集卡7中。所述第二半导体激光传感头2发射激光，被第一平面反射镜5反射后以(+1,0)级利特罗入射角入射所述反射式二维平面光栅4，第(+1,0)级衍射光沿入射光路反馈回所述第二半导体激光传感头2，在第二半导体激光器22内部产生自混合干涉。干涉信号被所述第二半导体激光器22内部集成的探测器接收后以电信号形式输出至所述数据采集卡7中。所述第三半导体激光传感头3发射激光，被第二平面反射镜6反射后以(0,+1)级利特罗入射角入射所述反射式二维平面光栅4，第(0,+1)级衍射光沿入射光路反馈回所述第三半导体激光传感头3，在第三半导体激光器32内部产生自混合干涉。干涉信号被所述第三半导体激光器32内部集成的探测器接收后以电信号形式输出至所述数据采集卡7中。所述数据采集卡7进行模数转换后输入所述计算机8，由所述计算机8处理后，得到待测的反射式二维平面光栅4的三维位移。

第一半导体激光传感头1、第二半导体激光传感头2和第三半导体激光传感头3的结构相同，均包括稳流电源、半导体激光器和电光相位调制器，即第一至第三稳流电源11、21、31，第一至第三半导体激光器12、22、32，第一至第三电光相位调制器13、23、33。所述半导体激光器12、22、32在所述稳流电源11、21、31驱动下发射激光，经所述电光相位调制器13、23、33调制后从激光传感头1、2、3出射；携带多普勒频移的三束反馈光沿出射口返回至到所述电光相位调制器13、23、33，经过第二次调制后回馈到所述半导体激光器12、22、32，发生激光自混合干涉效应。三个干涉信号分别被所述半导体激光器12、22、32背部的光电探测器转化为电信号，输出到所述数据采集卡7。

根据上述系统进行三维位移测量的原理如下：

根据光栅多普勒效应，当反射式二维平面光栅4沿x方向位移Δx时，仅有第二半导体激光传感头2光路的反馈光相位发生变化，其相移量为

同理，当反射式二维平面光栅4沿y方向位移Δy时，仅有第三半导体激光传感头3光路的反馈光相位发生变化，其相移量为

当反射式二维平面光栅4沿z方向位移Δz时，第一半导体激光传感头1所在光路的反馈光相移量为

第二半导体激光传感头2及第三半导体激光传感头3所在光路的反馈光相移量均为

因此，当反射式二维平面光栅4分别沿x、y、z方向位移Δx、Δy、Δz时，引起第一至第三半导体激光传感头1、2、3所在光路的反馈光相位变化量分别为：

在半导体激光传感头1、2、3中，由于反馈光两次经过电光相位调制器13、23、33，第一至第三半导体激光三极管11、21、31接收到反馈光相位总变化量为：

式中，n＝1、2、3，分别代表第一至第三半导体激光传感头1、2、3。设第一至第三半导体激光三激光11、21、31在稳流电源21、22、32驱动下的无反馈输出功率分别为P₀₁、P₀₂、P₀₃。反馈光注入时，产生激光自混合干涉，引起激光输出功率的调制分别为：

P_n(t)＝P_n0[1+m_ncos(ωτ+ψ_n)] (3)

式中，m_n为干涉信号的条纹可见深度。将式(2)代入式(3)并进行展开，可以得到：

式中E(t)＝cos[πsin(2πf_mt)]为干涉信号的偶函数分量，F(t)＝sin[πsin(2πf_mt)]为干涉信号的奇函数分量，输出的激光自混合干涉信号可以分解为两个相互正交的奇偶函数信号。

图2中，图2(a)为数值模拟的相位调制型激光自混合光栅干涉仪输出信号。在一个调制周期内，对来自第n干涉信号进行间隔为π/6的12次采样，用S_ni表示，i∈[0,11]。对S_i进行线性组合，可以得到

其中SR_n为相位

的正弦分量，CR_n为相位

的余弦分量。

图2(b)为干涉信号的偶函数分量E(t)和奇函数分量F(t)的波形。余弦分量CR_n计算公式中，S_n0、S_n3、S_n6和S_n9都在偶函数信号E(t)的峰值处，波形平坦，对时间变化不敏感，即采样精度的漂移对干涉信号偶函数分量E(t)取值影响较小；采样误差带来的奇函数分量F(t)误差可以通过S_n3+S_n9或者S_n0+S_n6消除。正弦分量SR_n计算公式中，S_n1、S_n5、S_n7和S_n11在干涉信号奇函数分量F(t)的峰值处，采样精度的漂移对F(t)取值影响较小；采样误差引起偶函数分量E(t)取值误差可以通过S_n7-S_n1或者S_n11-S_n5消除。

在位移测量过程中，ωτ为常数，则反射式二维平面光栅4三维位移导致半导体激光传感头1、2、3接收的反馈光相位变化

可以表示为：

由反正切函数计算的相位包裹于(-π,π)之间，解包裹运算后，根据式(1)得到反射式二维平面光栅的三维位移为：

基于上述的系统，本实施方式中的三维位移测量方法如图3所示，包括以下步骤：

(1)初始化系统并开始工作，具体为：

第一稳流电源11驱动第一半导体激光三极管12发出稳定线偏振激光。第一电光相位调制器13置于第一半导体激光器12前的光路上，对出射光进行纯相位调制，调制函数为：(π/2)sin(2πf_mt)，其中f_m为调制频率。激光被调制后从半导体激光传感头1底部出射，垂直入射到反射式二维平面光栅4上，0级衍射光沿入射方向原路返回第一半导体激光传感头1，再次经过第一电光相位调制器13，回到第一半导体激光器12中，发生激光自混合干涉。自混合干涉信号被第一半导体激光三极管12内置的光电探测器探测，以电信号的形式输送到数据采集卡7。

第二半导体激光器22在第二稳流电源21驱动下发出稳定线偏振激光，被第二电光相位调制器23以调制函数(π/2)sin(2πf_mt)进行纯相位调制。被调制的激光从第二半导体激光传感头2底部出射，入射到第一平面反射镜5后，被第一平面反射镜5反射，以(+1，0)级利特罗入射角arcsin(λ/2d)沿x刻线方向入射到反射式二维平面光栅4上。其(+1，0)级衍射光沿入射方向回馈到第二半导体激光传感头2内，再次经过第二电光相位调制器23，回到第二半导体激光器22中，发生激光自混合干涉。自混合干涉信号被第二半导体激光器22内置的光电探测器探测，以电信号的形式输送到数据采集卡7。

第三半导体激光传感头3在第三稳流电源31驱动下发出稳定线偏振激光，被第三电光相位调制器33以调制函数(π/2)sin(2πf_mt)进行纯相位调制，被调制的激光经第二平面反射镜6反射后以(0，+1)级利特罗入射角沿y刻线方向入射到反射式二维平面光栅4上。其(0，+1)级衍射光沿入射方向回馈到第三半导体激光传感头3内。自混合干涉信号被第三半导体激光器32内置的光电探测器探测以电信号形式输送到数据采集卡7。

(2)数据采集卡对接收的干涉信号进行模数转换，并将转换后的信号输入计算机

数据采集卡7在计算机8的控制下对三组自混合干涉信号同时采样。本实施方式中以虚拟仪器软件Labview作为系统的编程开发平台，完成计算机接口控制、数据采集、分析和计算。Labview软件启动后，首先初始化模数转换单元，利用数据采集I/O模块可以灵活地控制采集的开始与终止，配置采集系统的工作方式为连续采样，在该模式下，采样系统输入的模拟信号进行模数转换。程序设置采样时间为t＝f_s/f_m,其中f_s为采样频率，f_m为电光调制频率。

(3)对信号进行时域正交解调，分别解调出的第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头所在光路的反馈光相位变化量

计算机8对采样信号进行实时处理，将采样信号读入内存中，进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，进行反正切运算，由于反正切函数获得的相位包裹于(-π，π)之间，对信号进行解包裹运算。

(4)根据上述反馈光相位变化量，根据式(8)计算反射式二维平面光栅在x、y、z方向的位移。

工作中按照上述步骤循环往复，并在显示终端上实时显示测量结果。

Claims (9)

1.一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：包括第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)、第三半导体激光传感头(3)、反射式二维平面光栅(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、数据采集卡(7)和计算机(8)，第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)、第三半导体激光传感头(3)垂直于反射式二维平面光栅(4)，它们在反射式二维平面光栅(4)的投影呈等腰直角三角形，第一半导体激光传感头(1)的投影为顶点，第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)分别设置在第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)到反射式二维平面光栅(4)的垂线上，数据采集卡(7)的一端连接第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)，另一端连接计算机(8)。

2.根据权利要求1所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)均包括稳流电源、半导体激光器和电光相位调制器，所述半导体激光器内部集成了半导体发光二极管和背向光电探测器，所述半导体激光器在稳流电源驱动下发射激光，经电光相位调制器调制后出射，反馈光返回至到所述电光相位调制器，经过第二次调制后回馈到所述半导体激光器，发生激光自混合干涉效应后干涉信号被背向光电探测器转化为电信号，输出到所述数据采集卡(7)。

3.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述电光相位调制器主轴方向和通过的激光偏振方向一致，其对通过的激光进行纯相位调制，调制幅度为π/2，调制初始相位为0。

4.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述反射式二维平面光栅(4)在x、y方向有相同的刻线周期d，与激光波长λ间满足λ/2<d<2λ。

5.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)所发射的激光分别被第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)反射后的方向与所述反射式二维平面光栅(4)法线所成的利特罗入射角θ为:θ＝arcsin(λ/2d)，其中，d为刻线周期，λ为激光波长。

6.一种三维位移测量方法，基于权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化系统并开始工作；

(2)数据采集卡(7)对接收的干涉信号进行模数转换，并将转换后的信号输入计算机(8)；

(3)对信号进行时域正交解调，分别解调出的第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)所在光路的反馈光相位变化量

(4)根据上述反馈光相位变化量，计算反射式二维平面光栅(4)在x、y、z方向的位移。

7.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述模数转换的采样时间为t＝f_s/f_m,其中f_s为采样频率，f_m为电光调制频率。

8.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(3)中所述的时域正交解调具体为，每个调制周期内对干涉信号进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，然后进行反正切运算，再进行解包裹运算，得到

9.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(4)中反射式二维平面光栅(4)在x、y、z方向的位移为，

其中，θ为利特罗入射角，d为平面光栅上x、y方向的刻线周期，λ为激光波长。

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