CN1165744C - 微小位移自混合干涉测量装置及其信号控制器和测量方法 - Google Patents
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Abstract
微小位移自混合干涉测量装置及其信号控制器和测量方法是一种涉及位移精密测量的仪器和测量方法，该测量装置靶镜和支架分别固定在底座同一面的两端，在支架上固定有外筒和连接环，连接环的中间是金属板，连接环的朝向激光器的一侧接激光器套环，激光器位于激光器套环中间，激光器套环的朝向准直透镜的一侧接准直透镜套筒，准直透镜位于准直透镜套筒的外端口，探测器位于金属板中，并与激光器相接，靶镜位于靶镜筒中，激光器、准直透镜、中值滤波器、靶镜同光轴地依次排列，该信号控制器由驱动电源、锯齿波发生器、差分放大器、信号采样部件所组成，驱动电源控制激光器，探测器和锯齿波发生器的输出信号经差分放大器放大后，再输出到信号采样部件。
Description
一、技术领域
本发明涉及位移精密测量仪器，准确地说是涉及微小位移自混合干涉测量仪器和测量方法。
二、背景技术
位移测量在精密机械、材料、光学、生物和医学等领域有很重要的作用。对于亚微米到微米范围的微位移测量，激光干涉是应用比较多的高精度的测量方法。由于半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻和波长可调的特点，因此在光学位移传感器中得到应用。有许多以半导体激光干涉为基础的测量微位移的干涉仪，例如，日本的KLA130系列光干涉微米计，在80μ～200μ工作范围内误差为0.01μ～0.02μ。Zygo公司生产的带有20MHz频率声光调制器和1.5～2.5nm分辨率的Axiom2/20干涉仪。现有的微小位移的半导体激光干涉测量仪从CN2391169号专利已知，包括原光源和调制光源，调制光源和原光源均为半导体激光器。置有第一透镜和第二透镜。偏振分束器和普通分束器，避免了已有技术中的补偿问题，提高了测量精度。这些方法都需要许多光学元器件，因而难以做出结构紧凑、价格低的测量装置。
三、技术内容
1、发明目的：
本发明的目的是提供一种结构紧凑、价格低廉、精度高的微小位移自混合干涉测量装置及其信号控制器和测量方法。
2、技术方案：
本发明的测量装置主要由光学系统组成，该测量装置包括激光器、准直透镜、中值滤波器、散热器、靶镜、探测器、金属板、支架、底座，靶镜和支架分别设置和固定在底座同一面的两端，在支架上固定有外筒和连接环，连接环的中间是金属板，连接环的朝向激光器(1)的一侧接激光器套环，激光器位于激光器套环中间，激光器套环的朝向准直透镜的一侧接准直透镜套筒，准直透镜位于准直透镜套筒的外端口，探测器位于金属板中，并与激光器相接，靶镜位于靶镜筒中，激光器、准直透镜、中值滤波器、靶镜同光轴地依次排列；激光器，采用半导体激光器，探测器采用光电二极管，该光电二极管封装在半导体激光器的管壳内的后部；准直透镜由压环固定在准直透镜套筒中。光学系统只有一个光轴，容易校直，所以称为自准直系统，该信号控制器由驱动电源、锯齿波发生器、差分放大器、信号采样部件所组成，驱动电源的输出端与激光器相接，探测器和锯齿波发生器的输出端接差分放大器的输入端，差分放大器的输出端接信号采样部件的输入端；信号采样部件由模/数变换器和同步信号采样电路组成，半导体激光器的波长和输出光强是通过信号发生器与驱动器来控制调制。
本发明不同于传统的干涉。测量自混合干涉是在激光腔内实现，通过外腔长度和反馈强度的变化调制输出光的光谱特征和光强，封装在半导体激光器管壳内另一侧的光电二极管探测反馈干涉信号。检测光学反馈造成信号的强度和位相变化，确定物体的微小位移。自混合干涉信号不是标准的正弦波，信号是非对称的。只有在弱反馈条件下，半导体激光器单模运转，信号表现为正弦波。外腔长度变化引起激光输出强度的波动，类似于传统的双光束干涉现象，即一个条纹移动对应半个光波波长的位移，强度波动深度与传统双光束干涉系统相当。
1、自混合干涉仪的调节方法：
在调试干涉仪器时，先根据半导体激光器的阈值电流和功率等参数调整驱动电流中的偏置电流，使半导体激光器发出激光，一般偏置电流调节在30～50毫安。透镜2将激光器发出的椭圆光束变换成圆光束，调节透镜2的焦距并使出射光束成准直平行光。调整驱动电流中的调整调制电流的大小调制电流调节在3～5毫安。调整中值滤波器3，改变光强。使得反馈光强约为入射光强的5％时，激光器的自混合干涉信号近似为正弦波。
2、自混合干涉信号处理方法：
改变差分放大器13的两输入端的电平，消去差分放大器输出端锯齿波调制分量。根据待测信号频率和已有的A/D变换卡的采样频率以及精度，选择采样点，例如选择512或1024采样点。
3、用快速傅立叶变换方法(FFT)分析自混合干涉信号和计算微小位移的步骤：
(1)先对采集的自混合干涉数字信号进行快速傅立叶变换(FFT)运算，计算信号频谱；(2)利用窗口函数选择一级谱峰值对应的频率为信号频率，提取载频的傅立叶系数，计算其实部和虚部之比，取反正切获得初始相位；(3)由相位计算微小位移。激光腔端面与测量目标之间的距离是外腔的长度，频谱中的第一个主峰值对应外腔的共振频率和初始相位。已知测量目标的初始距离，用傅立叶变换提取信号相位，就可以计算出微小位移。
3、技术效果：
半导体激光器同时用作光源和探测器，不需要传统干涉仪的分束器和参考镜等辅助光学元件，结构极其简单、紧凑，实验装置易准直，成本低廉。本发明同传统的干涉传感器具有相同的相位灵敏度，在0μ～2.0μ工作范围内仪器误差为0.01μ～0.02μ，可以在很多应用场合取代传统干涉传感器。
自混合干涉信号的分析方法大都用条纹峰值计数法，但是位移测量精度仅在λ/2。用相位测量方法分析信号，测量精度可提高到几十分之一波长。本发明提出的快速傅立叶变换方法(FFT)解调自混合干涉信号相位。方法是改变注入电流，调制自混合干涉信号，通过计算得到各点相位，位移测量精度达λ/50。
四、附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。其中有激光器1、准直透镜2、中值滤波器3、散热器4、靶镜5、探测器6、金属板7、支架8、底座9、外筒10、连接环11、激光器套环12、准直透镜套筒13、靶镜筒14、压环15。
图2是控制器电路结构框图。其中有驱动电源21、锯齿波发生器22、差分放大器23、信号采样部件24。
图3是信号处理流程图。
五、具体实施方式
本发明装置中同光轴地依次置有半导体激光器1、准直透镜2、中值滤波器3、散热器4和靶镜5。探测器6使用封装在半导体激光器管壳内的光电二极管。半导体激光器选用Sharp LT021(波长780nm，功率10mw)，安装在用紫铜制成的散热片上，由温度控制器控制为恒温。准直透镜使用一个非球面的校准透镜。靶镜和被测物体相连，随物体移动。
结合图1说明利用光学系统产生自混合干涉，测量位移的实施方法。激光器的两个端面和被测靶镜分别构成了激光内腔和外腔。光学系统只有一个光轴，光轴是光学系统的中心线。半导体激光器1出射的光经准直透镜2耦合，形成出射圆光束，照射到靶镜5，一部分输出光被反射、返回，再经准直透镜2耦合到激光腔内，和激光腔内的光形成自混合干涉，自混合干涉的结果使得发射光的振幅和频率受到调制。具有自混合干涉效应的半导体激光器的输出强度随注入电流变化，调制半导体激光器1，获得经调制的输出光强。驱动电源提供注入电流，注入电流由直流偏置电流和调制电流合成。当注入电流被锯齿波调制时，半导体激光器的输出光强是光反馈产生的共振与调制产生的强度迭加。去掉线性调制分量，就获得周期性的波动信号。半导体激光器的输出强度还随外部腔长变化。当注入电流固定和靶镜5移动时，输出强度的峰值随半个共振周期移动。即输出光强随外部腔长的变化周期是半个波长，λ/2。半导体激光器的输出信号形状与反射系数有关，只有在弱反射的条件下，输出信号才近似为正弦波。随着反馈强度的增加，自混合干涉信号逐步变成非对称的锯齿波，条纹的偏斜方向取决于目标的运动方向。解调准正弦信号的相位，再由相位与位移的关系计算出位移。
结合图2说明自混合干涉的信号处理电路系统。封装在激光器内部的光电探测器，用于检测自混合干涉信号。系统包括锯齿波发生器22，其输出信号分成两路输出。一路连到驱动电源21，调制半导体激光器的注入电流；一路连到差分放大器23的输入端。光电探测器探测的自混合信号接到差分放大器23的另一输入端。差动放大器实际是低噪声运算放大器。经差分放大器消去锯齿波调制分量，成为准正弦信号。系统还包括信号采样部件24，该信号采样部件是由A/D变换卡和同步采样电路组成，其输入端接到差分放大器23。自混合准正弦信号经同步采样和A/D变换，成为数字信号。从锯齿波调制的每个周期的上升沿起点(t＝0，t＝T，t＝2T......)产生同步采样脉冲。对于中低频率信号，选取A/D变换卡的采样频率≥100KHz，精度≥12bit。采到的数字信号耦合到计算机，用计算机进行实时处理。
结合图3信号处理流程图，说明用快速傅立叶变换方法(FFT)确定频率，提取信号相位的步骤：
(1)先对自混合干涉信号进行快速傅立叶变换(FFT)运算，计算信号频谱；(2)利用窗口函数选择一级谱峰值对应的频率为信号频率，提取载频的傅立叶系数，计算其实部和虚部之比，取反正切获得初始相位；(3)由相位计算位移。激光腔端面与测量目标之间的距离是外腔的长度，频谱中的第一个主峰值对应外腔的共振频率和初始相位。已知测量目标的初始距离，用傅立叶变换提取信号相位，就可以计算出位移。
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Claims (7)
1、一种微小位移自混合干涉测量装置，包括激光器光源、透镜，其特征在于该测量装置包括激光器(1)、准直透镜(2)、中值滤波器(3)、散热器(4)、靶镜(5)、探测器(6)、金属板(7)、支架(8)、底座(9)，靶镜(5)和支架(8)分别设置和固定在底座(9)同一面的两端，在支架(8)上固定有外筒(10)和连接环(11)，连接环(11)的中间是金属板(7)，连接环(11)的朝向激光器(1)的一侧接激光器套环(12)，激光器(1)位于激光器套环(12)中间，激光器套环(12)的朝向准直透镜(2)的一侧接准直透镜套筒(13)，准直透镜(2)位于准直透镜套筒(13)的外端口，探测器(6)位于金属板(7)中，并与激光器(1)相接，靶镜(5)位于靶镜筒(14)中，激光器(1)、准直透镜(2)、中值滤波器(3)、靶镜(5)同光轴地依次排列。
2、根据权利要求1所述的微小位移自混合干涉测量装置，其特征在于激光器(1)，采用半导体激光器，探测器(6)采用光电二极管，该光电二极管封装在半导体激光器的管壳内的后部。
3、根据权利要求1或2所述的微小位移自混合干涉测量装置，其特征在于准直透镜(2)由压环(15)固定在准直透镜套筒(13)中。
4、一种用于权利要求1所述的微小位移自混合干涉测量装置的信号控制器，其特征在于该信号控制器由驱动电源(21)、锯齿波发生器(22)、差分放大器(23)、信号采样部件(24)所组成，驱动电源(21)的输出端与激光器(1)相接，探测器(6)和锯齿波发生器(22)的输出端接差分放大器(23)的输入端，差分放大器(23)的输出端接信号采样部件(24)的输入端。
5、根据权利要求4所述的微小位移自混合干涉测量装置的信号控制器，其特征在于信号采样部件(24)由模/数变换器和同步信号采样电路组成。
6、一种用于权利要求1的微小位移自混合干涉测量装置的测量方法，其特征在于测量方法为(1)先对采集的自混合干涉数字信号进行快速傅立叶变换(FFT)运算，计算信号频谱；(2)利用窗口函数选择一级谱峰值对应的频率为信号频率，提取载频的傅立叶系数，计算其实部和虚部之比，取反正切获得初始相位；(3)由相位计算微小位移，激光腔端面与测量目标之间的距离是外腔的长度，频谱中的第一个主峰值对应外腔的共振频率和初始相位，已知测量目标的初始距离，用傅立叶变换提取信号相位，就可以计算出微小位移。
7、一种用于权利要求4的微小位移自混合干涉测量装置的信号控制器的测量方法，其特征在于测量方法为(1)先对采集的自混合干涉数字信号进行快速傅立叶变换(FFT)运算，计算信号频谱；(2)利用窗口函数选择一级谱峰值对应的频率为信号频率，提取载频的傅立叶系数，计算其实部和虚部之比，取反正切获得初始相位；(3)由相位计算微小位移，激光腔端面与测量目标之间的距离是外腔的长度，频谱中的第一个主峰值对应外腔的共振频率和初始相位，已知测量目标的初始距离，用傅立叶变换提取信号相位，就可以计算出微小位移。
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