CN116819551A - 一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 - Google Patents
一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116819551A CN116819551A CN202310660838.2A CN202310660838A CN116819551A CN 116819551 A CN116819551 A CN 116819551A CN 202310660838 A CN202310660838 A CN 202310660838A CN 116819551 A CN116819551 A CN 116819551A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- measuring
- laser
- interference
- measured
- lateral displacement
- 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.)
- Pending
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，包括：外差光源机构，用于提供不同频率的两束激光；激光干涉机构，用于传感待测物体的横向位移信号，产生四路干涉拍频信号；数据处理机构，用于将四路干涉拍频信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上干涉拍频信号的相位变化φ1～φ4，然后根据该相位变化φ1～φ4计算物体的横向位移，当物体为角锥棱镜时，得到二维横向位移Δx和Δy，当物体为直角棱镜时，得到一维横向位移Δx，其中，Δx＝kx(φ1+φ2‑φ3‑φ4)，Δy＝ky(φ1‑φ2‑φ3+φ4)。本发明使用差分相位信号计算物体横向位移信息，可有效提高测量横向位移的精度。
Description
技术领域
本发明属于物体横向位移测量技术领域，更具体地，涉及一种基于差分波前测量物体横向位移的装置。
背景技术
精确的三维测量技术在现代技术中扮演着重要的角色，其中包括动态位移、目标位置、材料变形和转子振动等。将目标表面平面作为参考，三维测量可以被分解为二维平面测量和一维垂直测量，其中物体在二维的移动距离即为物体的横向位移。普通光学干涉仪因其非接触、高分辨率和广泛的动态测量范围等优点而广泛用于垂直平面位移测量。虽然可以使用多个彼此垂直安装的激光干涉仪，但这两个光束不会照射在同一个点上，任何机械或光学调整误差都会导致测量误差。同时独立测量平面内和垂直平面位移是需要解决的重要问题。
目前测量物体横向位移的手段有多种方法。常用的手段包括非对称FP干涉仪、光栅干涉仪，光子齿轮，自混合干涉仪，以及基于角锥棱镜的光斑位置测量方法。其中非对称干涉仪和光栅干涉仪需要特殊结构反射镜，存在对准或加工困难。光子齿轮和自混合干涉仪只能测量自由度一个方向的横向位移。基于角锥棱镜的光斑位置测量方法则在精度低的问题。
因此，如何提升测量物体横向位移精度是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，旨在解决传统测量物体横向位移精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，包括：
外差光源机构，用于提供不同频率的两束激光；
激光干涉机构，用于将两束激光转变为两束准直激光，之后将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，其中，所述测量光束经过透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束被反射，所述参考光束经过透射后与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉，最后将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号；
数据处理机构，用于将四路干涉拍频信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上干涉拍频信号的相位变化φ1～φ4，然后根据该相位变化φ1～φ4计算待测物体的横向位移；当待测物体为角锥棱镜时，所述横向位移为角锥棱镜在垂直于接收光束方向上的二维横向位移Δx和Δy，当待测物体为直角棱镜时，所述横向位移为直角棱镜在垂直于其直角棱方向上的一维横向位移Δx，其中，Δx＝kx(φ1+φ2-φ3-φ4)，Δy＝ky(φ1-φ2-φ3+φ4)，式中kx和ky为相位差变化对应到两个方向上的横向位移的转换系数。
本发明提供的基于差分波前测量物体二维横向位移的装置，激光干涉机构将两束激光进行准直以及先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，可增大两束激光的波前曲率参数，大幅提高差分波前信号的灵敏度；另外，利用干涉原理，使用差分相位信号计算物体横向位移信息，灵敏度高，噪声低，可有效提高测量横向位移的精度。
在其中一个实施例中，在所述激光干涉机构中，采用两准直器将两束激光转变为两束准直激光。
在其中一个实施例中，在所述激光干涉机构中，采用两透镜将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束。
在其中一个实施例中，两透镜均采用凸透镜，所述透镜上镀有增透膜。
在其中一个实施例中，所述激光干涉机构还包括分光镜和四象限光电探测器；其中，所述测量光束经过分光镜透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束再次经过分光镜反射至四象限光电探测器，参考光束经过分光镜透射后到达四象限光电探测器，并与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉；所述四象限光电探测器用于将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号。
在其中一个实施例中，所述外差光源机构包括激光器、分束器和两移频器；其中，分束器用于将激光器出射的激光分成两束相同的相干激光；两移频器用于调整两束相干激光的频率，以产生不同频率的两束激光。
在其中一个实施例中，所述数据处理机构包括相位解调器和数据处理器。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的基于差分波前测量物体横向位移的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为解决传统测量物体横向位移精度低的问题，对此，本发明提供了一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，如图1所示，该装置包括外差光源机构10、激光干涉机构20和数据处理机构30。
其中，外差光源机构10与激光干涉机构20可采用光纤连接，用于提供不同频率的两束激光。激光干涉机构20与待测物体40通过其中一束激光连接，用于传感待测物体40的横向位移信号，产生外差激光干涉拍频信号。数据处理机构30与激光干涉机构20可采用信号线缆连接，用于计算拍频信号的相位变化，并通过相位变化计算待测物体40的横向位移。
在本实施例中，外差光源机构10可具体采用激光器11、分束器12、第一移频器13和第二移频器14。其关系为：激光器11与分束器12连接得到两束激光；分束器12分别与第一移频器13和第二移频器14连接，分别将两束激光移至不同频率。
具体地，本实施例提供的激光器11可选用波长为1064nm的单频激光光源，但是不限定于该波长，也可以使用532nm，633nm，1550nm等其它激光波长。分束器12可选择适用于所选激光波长的50:50的分束光纤，激光器11出射激光经过分束器后分成两束几乎相同的相干激光。第一移频器13可选用适用于所选激光波长的声光移频器，其中心频率为80MHz；激光通过第一移频器13后输出一级衍射光。第二移频器14可选用适用于所选激光波长的声光移频器，其中心频率为80.01MHz；激光通过第二移频器14后输出一级衍射光，其频率与第一移频器输出的激光频率相差10kHz。
在本实施例中，激光干涉机构20产生外差激光干涉拍频信号的实现方式为：先将两束激光转变为两束准直激光；之后将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，其中，测量光束经过透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束被反射，参考光束经过透射后与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉；最后将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号。
为实现激光干涉机构20的功能，本实施例提供的激光干涉机构20可采用第一准直器21、第二准直器22、第一透镜23、第二透镜24、分光镜25和四象限光电探测器26。其关系为：第一移频器13与第一准直器21通过光纤连接，第二移频器14与第二准直器22通过光纤连接，第一准直器21与第一透镜23、分光镜25、角锥棱镜4、分光镜25、四象限光电探测器26依次连接形成测量光束的传播路线，第二准直器22和第二透镜24、分光镜25、四象限光电探测器26依次连接形成参考光束的传播路线。
具体地，本实施例提供的第一准直器21可选用适用于所选激光波长的激光准直器，其准直距离为1米，出射光斑直径为1毫米，从第一移频器13输出的激光经过第一准直器21后产生测量激光准直光束。第二准直器22可选用适用于所选激光波长的激光准直器，其准直距离为1米，出射光斑直径为1毫米，从第二移频器14输出的激光经过第二准直器22后产生参考激光准直光束。第一透镜23可选用适用于所选激光波长的凸透镜，其焦距为20厘米，镀增透膜；测量激光准直光束经过第一透镜23后先会聚再发散，产生波前弯曲的测量光束。第二透镜24可选用适用于所选激光波长的凸透镜，其焦距为20厘米，镀增透膜；参考激光准直光束经过第二透镜24后先会聚再发散，产生波前弯曲的参考光束。分光镜25可选用适用于所选激光波长的分光棱镜，分光比为50:50，镀增透膜；第一透镜23出射的测量光束经过分光镜25透射后到达待测物体40，待测物体40反射回的测量光束再次经过分光镜25反射到达四象限光电探测器26；第二透镜24出射的参考光束经过分光镜25透射后到达四象限光电探测器26。
分光镜25出射的参考光束和测量光束合束后发生干涉，并被四象限光电探测器26探测。其中，四象限光电探测器26包含四象限光电二极管及四路放大电路，四象限光电二极管将干涉光分为四个象限进行探测使干涉光信号转化为四路电流信号，放大电路将电流信号转化为模拟电压信号并进行放大。为保证信号获取的可靠性，四象限光电探测器26的带宽需设置为大于测量光束和参考光束之间的频差。
本实施例提供的数据处理机构30可包括相位解调器31和数据处理器32，四象限光电探测器26和相位解调器31通过信号线缆连接，相位解调器31和数据处理器32通过信号线缆连接。其中，相位解调器31用于将四路拍频电压信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上拍频电压信号的相位变化φ1～φ4，四象限上拍频电压信号的相位变化可以反映横向位移导致两束干涉光的差分波前变化；数据处理器32则用于根据该相位变化φ1～φ4计算待测物体的横向位移。
具体地，本实施例提供的相位解调器31可选用多通道数据采集卡，位数为12位或者更大，采样率为100kHz或者更大；相位解调器31将四象限光电探测器输出的模拟电压信号转换为数字信号，并采用通用相位解调算法得到四个象限输出正弦信号的相位数据。数据处理器32可采用计算机，使用LabView采集、处理和存储相位或者位移数据。
本实施例提供的数据处理器计算物体横向位移的原理为：物体横向位移会引起测量光束在四象限光电探测器26表面的横向移动，由于光束波前为弯曲状态，光束的横向位移将引起四象限光电探测器26不同象限上测量光束和参考光束的相位变化不同，在小范围内相位差变化和横向位移量之间近似为线性关系。当待测物体为角锥棱镜时，所测得的横向为位移具体为：Δx＝kx(φ1+φ2-φ3-φ4)和Δy＝ky(φ1-φ2-φ3+φ4)，其中φ1～φ4分别为四象限光电探测器26第一到第四象限上干涉光场的相位，Δx为角锥棱镜在第一个横向位移方向上的位移，Δy为角锥棱镜在第二个横向位移方向上的位移，kx和ky分别为相位差变化到二维横向位移的转换系数，该系数可经过标定测试得到。如果待测物体是从角锥棱镜改为直角棱镜，则只能测量一个方向的横向位移Δx，该横向位移方向垂直于其直角棱，位移和相位差的关系为Δx＝kx(φ1+φ2-φ3-φ4)。
本实施例提供的装置测量物体横向位移的工作机理为：(1)通过透镜增大激光在四象限光电探测器处的波前曲率；(2)利用角锥棱镜或直角棱镜将物体的横向位移转化为光束的横向位移；(3)光束横向位移导致干涉拍频信号的差分波前产生变化；(4)差分波前变化转化为四个象限上拍频信号的相位变化；(5)四象限光电探测器测量不同象限上拍频信号的相位变化；(6)数据处理机构根据不同象限上拍频信号的相位变化，计算物体的横向位移。
需要说明的是，角锥棱镜镀增透膜，精密调节角锥棱镜，可使得测量光束与参考光束产生干涉信号。角锥棱镜是一种常用光学元件，内部有三个反射面，具有反射光与入射光平行的特点。角锥棱镜可以替换为直角棱镜，但是使用直角棱镜只能测量一维横向位移。
本实施例提供的基于差分波前测量物体二维横向位移的装置，激光干涉机构采用透镜，将两准直光束先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，可增大两束激光的波前曲率参数，大幅提高差分波前信号的灵敏度；另外，利用干涉原理，使用差分相位信号计算物体横向位移信息，灵敏度高，噪声低，可有效提高测量横向位移的精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，包括：
外差光源机构，用于提供不同频率的两束激光；
激光干涉机构，用于将两束激光转变为两束准直激光，之后将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，其中，所述测量光束经过透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束被反射，所述参考光束经过透射后与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉，最后将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号；
数据处理机构，用于将四路干涉拍频信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上干涉拍频信号的相位变化φ1～φ4，然后根据该相位变化φ1～φ4计算待测物体的横向位移；当待测物体为角锥棱镜时，所述横向位移为角锥棱镜在垂直于接收光束方向上的二维横向位移Δx和Δy，当待测物体为直角棱镜时，所述横向位移为直角棱镜在垂直于其直角棱方向上的一维横向位移Δx，其中，Δx＝kx(φ1+φ2-φ3-φ4)，Δy＝ky(φ1-φ2-φ3+φ4)，式中kx和ky为相位差变化对应到两个方向上的横向位移的转换系数。
2.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，在所述激光干涉机构中，采用两准直器将两束激光转变为两束准直激光。
3.根据权利要求2所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，在所述激光干涉机构中，采用两透镜将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束。
4.根据权利要求3所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，两透镜均采用凸透镜，所述透镜上镀有增透膜。
5.根据权利要求3或4所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述激光干涉机构还包括分光镜和四象限光电探测器；其中，所述测量光束经过分光镜透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束再次经过分光镜反射至四象限光电探测器，参考光束经过分光镜透射后到达四象限光电探测器，并与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉；所述四象限光电探测器用于将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号。
6.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述外差光源机构包括激光器、分束器和两移频器；其中，分束器用于将激光器出射的激光分成两束相同的相干激光；两移频器用于调整两束相干激光的频率，以产生不同频率的两束激光。
7.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述数据处理机构包括相位解调器和数据处理器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310660838.2A CN116819551A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310660838.2A CN116819551A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116819551A true CN116819551A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88113722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310660838.2A Pending CN116819551A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116819551A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117537937A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-09 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
-
2023
- 2023-06-05 CN CN202310660838.2A patent/CN116819551A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117537937A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-09 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
| CN117537937B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-04-16 | 国科大杭州高等研究院 | 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107228638B (zh) | 基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置 | |
| CN102175376B (zh) | 多光束激光外差测量微冲量的装置及方法 | |
| CN109470176B (zh) | 基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置 | |
| CN102003935B (zh) | 一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法 | |
| CN108168465A (zh) | 一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置及方法 | |
| CN110057543B (zh) | 基于同轴干涉的波面测量装置 | |
| CN106949842B (zh) | 二维位移测量装置及测量方法 | |
| CN110567400A (zh) | 一种基于激光干涉的低非线性角度测量装置和方法 | |
| CN103940348A (zh) | 一种工作台运动误差多自由度检测的装置及方法 | |
| CN109470177B (zh) | 基于双光栅的三维角度测量方法与装置 | |
| CN116819551A (zh) | 一种基于差分波前测量物体横向位移的装置 | |
| CN116428966A (zh) | 一种三自由度激光干涉测量装置 | |
| Hahn et al. | A heterodyne interferometer for angle metrology | |
| CN109579744B (zh) | 基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置 | |
| US8195421B2 (en) | Velocity detector | |
| CN116558448A (zh) | 一种基于光楔的差分波前角度测量装置 | |
| CN116625529A (zh) | 一种大量程高精度差分波前传感测量装置 | |
| CN102322843A (zh) | 多光束激光外差高精度测量激光入射角度的方法 | |
| CN109458959B (zh) | 一种变倾角相移掠入射干涉仪测量装置及方法 | |
| CN114894123B (zh) | 一种高精密光楔角度测量装置及其测量方法 | |
| CN115825468A (zh) | 一种实时测量二维速度的装置 | |
| Zhao et al. | Analog electronic method for solving nonlinear errors of sinusoidal waves in interferometry | |
| CN114111570B (zh) | 一种基于二维自准直仪的图像定位计算方法和装置 | |
| CN113483726B (zh) | 一种小型化、高精度三维角度运动误差测量方法与系统 | |
| Kumar et al. | Towards the development of a hybrid-integrated chip interferometer for online surface profile measurements |
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 |