CN1219230C - 高精度单f－p板角位移测量仪 - Google Patents

Abstract

一种高精度单F-P板角位移测量仪，它包含有带驱动电源的调制光源，沿着该调制光源发出的光束的前进方向上置有光束准直物镜和反射镜，在反射镜的反射光束的前进方向上置有待测物体，在该待测物体反射光的前进方向上置有F-P板和分束镜，该分束镜的端口b透射光束方向上置有透镜和光电转换元件，该光电转换元件与连接计算机的模数转换元件相连，在该分束镜的端口c反射光束方向上置有CCD图像探测器，该CCD图像探测器与连接计算机的模数转换元件相连。

Description

高精度单F-P板角位移测量仪

技术领域：

本发明是一种高精度单F-P板角位移测量仪。特别是涉及到单F-P板正弦相位调制半导体激光干涉仪。

背景技术：

全内反射差动探测角位移测量法是近年发展起来的高精度角位移测量方法(参见在先技术[1]Weidong Zhou and Lilong Cai，“An angular displacement interferometerbased on total internal reflection，”Meas.Sci.Technol.9，1647-1652(1998))，此方法的测量原理如下，激光束从玻璃介质平面入射到空气中，当入射角接近全反射临界角时，两介质界面上的反射激光束的光强将随入射角的增大而迅速增大。根据菲涅耳公式得出反射光强度的变化量与入射角改变量即角位移之间的线性关系式，通过探测两介质界面上反射光强度的变化量来得到角位移。由于此仪器直接利用探测到的光强来计算角位移，因此测量过程中任何杂散光的存在都会对测量结果造成影响，带入较大的测量误差。

F-P板结构简单，透射光束之间的光程差与光束到F-P板的入射角有明确的函数关系。但利用F-P板干涉来实现高精度角位移测量存在困难。这种方法需要精确确定入射光的初始角，需要高精度测量干涉光的相位差变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种高精度单F-P板角位移测量仪。

本发明的基本思想是：利用CCD探测F-P板两透射光束光斑的中心距来求取光线入射到F-P板的初始入射角，利用正弦相位调制(SPM)干涉求取干涉信号的相位变化。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度单F-P板角位移测量仪，它包含有带驱动电源的调制光源，沿着该调制光源发出的光束的前进方向上置有光束准直物镜和反射镜，在反射镜的反射光束的前进方向上置有待测物体，在该待测物体反射光的前进方向上置有F-P板和分束镜，该分束镜的端口b透射光束方向上置有透镜和第一光电转换元件，该第一光电转换元件与连接计算机的模数转换元件相连，在该分束镜的端口c反射光束方向上置有第二光电转换元件，该第二光电转换元件与连接计算机的模数转换元件相连。

所述的调制光源是半导体激光器。

所述的驱动电源提供直流、正弦交流信号给调制光源。

所述的第一光电转换元件是光电二极管，或是光电池。

所述的第二光电转换元件是CCD图像探测器。

所述的分束镜是分光棱镜，或两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。

所述的待测物体是指产生角位移的光学表面，如镜面、硅片表面、或金属表面。

本发明的优点：

1、本发明采用CCD探测F-P板两透射光束光斑的中心距，通过简单运算即得到了入射光的初始角。解决了采用F-P板干涉法测量角位移的难题之一，即入射光初始角的确定问题。

2、本发明单F-P板正弦相位调制激光干涉仪结构简单，能进行高精度的角位移测量。

3、本发明与在先技术[1]相比，采用正弦相位调制干涉术通过测干涉信号的相位来测量物体的角位移，增强了仪器对杂散光的抗干扰能力，减少了仪器的测量误差，提高了仪器的测量精度。

附图说明

图1为本发明高精度单F-P板角位移测量仪。

图2为被测物体5将激光束反射到F-P板6。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明高精度单F-P板角位移测量仪的结构示意图。本发明高精度单F-P板角位移测量仪包括：带有驱动电源1的调制光源2，沿着调制光源2发出的光束的前进方向上置有光束准直物镜3和反射镜4，在反射镜4的反射光束的前进方向上置有被测物体5。被测物体5反射光的前进方向上置有F-P板6和分束镜7。分束镜7端口b透射光束方向上置有透镜8和第一光电转换元件9，该第一光电转换元件9与连接计算机13的模数转换元件10相连。分束镜7端口c反射光束方向上置有第二光电转换元件11，该第二光电转换元件11与连接计算机13的模数转换元件12相连。

上面所说的调制光源2是半导体激光器(也称激光二极管，简称为LD)。

所说的驱动电源1提供直流、正弦交流信号给调制光源2。

所说的第一光电转换元件9是光电二极管，或是光电池等。

所说的第二光电转换元件11是CCD图像探测器。

所说的分束镜7是指能够将入射光按接近1∶1的光强比分成两束光的元件。如分光棱镜、两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板等。

所说的F-P板6是两面平行的透明平板。

所说的被测物体5是指产生角位移的光学表面，如：镜面、硅片表面、金属表面等。

本发明高精度单F-P板角位移测量仪具体工作过程是：带有驱动电源1的调制光源2发出的光通过准直物镜3后由反射镜4反射到被测物体5，被测物体5反射的光束通过F-P板6照射到分束镜7上。分束镜7把入射光分成反射光和透射光两路。其中反射光由分束镜7端口c出射照射到光电转换元件11上，光电转换元件11输出的电信号，经模数转换元件12转换成数字信号后进入计算机13；分束镜7端口b出射的透射光则由透镜8汇聚到光电转换元件9上，光电转换元件9输出的电信号经模数转换元件10转换成数字信号进入计算机13。

当光电转换元件9检测到干涉信号

        s(t)＝cos(z cos(ωt+θ)+α)，                        (1)

其中s(t)为光束透过F-P板6所形成的两束光产生的干涉信号。z为干涉信号s(t)的相位调制振幅，ω为驱动电源1的正弦相位调制信号频率，t为时间，α为被测物体5转动使干涉信号s(t)产生的相位变化。取α的初始相位为零有

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\πnh}}{\mathrm{\λ}}[\cos i_1-\cos (i_1+2{\mathrm{\Δ}i}^{\′})].---\left(2\right)$

其中λ为光源2的中心波长。n和h分别为F-P板6的折射率和上下表面间距。i₁为对应于初始入射角i在F-P板内的折射角，i₁+Δi′为对应于入射角i+Δi在F-P板内的折射角。见图2。由(2)式有

${\mathrm{\Δi}}^{\′}=\frac{\mathrm{\α}}{(4\mathrm{\πnh}/\mathrm{\λ})\sin i_1}.---\left(3\right)$

被测物体5的角位移δ可以由下式得到

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\Δi}}^{\′}}{2}\frac{\sqrt{1-{\sin }^2{i}_1}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2{i}_1}}=\frac{\mathrm{\α}}{(8\mathrm{\πh}/\mathrm{\λ})\sin i_1}\frac{\sqrt{1-{\sin }^2{i}_1}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2{i}_1}}.---\left(4\right)$

(4)式中的sini₁与从F-P板6透射出来的两束光之间的水平距离d存在如下关系：

${\sin i}_1=\left\{\right[(1+\frac{d^2}{{4h}^2})+\sqrt{{(1+\frac{d^2}{{4h}^2})}^2-{4n}^2\frac{d^2}{{4h}^2}}]/\left({2n}^2\right){\}}^{1/2}.---\left(5\right)$

带有驱动电源1的调制光源2发出的光通过准直物镜3后由反射镜4反射到被测物体5，被测物体5反射的光束通过F-P板6分成两束产生干涉。干涉光照射到分束镜7上被分成透射光和反射光两路。其中透射光被透镜8会聚到光电转换元件9上，模数转换元件10把光电转换元件9检测到的干涉信号s(t)转换成数字信号输入计算机进行处理，通过对s(t)作频谱分析可以得到α。从分束镜7出来的反射光照射到光电转换元件11上，模数转换元件12把光电转换元件11检测到的光强分布信号转换成数字信号，输入计算机信息处理后得到d值。n和h为F-P板6的参数，与d一起代入(5)式得到sini。再将α和sini及仪器参数λ、n和h代入(4)式便可得出被测物体5的角位移。

若选择调制光源2的波长为661nm，F-P板6的折射率和厚度分别为1.5163和12mm。由于使用正弦相位调制法测量干涉信号的相位变化α，其测量分辨率在0.01rad以上。将上述数据代入(4)式便可以得出角位移δ的测量分辨率在10^-8rad数量级。

本发明的高精度单F-P板角位移测量仪可以用来测量转动物体的角位移。

图1为本发明高精度单F-P板角位移测量仪的结构。其中，调制光源2采用中心波长为661nm的单模半导体激光器。在驱动电源1提供的直流和交流信号的驱动下，其出射光通过准直物镜3后由反射镜4反射到被测物体5，被测物体5反射的光束通过F-P板6分成两束产生干涉。F-P板6为两面高度平行的玻璃平板，其表面在波长661nm处镀90％的增反膜，其折射率和厚度分别为1.5163和12mm。干涉光照射到分束镜7上被分成透射光和反射光两路。分束镜7采用两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。其中透射光被透镜8会聚到光电转换元件9上，光电转换元件9为光电二极管。模数转换元件10把光电转换元件9检测到的干涉信号s(t)转换成数字信号输入计算机进行处理，通过对s(t)作频谱分析可以得到α。从分束镜7出来的反射光照射到光电转换元件11上，光电转换元件11为CCD图像探测器。模数转换元件12把光电转换元件11检测到的光强分布信号转换成数字信号输入计算机13进行处理我们可以得到d。n和h为F-P板6的参数，与d一起代入(5)式得到sini。再将α和sini及参数λ、n和h代入(4)式便可得出被测物体5的角位移。其测量分辨率在10^-8rad数量级。

经试用表明本发明具有下列优点：

1、发明采用CCD探测F-P板两透射光束光斑的中心距，通过简单运算即得到了入射光的初始角。解决了采用F-P板干涉法测量角位移的难题之一，即入射光初始角的确定问题。

2、本发明单F-P板正弦相位调制激光干涉仪结构简单，能进行高精度的角位移测量。

3、本发明与在先技术[1]相比，采用正弦相位调制干涉术通过测干涉信号的相位来测量物体的角位移，增强了仪器对杂散光的抗干扰能力，减少了仪器的测量误差，提高了仪器的测量精度。

Claims (7)

1、一种高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于它包含有带驱动电源(1)的调制光源(2)，沿着该调制光源(2)发出的光束的前进方向上置有光束准直物镜(3)和反射镜(4)，在该反射镜(4)的反射光束的前进方向上置有待测物体(5)，在被测物体(5)反射光的前进方向上置有F-P板(6)和分束镜(7)，该分束镜(7)的端口b透射光束方向上置有透镜(8)和第一光电转换元件(9)，该第一光电转换元件(9)与连接计算机(13)的模数转换元件(10)相连，所述的分束镜(7)的端口c反射光束方向上置有第二光电转换元件(11)，该第二光电转换元件(11)与连接计算机(13)的模数转换元件(12)相连。

2、根据权利要求1所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的调制光源(2)是半导体激光器。

3、根据权利要求1所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的驱动电源(1)提供直流、正弦交流信号给调制光源(2)。

4、根据权利要求1所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的第一光电转换元件(9)是光电二极管，或是光电池。

5、根据权利要求1所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的第二光电转换元件(11)是CCD图像探测器。

6、根据权利要求1所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的分束镜(7)是分光棱镜，或两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。

7、根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的高精度单F-P板角位移测量仪，其特征在于所述的待测物体(5)是指产生角位移的镜面、硅片表面、或金属表面。