CN2577237Y - 静态位移实时干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

一种静态位移实时干涉测量装置，适用于静态位移的测量。包括两个波长不相等的带有驱动电源和温度控制器的光源。光源发射光束的传输路径全部在光纤、合波元件和光纤耦合器内进行。两驱动电源之间连接有控制初始相位相同的触发控制器。光电转换元件将接收到的干涉信号转换成电信号输入到信号处理器内。信号处理器的另外两个输入端口分别与两个驱动电源相连。经信号处理器处理的数据显示在数字显示器上。与在先技术相比，本实用新型能够实时得到测量结果，测量精度比在先技术提高两个数量级，达到小于10纳米。

Description

静态位移实时干涉测量装置

技术领域：

本实用新型涉及到静态位移实时干涉测量装置，特别涉及到使用正弦相位调制干涉测量的双波长纳米精度干涉测量装置。

背景技术：

在光学精密干涉测量中，正弦相位调制干涉测量是一种高精度的测量，位移测量可以达到纳米精度，但是测量范围只有半个光源波长。为了解决这个问题，日本新泻(Niigata)大学的佐佐木修已(Osami Sasaki)等人于1991年提供了一种双波长半导体激光干涉仪(在先技术[1]：“Two-wavelength sinusoidalphase-modulating laser-diode interferometer insensitive to external disturbances，”Applied Optics，Vol.30，No.28，4040-4045)。在此干涉仪中，采用了两个光源，利用合成波长技术将位移的测量范围扩大到152ìm，大大扩大了测量范围。遗憾的是此干涉仪测量精度较低，仅有0.6微米；而且使用体光学系统，体积较大；测量光束直径较大(1厘米左右)，不能用来测量尺寸微小的物体的位移；并且没有考虑激光器的温度控制措施，而温度变化引起的激光器波长漂移将造成测量误差。同时使用计算机使得测量不能实时进行。王向朝等发明人提供一种全光纤的大范围位移测量仪(在先技术[2]：发明人王向朝，步扬，王学锋，“全光纤大范围位移测量仪，”专利申请号：01126555.8)。该干涉仪大幅提高了测量范围，并且可以用于微小物体的测量，但是测量精度仍只达微米，而且也不能实时测量。

发明内容：

本实用新型的静态位移实时干涉测量装置，包括：

带有第一驱动电源1和第一温度控制器18的第一光源13发射的光束通过第一段光纤1301射入第一隔离器14内，由第一隔离器14出射后，通过第二段光纤1302由合波元件7的第二端口b射入，从合波元件7的第三端口c射出后，再通过第三段光纤1303由光纤耦合器8的第一端口P1射入，从光纤耦合器8的第三端口P3射出后，再通过第四段光纤1304，经过准直器15准直，透过部分反射元件16射到被测物体17上；由光纤耦合器8第二端口P2出射的光束经过第七段光纤801射到光电转换元件9上。由光纤耦合器8第四端口P4出射的光束经过第八段光纤802射到防反射元件12上；有波长λ₂不等于第一光源13的波长λ₁的带有第二驱动电源3和第二温度控制器4的第二光源5。由第二光源5发射的光束通过第五段光纤501，经过第二隔离器6，再经过第六段光纤502由合波元件7的第一端口a射入，同样从合波元件7的第三端口c射出后，再通过第三段光纤1303由光纤耦合器8的第一端口P1射入，从光纤耦合器8的第三端口P3射出后，再通过第四段光纤1304，经过准直器15准直，透过部分反射元件16射到被测物体17上；第一驱动电源1和第二驱动电源3之间连接有触发控制器2；有三个输入端口11a、11b、11c和一个输出端口11d的信号处理器11，信号处理器11的第一输入端口11a与光电转换元件9的输出端相连，信号处理器11的第二输入端口11b与第二驱动电源3相连，信号处理器11的第三输入端口11c与第一驱动电源1相连，信号处理器11的输出端口11d连接到数字显示器10上。如图1所示。

所说的信号处理器11的结构包括，信号处理器11的第一输入端口11a分别与第一乘法器1101、第二乘法器1121、第三乘法器1110和第四乘法器1111相连。其中第一乘法器1101与第一低通滤波器1103和第一模数转换器1104串联后接入第一存储器1105内。第二乘法器1121与第二低通滤波器1120和第二模数转换器1119串联后接入第一存储器1105内。第三乘法器1110与第三低通滤波器1108和第三模数转换器1107串联后接入第二存储器1106内。第四乘法器1111与第四低通滤波器1112和第四模数转换器1113串联后接入第二存储器1106内；信号处理器11的第二输入端口11b分别与第四乘法器1111和第六乘法器1109相连，其中第六乘法器1109与第三乘法器1110相连；信号处理器11的第三输入端口11c分别与第二乘法器1121和第五乘法器1102相连，其中第五乘法器1102与第一乘法器1101相连；第一存储器1105的输出经过第七乘法器1118至加法器1116以及依次经过减法器1114、除法器1115和第八乘法器1117至加法器1116；第二存储器1106的输出依次经过减法器1114、除法器1115和第八乘法器1117至加法器1116；加法器1116的输出接入数字显示器10内。如图2所示。

本实用新型的静态位移实时干涉测量装置，其结构如上述图1所示。带有第一驱动电源1和第一温度控制器18的第一光源13通过第一段光纤1301和第一隔离器14的输入端相连。第一隔离器14的输出端通过第二段光纤1302和合波元件7的第二端口b相连。第一驱动电源1和第二驱动电源3通过触发控制器2相连。带有第二驱动电源3和第二温度控制器4的第二光源5通过第五段光纤501和第二隔离器6的输入端相连。第二隔离器6的输出端通过第六段光纤502和合波元件7的第一端口a相连。合波元件7的第三端口c通过第三段光纤1303和光纤耦合器8的第一端口P1相连。光纤耦合器8的第三端口P3通过第四段光纤1304连接到准直器15。由准直器15射出的光束射向与准直器15同光轴放置的部分反射元件16和被测物体17。光纤耦合器8的第二端口P2、第四端口P4分别通过第七、八段光纤801、802连接到光电转换元件9和防反射元件12。光电转换元件9的输出与信号处理器11的第一输入端口11a连接。第一驱动电源1和第二驱动电源3的输出分别与信号处理器11的第三输入端口11c与第二输入端口11b连接。信号处理器11的输出由数字显示器10显示。

信号处理器11的内部结构如上述图2所示，第一输入端口11a分别连到第一乘法器的1101、第二乘法器1121、第三乘法器1110和第四乘法器1111。第三输入端口11c连接到第五乘法器1102和第二乘法器1121。第五乘法器1102的输出连接到第一乘法器1101。输入与第一乘法器1101输出相连的第一低通滤波器1103的输出连接到第一模数转换器1104。输入与第二乘法器1121输出相连的第二低通滤波器1120的输出连接到第二模数转换器1119。两个输入分别与第一模数转换器1104和第二模数转换器1119的输出连接的第一存储器1105的输出分别连接到第七乘法器1118和减法器1114。第七乘法器1118的输出连接到加法器1116的输入。信号处理器的第二输入端口11b分别连接到第六乘法器1109和第四乘法器1111。第三乘法器1110的另一个输入端口与第六乘法器1109相连。输入与第三乘法器1110输出相连的第三低通滤波器1108的输出连接到第三模数转换器1107。输入与第四乘法器1111输出相连的第四低通滤波器1112的输出连接到第四模数转换器1113。两个输入分别与第三模数转换器1107和第四模数转换器1113的输出连接的第二存储器1106的输出连接到减法器1114。减法器1114的输出输入到除法器1115，除法器1115输出输入到第八乘法器1117，第八乘法器1117的输出输入到加法器1116。

上面所说的第一光源13、第二光源5均是半导体激光器(也称激光二极管，简称为LD)，均作为测量光源用，而且两光源发射波长λ₁、λ₂不相等，即λ₁≠λ₂。

所说的第一驱动电源1提供直流、正弦交流信号给第一光源13。

所说的第二驱动电源3提供直流、正弦交流信号给第二光源5。

所说的第一温度控制器18控制第一光源13的温度，使第一光源13的温度仅在±0.05℃的范围内变化。

所说的第二温度控制器4控制第二光源5的温度，使第二光源5的温度仅在±0.05℃的范围内变化。

所说的第一、第二隔离器14、6是只能使光源13、5发射的光通过，而从光路中返回的光束不能通过，也就是说从光路中返回的光束射不到原发射光源13、5上。

所说的合波元件7是用来实现光束合路的光纤元件，可以是光纤耦合器、光纤复用器等。

所说的准直器15是指使其出射光为平行光的光学元件。

所说的部分反射元件16是指可以使一部分入射光透射，一部分入射光反射回去的元件。其中一面不反射，或反射率很低(反射率R＜0.005)，或其反射光不会反射到光纤中。同时另一面的反射光可以反射回到光纤中，其反射率满足(0.05＜R＜0.45)。

所说的光电转换元件9是光电二极管，或是光电池等。

所说的防反射元件12是指其反射回到光纤耦合器8的光强比从部分反射元件16反射回到光纤耦合器8的光强小100倍以上的光纤元件，如光纤准直器、端面为近似8度角的光纤连接器、或者直接将光纤末端浸入匹配液中。

所说的数字显示器10能够以数字显示输入信号的数值。

所说的触发控制器2使第一驱动电源1产生的正弦信号频率为第二驱动电源3的整数倍，同时使第二驱动电源3的交流信号和第一驱动电源1的初始相位均为零。

所说的信号处理器11是指通过处理光电转换元件9、第一驱动电源1与第二驱动电源3的输出信号，获得部分反射元件16和被测物体17之间光程差的信号处理电路。如图2所示。

信号处理器11中所说的第一乘法器1101、第二乘法器1121、第三乘法器1110、第四乘法器1111、第五乘法器1102与第六乘法器1109均为模拟乘法器。

信号处理器11中所说的减法器1114、第七乘法器1118、第八乘法器1117、除法器1115与加法器1116均为数字电路模块(已商业化)。

信号处理器11中所说的第一低通滤波器1103、第二低通滤波器1120、第三低通滤波器1108、第四低通滤波器1112均为四阶以上的低通滤波器。

信号处理器11中所说的第一存储器1105与第二存储器1106是只读存储器(ROM)或随机存储器(RAM)。

如上述图1所示的结构，带有第一驱动电源1和第一温度控制器18的第一光源13发出的光通过光纤1301入射到第一隔离器14。由第一隔离器14的出射光通过光纤1302入射到合波元件7的第二端口b。通过触发控制器2控制第二驱动电源3，带有第二驱动电源3和第二温度控制器4的第二光源5发出的光通过光纤501入射到第二隔离器6。由第二隔离器6的出射光通过光纤502入射到合波元件7的第一端口a。经合波元件7第三端口c出射后，再通过光纤1303入射到光纤耦合器8的第一端口P1。从光纤耦合器8的第四端口P4出射光通过光纤1303入射到防反射元件12后射出。防反射元件12的作用就是防止此处有光反射返回到光路中。从光纤耦合器8的第三端口P3出射光通过光纤1304入射到准直器15。经准直器15准直后的出射光入射到部分反射元件16上，由部分反射元件16透射的光射到被测物体17上再反射回来，其反射回来的光和部分反射元件16上未透过的反射光产生干涉，干涉信号光再通过准直器15和光纤1304进入光纤耦合器8，从光纤耦合器8的第二端口P2出射，通过光纤后801由光电转换元件9转换成电信号输入到信号处理器11的第一输入端口11a。第一驱动电源1和第二驱动电源3的输出分别输入到信号处理器11的第三输入端口11c和第二输入端口11b。信号处理器11处理部分反射元件16与被测物体17产生的干涉信号，得到光程差，光程差由数字显示器10显示，根据数字显示器10上的光程差可以得到被测物体17移动的位移。

具体的过程描述是：向第一光源13和第二光源5注入电流后，其波长分别为：

λ₁(t)＝λ₀₁+β₁Δi₁(t)，     (1)

λ₂(t)＝λ₀₂+β₂Δi₂(t)，     (2)β₁、β₂为比例常数，λ₀₁、λ₀₂为对应于驱动电流直流分量的中心波长。Δi₁(t)、Δi₂(t)为驱动电流的交流分量，表示为

Δi₁(t)＝a₁cos(ω_c1t+θ₁)，    (3)

Δi₂(t)＝a₂cos(ω_c2t+θ₂)，    (4)其中ω_c1、ω_c2分别为第一光源13和第二光源5的正弦相位调制的角频率，t为光源调制的时间，θ₁、θ₂为第一光源13和第二光源5的正弦相位调制的初始相位，a₁、a₂为驱动电流交流分量的幅度。

光电转换元件9检测到的干涉信号为： $S\left(t\right)=I_B\left(t\right)+I_{M_1}\left(t\right)\cos [z_1\cos ({\mathrm{\ω}}_{c1}t+{\mathrm{\θ}}_1)+{\mathrm{\α}}_{01}]+I_{M_2}\left(t\right)\cos [z_2\cos ({\mathrm{\ω}}_{c2}t+{\mathrm{\θ}}_2)+{\mathrm{\α}}_{02}],---\left(5\right)$ 其中I_B(t)为干涉信号的背景强度，I_M1(t)、I_M2(t)分别为两光源13、5的调制强度。z₁、z₂为干涉信号相位调制深度，根据在先技术[1]，部分反射元件16与被测物体17之间的光程差为：

Δl＝(α₀₁-α₀₂)λ_e/2π，       (6)式中

λ_e＝|λ₀₁λ₀₂/(λ₀₁-λ₀₂)|    (7)为合成波长。

如上述图2所示，光电转换元件9的信号输入到信号处理器11后，分别进入第一乘法器1101、第二乘法器1121、第三乘法器1110和第四乘法器1111。来自第一驱动电源1的信号进入第五乘法器1102和第二乘法器1121。第一乘法器1101的输出信号经过第一低通滤波器1103和第一模数转换器1104后得到数字化的cosα₀₁，类似地，从第二模数转换器1119的输出得到数字化的sinα₀₁，根据相应的cosα₀₁和sinα₀₁值，从第一存储器1105得到λ_eα₀₁/2π的值。同样地，从第二存储器1106的输出得到λ_eα₀₂/2π的值。第一存储器1105和第二存储器1106的输出输入到减法器1114相减，得到光程差Δl的粗略值。第一存储器1105的输出经过第七乘法器1118后得到λ₀₁α₀₁/2π。减法器1114的输出经过除法器1115后得到满足mλ₀₁≤Δl＜(m+1)λ₀₁的整数m值，再经过第八乘法器1117得到mλ₀₁，第七乘法器1118和第八乘法器1117的输出经过加法器1116后得到所求的光程差，

Δl＝mλ₀₁+λ₀₁α₀₁/2π，    (8)并由数字显示器10显示其数值，由于上式中等号右边的第一项能达到小于1nm的精度，第二项能达到几个纳米的精度，因此光程差的测量精度为几个纳米。

如果物体沿光轴由位置一移动到位置二，测得的光程差分别为Δl₁、Δl₂，则被测物体17的位移就可以根据数字显示器10的两次显示数值之差求出，即

d₁₂＝(Δl₂-Δl₁)/2                                 (9)这样我们就以几个纳米的精度求出了物体的位移。

若采用波长分别为785nm和780nm的LD，合成波长λ_e为122.46μm，位移的测量范围为61.23μm；若采用波长分别为1305.0nm和1308.0nm的LD，位移的测量范围为284.49μm，而测量精度均为几个纳米。与在先技术[1]相比，测量范围也扩大的前提下，测量精度大大提高了。而且测量不再需要计算机。

本实用新型与在先技术相比，具有显著的特点：

1)、与在先技术相比，本实用新型的静态位移实时干涉测量装置，在测量范围相同的情况下，测量精度提高了两个数量级，达到小于10纳米。

2)、与在先技术相比，本实用新型的静态位移实时干涉测量装置，采用信号处理器11实现所有运算，省却了计算机，可以实时得到测量结果。

3)、与在先技术相比，本实用新型的静态位移实时干涉测量装置，采用触发控制器2实现两个光源的正弦调制有相同的初始相位，保证相位α₀₁和α₀₂的测量精度。

附图说明：

图1为本实用新型的静态位移实时干涉测量装置的结构示意图。

图2为本实用新型的静态位移实时干涉测量装置中信号处理器11的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示的结构。通过控制触发控制器2使第一光源13与第二光源5正弦相位调制角频率的比值ω_c1/ω_c2＝10。其中第一光源13和第二光源5采用波长分别为λ₁＝1305.0nm和λ₂＝1308.0nm的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，合成波长λ_e为568.98ìm。光电转换元件9为光电二极管。防反射元件12为光纤连接器。合波元件7为光纤耦合器。光纤耦合器8的分束比为1∶1。部分反射元件12的反射率为27％。开始测量时，首先打开第一光源13和第二光源5，并用第一温度控制器18和第二温度控制器4分别使第一光源13和第二光源5的温度稳定。通过调节第一驱动电源1和第二驱动电源3的正弦交流信号的幅度使得z₁＝z₂＝2.34rad时，求得的位移的精度最高。当被测物体17在位置1时，数字显示器10上的数值为Δl₁＝2128nm，当被测物体17在位置2时，数字显示器10上的数值为Δl₂＝2543nm，则根据上述式(9)可以求出被测物体17的位移为207.5nm。

Claims (2)

1.一种静态位移实时干涉测量装置，包括：

<1>带有第一驱动电源(1)和第一温度控制器(18)的第一光源(13)发射的光束通过第一段光纤(1301)射入第一隔离器(14)内，由第一隔离器(14)出射后，通过第二段光纤(1302)由合波元件(7)的第二端口b射入，从合波元件(7)的第三端口(c)射出后，再通过第三段光纤(1303)由光纤耦合器(8)的第一端口(P1)射入，从光纤耦合器(8)的第三端口(P3)射出后，再通过第四段光纤(1304)，经过准直器(15)准直，透过部分反射元件(16)射到被测物体(17)上；

<2>由光纤耦合器(8)第二端口(P2)出射的光束经过第七段光纤(801)射到光电转换元件(9)上，由光纤耦合器(8)第四端口(P4)出射的光束经过第八段光纤(802)射到防反射元件(12)上；

其特征在于：

<3>有波长λ₂不等于第一光源(13)的波长λ₁的带有第二驱动电源(3)和第二温度控制器(4)的第二光源(5)，由第二光源(5)发射的光束通过第五段光纤(501)，经过第二隔离器(6)，再经过第六段光纤(502)由合波元件(7)的第一端口(a)射入，同样从合波元件(7)的第三端口(c)射出后，再通过第三段光纤(1303)由光纤耦合器(8)的第一端口(P1)射入，从光纤耦合器(8)的第三端口(P3)射出后，再通过第四段光纤(1304)，经过准直器(15)准直，透过部分反射元件(16)射到被测物体(17)上；

<4>第一驱动电源(1)和第二驱动电源(3)之间连接有触发控制器(2)；

<5>有包含三个输入端口(11a、11b、11c)和一个输出端口(11d)的信号处理器(11)，信号处理器(11)的第一输入端口(11a)与光电转换元件(9)的输出端相连，信号处理器(11)的第二输入端口(11b)与第二驱动电源(3)相连，信号处理器(11)的第三输入端口(11c)与第一驱动电源(1)相连，信号处理器(11)的输出端口(11d)连接到数字显示器(10)上。

2.根据权利要求1所述的静态位移实时干涉测量装置，其特征在于所说的信号处理器(11)的结构包括，信号处理器(11)的第一输入端口(11a)分别与第一乘法器(1101)、第二乘法器(1121)、第三乘法器(1110)和第四乘法器(1111)相连，其中第一乘法器(1101)与第一低通滤波器(1103)和第一模数转换器(1104)串联后接入第一存储器(1105)内，第二乘法器(1121)与第二低通滤波器(1120)和第二模数转换器(1119)串联后接入第一存储器(1105)内，第三乘法器(1110)与第三低通滤波器(1108)和第三模数转换器(1107)串联后接入第二存储器(1106)内，第四乘法器(1111)与第四低通滤波器(1112)和第四模数转换器(1113)串联后接入第二存储器(1106)内；信号处理器(11)的第二输入端口(11b)分别与第四乘法器(1111)和第六乘法器(1109)相连，其中第六乘法器(1109)与第三乘法器(1110)相连；信号处理器(11)的第三输入端口(11c)分别与第二乘法器(1121)和第五乘法器(1102)相连，其中第五乘法器(1102)与第一乘法器(1101)相连；第一存储器(1105)的输出分别经过第七乘法器(1118)连至加法器(1116)上和依次经过减法器(1114)、除法器(1115)和第八乘法器(1117)连至加法器(1116)上；第二存储器(1106)的输出依次经过减法器(1114)、除法器(1115)和第八乘法器(1117)连至加法器(1116)；加法器(1116)的输出接入数字显示器(10)内。

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