微位移高精度實時幹涉測量儀的製作方法

2023-05-11 14:22:31 1

專利名稱：微位移高精度實時幹涉測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及位移幹涉測量技術，特別是一種採用正弦相位調製的半導體雷射微位移高精度實時幹涉測量儀。
背景技術：
在光學精密幹涉測量中，正弦相位調製幹涉測量技術具有較高的測量精度，位移測量精度可達到納米量級。半導體雷射器(以下簡稱為LD)具有體積小、用電省、價格低、波長調製簡便等特點，在採用光外差技術的幹涉儀中通過直接調製LD的注入電流來實現正弦相位調製，不僅可以提高測量精度，還可以使幹涉儀的結構更為簡單。比如日本新瀉大學的鈴木孝昌(Takamasa Suzuki)等人提出的用來測量振動的幹涉儀(在先技術[1]Takamasa Suzuki，Takao Okada，Osami Sasaki，Takeo Maruyama，「Real-time vibration measurement using a feedback type of laser diodeinterferometer with an optical fiber」，Opt.Eng.，1997，36(9)，2496-2502)，其結構簡單，調製精確，可以對待測量物體任何部位振動進行測量；不需要參考面，具有相位補償功能，反饋電路消除了外界振動幹擾；能實時得到振動位移。在此基礎上，中國科學院上海光學精密機械研究所的宋松等人提出了另一種半導體雷射微小振動實時幹涉測量儀(在先技術[2]宋松，王向朝，王學鋒，鋒鋒，盧洪斌，「半導體雷射微小振動實時幹涉測量儀」，光學學報，2001，21(5)，578-580；在先技術[3]宋松，王向朝，王學鋒，鋒鋒，陳高庭，「採用同步相位檢測的微小振動實時測量」，中國雷射，2001，28(8)，753-756)。此幹涉儀的幹涉信號由探測元件轉換成電信號，由信號處理電路進行數據處理得到振動的位移。
在先技術[2，3]，半導體雷射器的波長與強度分別為
λ(t)＝λ0+β1Δi(t)， (1)g(t)＝β2[i0+Δi(t)]， (2)i0為驅動電流的直流分量，Δi(t)為驅動電流的交流分量，β1為波長調製係數，β2為光強調製係數，λ0為直流分量i0對應的中心波長。調製電流為Δi(t)＝acos(ω0t+θ) (3)式中a是調製電流振幅。
探測元件檢測到的幹涉信號為S(t)＝S0(t)+S1(t)cos[zcos(ω0t+θ)+α0+αr(t)]， (4)S0(t)與S1(t)被光強調製隨時間變化，z＝4πβ1β2aD0/λ02為正弦相位調製深度。式中α(t)為α0與αr(t)的和。幹涉信號經過信號處理電路處理後得到探測信號P(t)為P(t)＝KaJ1(z)sinα(t)，(5)式中K是信號處理電路的放大倍數，J1(z)為第1階貝塞爾函數。
由上述可知，幹涉信號經信號處理電路處理後得到相位α(t)，從而可得到微小位移r(t)。由於半導體雷射器的光強被調製，使得S0(t)、S1(t)隨時間變化，造成測量誤差。同時，(5)式中的位移同初始光程差2D0、電路放大倍數K、調製深度z和貝塞爾函數值有關，它們對測量精度有影響，測試前要校正。在先技術[1]也沒有解決光強被調製的問題，光強調製引起幹涉信號的直流成分和交流振幅成分隨時間變化，對測量精度有較大的影響。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種微位移高精度實時幹涉測量儀，以解決直接調製半導體雷射器波長引起的光強變化與幹涉儀參數，包括初始光程差2D0，電路放大倍數K，調製深度z和貝塞爾函數值對測量精度的影響，使微位移測量不需要校正、操作方便，而且測試結果可靠。
本發明的技術解決方案如下一種微位移高精度實時幹涉測量儀，包括由半導體雷射器、準直擴束鏡、分束器、參考平板、待測量物體和探測元件組成的泰曼格林幹涉儀，其特點是所述的探測元件的輸出端接實時信號處理電路輸入端、該實時信號處理電路輸出端接歸一化電路輸入端，該歸一化電路輸出端接單片機輸入端，該單片機具有相位連續化處理軟體，該單片機的輸出端與示波器的輸入端相連，直流電源和信號源通過調製器與所述的半導體雷射器相連接，所述的信號源還與所述的實時信號處理電路相連接。
所述的分束器是將入射光按1∶1的光強分成兩束光的元件，由分光稜鏡或者一面鍍析光膜的平行平板構成。
所述參考平板是一光學平板，其靠近分束器的一面鍍有高反射膜。
所述的探測元件是光電二極體、或光電池、或光電倍增管。
所述的實時信號處理電路由二個放大器、一個乘法器)、一個濾波器構成。
所述歸一化電路由乘方運算電路、濾波電路、開方運算電路和除法運算電路串連構成。
所述單片機計算和示波器顯示的功能由一臺計算機完成。
本發明的優點1)、消除了光強的影響。已有技術中，直接調製半導體雷射器的波長時，半導體雷射器的輸出光強隨時間變化，而被測量位移是根據該光強求出的，所以輸出光強的變化引入了測量誤差。本發明利用歸一化電路消除了光強對測量精度的影響。
2)、在先技術[2]，無法精確測量初始光程差2D0，因此不能精確地得到貝塞爾函數值。使用時需要校正，這給用戶正確使用該儀器帶來困難。本發明消除了初始光程差2D0的影響，使幹涉儀的操作更為簡單。
3)、在先技術[2]，電路放大倍數無法精確測量，並且電路放大倍數將隨環境溫度變化而變化。本發明消除了電路放大倍數對測量精度的影響。
4)、本發明的方法抗外界幹擾能力強。
5)、本發明的測量範圍超出半個波長，擴大了測量範圍。


圖1為本發明微位移高精度實時幹涉儀實施例結構圖。
圖2為本發明實時信號處理電路和規一化電路的信號流程圖。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1為本發明的微位移高精度實時幹涉儀實施實例結構示意圖。由圖可見，本發明微位移高精度實時幹涉儀帶有直流電源11的半導體雷射器1發射光束前進方向上同光軸依次放置有透鏡2，分束器3，待測量物體5；該分束器3的反射光束f1前進方向上放置參考平板4。光束f1經參考平板4反射的光束f2前進方向上放置有探測元件6，構成泰曼格林幹涉儀，與探測元件6依次串連的是實時信號處理電路7、歸一化電路8、單片機9，最後由示波器10顯示測量結果。直流電源11、信號源12與調製器13相連接。信號源12還與實時信號處理電路7相連接。半導體雷射器1與調製器13相連接。
在本實施例中，所述的半導體雷射器1是中心波長為785nm的半導體雷射器。所述的分束器3是將光強按1∶1分成兩束光的分光稜鏡。所述的參考平板4是一鍍金平面鏡。所述的探測元件6是一光電二極體。
所述的實時信號處理電路7由第一放大電路701、第二放大電路702、乘法電路703，濾波電路704構成。第一放大電路701由晶片LM232構成，第二放大電路702由晶片LM232構成。乘法電路703由晶片AD532構成，濾波電路由晶片LF356與跟隨器BC108構成。
所述歸一化電路8由乘方電路801、濾波電路802、開方電路803、除法電路804構成。乘方電路801由兩路輸入相同的晶片AD532構成。濾波電路802是一π型濾波器。開方電路803由晶片LM232構成。除法電路804由晶片AD538構成。
所述單片機9是一型號為ADuc812的單片機。所述示波器10是一具有存儲功能的數字示波器。所述信號源12是一信號發生器。所述調製器13是一雷射電流調製器。
本發明微位移高精度實時幹涉儀的工作過程是半導體雷射器1由直流電源11驅動，半導體雷射器1的波長被信號發生器12輸出的正弦信號調製。半導體雷射器1發出的光束經準直擴束鏡2準直擴束後，照射到分光稜鏡3上，一束光分成兩束光，反射光束f1照射到參考平板4上，另一透射光束t1照射到待測量物體5上。參考平面鏡4和待測量物體5反射的光束f2和t2產生的幹涉信號由探測元件6轉換成電信號，該幹涉信號為S(t)＝S0(t)+S1(t)cos[zcos(ω0t+θ)+α0+α(t)]，(6)α0＝4πD0/λ0， (7)α(t)＝4πr(t)/λ0， (8)2D0是所述的泰曼幹涉儀的兩幹涉臂之間的光程差，r(t)表示待測量物體5的微小位移。在圖2中，上述電信號S(t)與調製信號acos(ωct+θ)分別經過信號處理電路7中的第一放大器701、第二放大器702放大後(增益分別為K1、K2)，由運算與濾波電路703進行乘法運算(係數為Kc)與低通濾波(增益為KL)後得到探測信號P(t)Ps(t)＝K1K2KcKLS1AJ1(z)sinα(t)＝Kssinα(t)， (9)
其中Ks＝K1K2KcKLS0AJ1(z)；A為信號發生器12輸出的正弦相位調製電壓信號的振幅。
探測信號P(t)經過歸一化電路8的乘方電路801作乘方為P1(t)=Ks2sin2(t).---(10)]]>設α(t)的頻率為ω，選用截止頻率為1.5ω的低通濾波802作濾波運算得，得P2(t)=Ks2,---(11)]]>用開方電路803對P2(t)作開方運算得P3(t)＝Ks， (12)由除法電路804對(9)式和(12)式除法運算，得到被測量信號P(t)P(t)＝sinα(t)。 (13)其信號處理框圖如圖2所示.
將被測量信號P(t)輸入單片機9，該單片機9具有相位連續化處理(參見在先技術[4]王學鋒，王向朝等，用於納米精度大範圍位移測量的半導體雷射幹涉儀，中國雷射，2001，28(5))計算方法編制的軟體，經相位連續化處理計算得到相位α(t)，再計算得到被測量位移為r(t)＝mπ/4+λ0α(t)/(4π)。(14)其中m為整數。相位的測量精度可達0.001rad，測量的解析度為0.1nm，並擴大了位移測量範圍。
由(13)式可以看出，測量信號P(t)與半導體雷射器1輸出的光強變化無關，從(14)式得到的位移從根本上消除了波長調製時光強變化對測量結果的影響。測量信號P(t)與測量參數，如兩幹涉臂之間的初始光程差2D0、電路放大倍數K1、K2、Kc、KL、調製深度z和貝塞爾函數值無關。
由此可見，本發明提高了位移測量精度，其測量範圍超過一個波長以上，使用時不需要校正，操作簡便，可靠性高。
權利要求
1.一種微位移高精度實時幹涉測量儀，包括由半導體雷射器(1)、準直擴束鏡(2)、分束器(3)、參考平板(4)、待測量物體(5)和探測元件(6)組成的泰曼格林幹涉儀，其特徵在於所述的探測元件(6)的輸出端接實時信號處理電路(7)輸入端、該實時信號處理電路(7)輸出端接歸一化電路(8)輸入端，該歸一化電路(8)輸出端接單片機(9)輸入端，該單片機(9)具有相位連續化處理軟體，該單片機9的輸出端與示波器(10)的輸入端相連，直流電源(11)和信號源(12)通過調製器(13)與所述的半導體雷射器(1)相連接，所述的信號源(12)還與所述的實時信號處理電路(7)相連接。
2.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述的分束器(3)是將入射光按1∶1的光強分成兩束光的元件，由分光稜鏡或者一面鍍析光膜的平行平板構成。
3.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述參考平板(4)是一光學平板，其靠近分束器的一面鍍有高反射膜。
4.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述的探測元件(6)是光電二極體、或光電池、或光電倍增管。
5.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述實時信號處理電路(7)由二個放大器(701、702)、一個乘法器(703)、一個濾波器(704)構成。
6.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述歸一化電路(8)由乘方運算電路(801)、濾波電路(802)、開方運算電路(803、除法運算電路(804)串連構成。
7.根據權利要求1所述的微位移高精度實時幹涉測量儀，其特徵在於所述單片機(9)計算和示波器(10)顯示的功能由一臺計算機完成。
全文摘要
一種微位移高精度實時幹涉測量儀，包括由半導體雷射器、準直擴束鏡、分束器、參考平板、待測量物體和探測元件組成的泰曼格林幹涉儀，其特點是所述的探測元件的輸出端依次串連接實時信號處理電路歸一化電路和單片機，該單片機具有相位連續化處理軟體，該單片機的輸出端與示波器的輸入端相連，直流電源和信號源通過調製器與所述的半導體雷射器相連接，所述的信號源還與所述的實時信號處理電路相連接。本發明的優點是提高了位移測量精度，擴展測量範圍，使用時不需要校正，操作簡便，可靠性高。
文檔編號G01B11/02GK101033939SQ20071003726
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者何國田, 王向朝 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所