專利名稱：微位移實時干涉測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小位移干涉測量儀，特別是涉及到使用正弦相位調(diào)制的半導體激光微位移實時干涉測量儀。
向作為光源1的半導體激光器注入電流后，其強度和波長分別為g(t)＝β1[io+Δi(t)]， (1)λ(t)＝λo+β2Δi(t)， (2)io與Δi(t)分別為驅(qū)動電流的直流和交流分量，β1、β2為比例常數(shù)，λo為對應于直流分量io的中心波長。交流分量Δi(t)＝acos(ωct+θ) (3)接收元件6檢測到的干涉信號為I(t)＝Io(t)+so(t)cos[zcos(ωct+θ)+αo+α(t)] (4)其中Io(t)與so(t)為由于光源1的輸出光強被調(diào)制所產(chǎn)生的隨時間變化的函數(shù)，Z為干涉信號相位調(diào)制的振幅，αo＝2πro/λo，α(t)＝4πr(t)/λo，ro為被測物體5靜止時的光程差，r(t)為待測的微小位移。干涉信號經(jīng)處理電路7后由(4)式(Osami Sasaki Kazuhide Takahashi，and Takamasa Suzuki，“Sinusoidal phase modulating laser diode interferometer with afeedbacr control system to eliminate external disturbance，”O(jiān)pt.Eng.，1990，29(12)，1511-1515.)求得α(t)，進而求得微小位移r(t)。
由于光源1的光強g(t)被調(diào)制，使得Io(t)和so(t)隨時間變化，造成測量誤差。為消除該誤差，佐佐木修已先生采用軟件的方法來補償光源1輸出光強的變化，這種補償是在得到干涉信號后經(jīng)數(shù)據(jù)處理時實現(xiàn)的，僅為粗略補償，而且需根據(jù)外界條件的變化隨時對軟件進行修正。此干涉儀需要用戶根據(jù)外界條件的變化隨時修正軟件，這將給正確測量造成極大麻煩；并且這種方法需要對干涉信號進行傅立葉變換和逆變換，需要一定的運算時間，因此也不適合用于實時控制。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種微位移實時干涉測量儀，其特征在于它的構(gòu)成包括一光源帶有第一直流電源，在該光源發(fā)射光束前進方向上同光軸地依次置有第一透鏡、偏振分束器、分束器、參考平板和被測物體；在該分束器的反射光束f2方向置有接收元件，其輸出送單片機，再接顯示器；在該偏振分束器的反射光束f1前進的方向上，依次置有第二透鏡和調(diào)制光源；該調(diào)制光源帶有驅(qū)動器，該驅(qū)動器連接第二直流電源和移相器，該移相器的另一端接正弦信號發(fā)生器，該正弦信號發(fā)生器經(jīng)控制器接單片機。
光源和調(diào)制光源發(fā)出的光束是偏振面相互垂直的偏振光。
所述光源和調(diào)制光源均是半導體激光器。
所述的接收元件是光電二極管或光電池。
所述的偏振分束器為偏振分光棱鏡。
所述的分束器是可將入射光按1∶1的光強分成兩束光的元件，如分光棱鏡，一面鍍析光膜的平行平板。
所述參考平板是一平行平板，其靠分束器的一面鍍增透膜，近物體一面鍍增反膜，其反射率為0.08～0.73，透光率為0.27～0.92。
本發(fā)明的優(yōu)點有1)、由于干涉信號通過單片機來完成，能夠使整個系統(tǒng)高精度地實時完成信號的采集、處理和顯示，并且有效地擴大了系統(tǒng)的測量范圍。
2)、提高了測量精度。已有技術(shù)中，直接調(diào)制光源1的波長時，光源1的輸出光強隨時間變化，影響了干涉信號的強度。由于位移是根據(jù)該強度求出的，因此輸出光強的變化引入了測量誤差。本發(fā)明含有調(diào)制光源15，利用光熱效應調(diào)制光源1的波長，光源1的輸出光強不隨時間變化，避免了該測量誤差，提高了測量精度。
3)、已有技術(shù)的輸出光強變化是采用軟件方法補償?shù)?。該補償是在得到干涉信號后，數(shù)據(jù)處理時實現(xiàn)的，僅為粗略補償，存在殘留誤差，而且需根據(jù)外界條件的變化隨時對軟件進行修正。本發(fā)明避免了這一補償問題。
4)、就已有技術(shù)直接調(diào)制光源1波長的干涉儀來說，用戶必須根據(jù)外界條件的變化隨時修正軟件以補償光強變化，這給用戶正確使用該儀器帶來困難。本發(fā)明的干涉儀使用操作簡便。
上面所說的光源1和調(diào)制光源15均是采用波長為785nm的半導體激光器。
所說的接收元件6是光電二極管。
所說的偏振分束器17是偏振分光棱鏡。
所說的分束器3是鍍析光膜的平行平板。
所說的單片機是Aduc812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片。
參考平板18是透射率和反射率之比為1∶1.65的平行平板。r(t)＝62.47α(t)nm(α的單位為弧度)。
本發(fā)明的工作過程大致是作為光源1的LD由第一直流電源10驅(qū)動，使得光源1的光強不隨時間變化，光源1的波長由調(diào)制光源15正弦光波進行光熱調(diào)制。光源1發(fā)出的光由第一透鏡2準直，透過偏振分束器17和分束器3的透射光束t1照射到參考平板18上，透過參考平板18的透射光束t2照射到被測物體5上，參考平板18和被測物體5反射的光束產(chǎn)生的干涉信號由接收元件6轉(zhuǎn)換為電信號，送入單片機7處理，結(jié)果顯示在示波器8。正弦信號發(fā)生器11的信號經(jīng)移相器13后進入調(diào)制光源15的驅(qū)動器9，調(diào)制光源15發(fā)出的光由第二透鏡16準直，經(jīng)偏振分束器17反射后，由第一透鏡2聚焦于光源1上。光源1與調(diào)制光源15發(fā)出的光的偏振方向相互垂直，偏振分束器17使光源1的光透過而不反射到調(diào)制光源15上，同時使調(diào)制光源15的光入射到光源1上，其中被光源1反射的部分光束不會透過偏振分束器17。正弦信號發(fā)生器11通過移相器13向驅(qū)動器9加入正弦信號使調(diào)制光源15的輸出光強正弦變化，此光強照射到光源1上后，由于光熱效應，光源1的結(jié)溫相應正弦變化，使得干涉儀光源1的波長按正弦變化。接收元件6接收到的干涉信號的相位被正弦調(diào)制。由于光源1的注入電流為直流，光源1的輸出光強不隨時間變化，因此接收元件6接收到的干涉信號I(t)＝Io+Socos[zcos(ωct+θ)+αo+α(t)] (5)其中，Io與So分別為干涉信號直流分量與交流分量的振幅，z為干涉信號相位調(diào)制的振幅，αo＝2πro/λo，α(t)＝4πr(t)/λo，ro為被測物體5靜止時的光程差。r(t)為待測的微小位移。干涉信號經(jīng)單片機采用相位連續(xù)化(phase-mwrapping)處理后(Osami Sasaki and Hirokazu Okazaki，“Sinusoidalphase modulating interferometer using optical fibers for displacementmeasurement，”Appl.Opt.1988，27(19)，4139-4142.)求得α(t)，r(t)＝mπ/4+λoα(t)/4πo(6)其中m為整數(shù)，α(t)的測量精度達到0.01rad是較容易實現(xiàn)的。采用常用的波長為785nm的LD，位移的分辨率為0.62nm。若α的測量精度提高到0.001rad，則分辨率提高到0.062nm。
因光源1的輸出強度不隨時間變化，式(5)中的Io、So為常數(shù)，從而從根本上解決了調(diào)制波長時光強變化對測量的影響。
權(quán)利要求
1.一種微位移實時干涉測量儀，其特征在于它的構(gòu)成包括光源(1)帶有第一直流電源(10)，在該光源(1)發(fā)射光束前進方向上同光軸地依次置有第一透鏡(2)、偏振分束器(17)、分束器(3)、參考平板(18)和被測物體(5)；在該分束器(3)的反射光束f2方向置有接收元件(6)，其輸出送單片機(7)，再接顯示器(8)；在該偏振分束器(17)的反射光束f1前進的方向上，依次置有第二透鏡(16)和調(diào)制光源(15)；該調(diào)制光源(15)帶有驅(qū)動器(9)，該驅(qū)動器(9)連接第二直流電源(14)和移相器(13)，該移相器(13)的另一端接正弦信號發(fā)生器(11)，該正弦信號發(fā)生器(11)經(jīng)控制器(12)接單片機(7)；光源(1)和調(diào)制光源(15)發(fā)出的光束是偏振面相互垂直的偏振光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移實時干涉測量儀，其特征在于所述光源(1)和調(diào)制光源(15)均是半導體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移實時干涉測量儀，其特征在于所述的接收元件(6)是光電二極管或光電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移實時干涉測量儀，其特征在于所述的偏振分束器(17)為偏振分光棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移實時干涉測量儀，其特征在于所述的分束器(3)是可將入射光按1∶1的光強分成兩束光的元件，如分光棱鏡，一面鍍析光膜的平行平板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移實時干涉測量儀，其特征在于所述參考平板(8)是一平行平板，其靠分束器(3)的一面鍍增透膜，近物體(5)一面鍍增反膜，其反射率為0.08～0.73，透光率為0.27～0.92。
全文摘要
一種微位移實時干涉測量儀，其特點是它包括帶有第一直流電源的光源，在該光源發(fā)射光束前進方向上同光軸地依次置有第一透鏡、偏振分束器、分束器、參考平板和被測物體；在該分束器的反射光束f
文檔編號G01B9/02GK1431478SQ03115410
公開日2003年7月23日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者王向朝, 李代林, 劉英明 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所