專(zhuān)利名稱(chēng)：雙波長(zhǎng)光纖干涉大量程高分辨率位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測(cè)量系統(tǒng)，特別是涉及一種大量程及高分辨率位移測(cè)量系 統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的與此技術(shù)相接近的文獻(xiàn)有以下兩個(gè)[1]D. P. Hand, Τ. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones. "Profile measurementof optically rough surfaces by fiber-optic interferomtryOpt. Lett.，Vol. 18，No. 16，1993，P. 1361-1363. (Optics Letters (光學(xué)快報(bào))，第 18 卷，第 16 期，P. 1361-1363)文獻(xiàn)[1]的技術(shù)原理如圖1所示。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)法拉第隔離器和光纖3dB_耦合器后，到達(dá)測(cè)量頭，測(cè) 量頭是一個(gè)菲索干涉儀，一部分光被光纖端面反射作為參考光，另一部分光經(jīng)過(guò)自聚焦透 鏡聚焦后，投射到被測(cè)表面上，由被測(cè)表面反射重新回到系統(tǒng)中并與參考光發(fā)生干涉，干涉 信號(hào)由探測(cè)器Dl探測(cè)，干涉信號(hào)的相位決定于被測(cè)表面被測(cè)點(diǎn)的縱向高度；改變?cè)摷す?器的驅(qū)動(dòng)電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到四 個(gè)干涉信號(hào)，由于入射光波頻率不同，四個(gè)干涉信號(hào)的位相就不同，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，使相鄰 兩個(gè)干涉信號(hào)的相位差η /2，通過(guò)以下式子，即可解調(diào)出該點(diǎn)的光程差D，即完成單點(diǎn)的測(cè) 量
(τ _τ \D = -^-Ian'1 ^
4^ Ui JIn(η = 1,2,3,4)是第η次干涉信號(hào)的強(qiáng)度，c是光速，ν是入射光頻率。步進(jìn)電機(jī)再帶動(dòng)測(cè)量頭橫向掃描被測(cè)表面，即完成對(duì)被測(cè)表面的測(cè)量。[2]Dejiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion. "High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolutedisplacement measurement and on-line surface metrology，，，Optics Express, Vol. 12, Issue 23，2004，P. 5729-5734. (Optics Express (光學(xué)特快)，2004 年，第 12 卷，第 23 期，P. 5729-5734)文獻(xiàn)[2]的技術(shù)原理圖如圖2所示。此系統(tǒng)包含兩個(gè)光路幾乎重合的邁克爾遜干涉儀。一個(gè)邁克爾遜干涉儀是利用測(cè) 量臂上的光纖光柵和參考鏡作為反射鏡構(gòu)成，用于完成穩(wěn)定工作；另一個(gè)邁克爾遜干涉儀 是利用測(cè)量鏡和參考鏡作為反射鏡構(gòu)成，用于完成測(cè)量工作。因?yàn)閮蓚€(gè)干涉儀的參考臂共 用一個(gè)反射鏡，兩個(gè)干涉儀的參考臂光路完全重合，又由于兩個(gè)干涉儀的測(cè)量臂幾乎重合， 所以，一個(gè)干涉儀穩(wěn)定了，另一個(gè)干涉儀也就穩(wěn)定了。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出波長(zhǎng)為λ ^的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)3dB_耦合器后被分為兩路，一路被 光纖光柵反射，另一路被參考反射鏡反射。兩路反射光經(jīng)過(guò)3dB-耦合器后再次相遇并且發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器后，被另一個(gè)光纖光柵反射，再次經(jīng)過(guò)環(huán)行器，然后被探測(cè)器 探測(cè)，此探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)伺服電路處理后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管調(diào)節(jié)光纖干涉儀的參考 臂的長(zhǎng)度，使穩(wěn)定干涉儀的兩個(gè)干涉臂始終處于正交狀態(tài)(相位差為η /2)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 該干涉儀的目的。可調(diào)諧激光器發(fā)出的波長(zhǎng)入1]]可變的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)光纖3dB_耦合器后被分為兩路， 一路經(jīng)過(guò)光纖自準(zhǔn)直透鏡后再由測(cè)量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路經(jīng)過(guò)光纖自準(zhǔn)直透 鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經(jīng)過(guò)3dB-耦合器后相遇，形成干涉信號(hào)， 此干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器及光纖光柵后，被探測(cè)器探測(cè)，再經(jīng)過(guò)相位分析即測(cè)量出測(cè)量鏡的 位移。上述兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足是測(cè)量量程受入射光波波長(zhǎng)λ的限制，測(cè)量量程很小，小于λ/2，不能對(duì)大于半波 長(zhǎng)的大跨距的位移進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明融合合成波干涉和單波長(zhǎng)干涉的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大量程及高分辨率測(cè)量的目 的，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)波長(zhǎng)分別為入工和λ2的激光器、兩個(gè)3dB_耦合器、兩個(gè)環(huán)行 器、光纖光柵、自準(zhǔn)直透鏡、測(cè)量反射鏡、參考反射鏡、兩個(gè)探測(cè)器、壓電陶瓷、信號(hào)處理電 路、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和結(jié)果輸出組成。這兩個(gè)激光器發(fā)出的光同時(shí)作用于 一個(gè)光纖邁克爾遜干涉儀中。兩個(gè)波長(zhǎng)分別為入工和入2的激光器(1和2)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一個(gè)3dB_耦合器
(3)、第一個(gè)環(huán)行器(5)和第二個(gè)3dB-耦合器(4)后被分為兩路，分別到達(dá)自準(zhǔn)直透鏡，經(jīng) 過(guò)自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，變成兩束平行光束，分別垂直入射到測(cè)量反射鏡和參考反射鏡上，再 由測(cè)量反射鏡和參考反射鏡反射，重新進(jìn)入光纖邁克爾干涉儀中，在第二個(gè)3dB-耦合器
(4)相遇并生干涉。一路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第一個(gè)環(huán)行器(5)后被第一個(gè)探測(cè)器(PDl)探測(cè)，其 探測(cè)到的是由波長(zhǎng)入工和λ 2形成的合成波干涉信號(hào)。另一路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)環(huán)行器 (6)后到達(dá)光纖光柵(FBG)，由于光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)與其中一個(gè)激光器(2)發(fā)出的光的 波長(zhǎng)λ2相同，波長(zhǎng)為λ 2的干涉信號(hào)就被光纖光柵反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)第二個(gè)環(huán)行器(6)后，由 第二個(gè)探測(cè)器(PD2)探測(cè)。兩個(gè)探測(cè)器分別并同時(shí)探測(cè)到的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路和 A/D轉(zhuǎn)換卡后，由計(jì)算機(jī)同步采樣，并由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果輸出。所述信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生周期性鋸齒波，對(duì)參考光路中的壓電陶瓷PZT加周期性 的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)參考光路的光程，調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的幅值，使合成波干涉 信號(hào)的周期與鋸齒波的周期相同。上述第一個(gè)探測(cè)器(PDl)探測(cè)到由這兩個(gè)激光器發(fā)出的光形成的合成波干涉信 號(hào)，同時(shí)，利用光纖光柵只反射布拉格波長(zhǎng)的特性，以及波分復(fù)用技術(shù)，第二個(gè)探測(cè)器(PD2) 只探測(cè)到其中一個(gè)激光器發(fā)出的光形成的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)。因?yàn)楹铣刹ǜ缮嫘盘?hào)的周期為
合成波波長(zhǎng)的二分之一(合成波波長(zhǎng)為入5＝入1入2/入1－入2)，該測(cè)量系統(tǒng)利用PDl探測(cè)到的合成波干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程，所以，該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程為二分之一合成波波長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二分之一光波波長(zhǎng)，同時(shí)，利用PD2探測(cè)到的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè) 量分辨率，使得該測(cè)量系統(tǒng)有高的測(cè)量分辨率。該測(cè)量系統(tǒng)融合合成波干涉和單波長(zhǎng)干涉 的優(yōu)點(diǎn)，既具有大的測(cè)量量程又具有高的測(cè)量分辨率。本發(fā)明的有益效果主要有兩個(gè)1、本發(fā)明利用合成波干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程，使得測(cè)量量程為合成波 波長(zhǎng)人(Λ =^V)的二分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)的二分之一光波波長(zhǎng)的測(cè)量量程。2、本發(fā)明利用單波長(zhǎng)干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率，使得測(cè)量系統(tǒng)在具有 大測(cè)量量程的同時(shí)，仍然具有光波干涉測(cè)量的高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[1]的總原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[2]的實(shí)現(xiàn)表面測(cè)量原理圖；圖3是本發(fā)明原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖3和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)波長(zhǎng)分別為X1*入2的激光器1和2、兩個(gè)3dB_耦合器 3和4、兩個(gè)環(huán)行器5和6、光纖光柵FBG、自準(zhǔn)直透鏡、測(cè)量反射鏡、參考反射鏡、兩個(gè)探測(cè)器 PDl和PD2、壓電陶瓷、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和結(jié)果輸出組成。這 兩個(gè)激光器發(fā)出的光同時(shí)作用于一個(gè)光纖邁克爾遜干涉儀中。如圖3所示，兩個(gè)波長(zhǎng)分別為X1和λ 2的激光器1和激光器2發(fā)出的光經(jīng)過(guò) 3dB-耦合器3、環(huán)行器5和3dB-耦合器4后被分為兩路，分別到達(dá)自準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過(guò)自準(zhǔn)直 透鏡準(zhǔn)直后，變成兩束平行光束，分別垂直入射到測(cè)量反射鏡和參考反射鏡上，再由測(cè)量反 射鏡和參考反射鏡反射，重新進(jìn)入光纖邁克爾干涉儀中，在3dB-耦合器4相遇并生干涉。一 路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器5后被探測(cè)器PDl探測(cè)，探測(cè)器PDl探測(cè)到的是由波長(zhǎng)A1*入2形 成的合成波干涉信號(hào)。另一路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器6后到達(dá)光纖光柵FBG，由于FBG的布拉 格波長(zhǎng)與激光器2發(fā)出的光的波長(zhǎng)λ2相同，波長(zhǎng)為λ 2的干涉信號(hào)就被FBG反射回來(lái)，經(jīng) 過(guò)環(huán)行器6后，由探測(cè)器PD2探測(cè)。PDl和PD2分別并同時(shí)探測(cè)到的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理 電路和A/D轉(zhuǎn)換卡后，由計(jì)算機(jī)同步采樣，并由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)測(cè)量反射鏡發(fā)生位移時(shí)，PDl和PD2探測(cè)到的干涉信號(hào)將發(fā)生周期地變化，PDl
探測(cè)到的合成波干涉信號(hào)的變化周期為λ3/2，λd＝λ1λ2/λ1－λ2為合成波波長(zhǎng)，PD2探測(cè)到的單
波長(zhǎng)干涉信號(hào)的變化周期為λ2/2，因?yàn)槿?遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于λ 2，本測(cè)量系統(tǒng)用合成波干涉信號(hào)的 周期決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程，極大擴(kuò)大了測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程。當(dāng)測(cè)量反射鏡發(fā)生小于λ s/2的位移Ad時(shí)，PD2探測(cè)到的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位
變化量為<formula>formula see original document page 6</formula>(I)由PDl和PD2探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理和A/D轉(zhuǎn)換卡以后，轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)程序處理后得出，再由以下計(jì)算公式經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，即可得出 測(cè)量反射鏡的位移Ad:<formula>formula see original document page 6</formula>(2)式中λ 2為激光器2的波長(zhǎng)。由方程(1)可知只要解調(diào)出單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位 變化量Δ^，經(jīng)過(guò)(2)式，即可得出測(cè)量反射鏡的位移Ad。為了解調(diào)出由PDl探測(cè)到的合成波干涉信號(hào)所決定的As/2內(nèi)，由于測(cè)量反射鏡 的位移△ d引起的PD2探測(cè)到的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位的變化量，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)參考光路 中的壓電陶瓷PZT加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)參考光路的光程。調(diào)節(jié)鋸齒 波電壓的幅值，使得鋸齒波電壓的周期與PDl測(cè)量到的合成波干涉信號(hào)周期相同。周期性 鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷PZT線性調(diào)節(jié)參考光路的光程，在測(cè)量反射鏡發(fā)生位移前，計(jì)算 機(jī)程序確定合成波干涉信號(hào)的峰值點(diǎn)的位置，當(dāng)測(cè)量反射鏡發(fā)生位移△(!后，再由計(jì)算機(jī) 程序確定合成波干涉信號(hào)的峰值點(diǎn)的位置。計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出這兩個(gè)合成波干涉信號(hào)的峰 值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)PD2探測(cè)到的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位的變化，即得Δ識(shí)。為了舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，描述了上述的具體實(shí)例。但本發(fā)明的其他變化和修 改，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，在本發(fā)明無(wú)公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)質(zhì)和基本原則范圍內(nèi)的任 何修改/變化或仿效變換都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種雙波長(zhǎng)光纖干涉大量程高分辨率位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于它是由波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的兩個(gè)激光器(1和2)、兩個(gè)3dB-耦合器(3和4)、兩個(gè)環(huán)行器(5和6)、光纖光柵(FBG)、兩個(gè)探測(cè)器(PD1和PD2)、自準(zhǔn)直透鏡、測(cè)量反射鏡、參考反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和結(jié)果輸出組成；兩個(gè)波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的激光器(1和2)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一個(gè)3dB-耦合器(3)、第一個(gè)環(huán)行器(5)和第二個(gè)3dB-耦合器(4)后被分為兩路，分別到達(dá)自準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過(guò)自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，變成兩束平行光束，分別垂直入射到測(cè)量反射鏡和參考反射鏡上，再由測(cè)量反射鏡和參考反射鏡反射，重新進(jìn)入光纖邁克爾干涉儀中，在第二個(gè)3dB-耦合器(4)相遇并生干涉；一路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第一個(gè)環(huán)行器(5)后被第一個(gè)探測(cè)器(PD1)探測(cè)，其探測(cè)到的是由波長(zhǎng)λ1和λ2形成的合成波干涉信號(hào)，另一路干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)環(huán)行器(6)后到達(dá)光纖光柵(FBG)，由于光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)與其中一個(gè)激光器(2)發(fā)出的光的波長(zhǎng)λ2相同，波長(zhǎng)為λ2的干涉信號(hào)就被光纖光柵反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)第二個(gè)環(huán)行器(6)后，由第二個(gè)探測(cè)器(PD2)探測(cè)，兩個(gè)探測(cè)器分別并同時(shí)探測(cè)到的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換卡后，由計(jì)算機(jī)同步采樣，并由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)光纖干涉大量程高分辨率位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征 在于信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生周期性鋸齒波，對(duì)參考光路中的壓電陶瓷PZT加 周期性的鋸齒 波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)參考光路的光程，調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的幅值，使合成波干涉信號(hào)的 周期與鋸齒波的周期相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)光纖干涉大量程高分辨率位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征<formula>formula see original document page 2</formula>在于第一個(gè)探測(cè)器(PDl)探測(cè)到的合成波干涉信號(hào)的合成波波長(zhǎng)為毛，合成波<formula>formula see original document page 2</formula>^干涉信號(hào)的周期為λ Jl ；第二個(gè)探測(cè)器(PD2)探測(cè)到波長(zhǎng)λ 2的干涉信號(hào)的周期為λ 2/2， 合成波干涉信號(hào)用于決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程，使測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程擴(kuò)大為二分之一合 成波波長(zhǎng)，波長(zhǎng)λ 2的干涉信號(hào)用于決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙波長(zhǎng)光纖干涉大量程高分辨率位移測(cè)量系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。所述系統(tǒng)由波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的兩個(gè)激光器、兩個(gè)3dB-耦合器、兩個(gè)環(huán)行器、光纖光柵、兩個(gè)探測(cè)器、自準(zhǔn)直透鏡、測(cè)量反射鏡、參考反射鏡、壓電陶瓷、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和結(jié)果輸出組成；本發(fā)明利用合成波干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程，使得測(cè)量量程為合成波波長(zhǎng)的二分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)的二分之一光波波長(zhǎng)的測(cè)量量程，利用單波長(zhǎng)干涉信號(hào)決定測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率，使得測(cè)量系統(tǒng)在具有大測(cè)量量程的同時(shí)仍然具有波長(zhǎng)干涉量程的高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101825432SQ20101013759
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者孫金嶺, 宋丁, 張濤, 王穎, 謝芳 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)