專利名稱：用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕對(duì)距離測(cè)量干涉儀，特別是一種用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
距離測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)及科研中占有重要地位。干涉測(cè)量技術(shù)因?yàn)榫哂懈呔?、高分辨率、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于絕對(duì)距離測(cè)量。正弦相位調(diào)制干涉技術(shù)是一種國(guó)際前沿的干涉測(cè)量技術(shù)，具有精度高、調(diào)制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來受到研究人員的重視，在絕對(duì)距離測(cè)量領(lǐng)域得到了很大發(fā)展。用于絕對(duì)距離測(cè)量的正弦相位調(diào)制干涉儀具有納米精度，但測(cè)量范圍只有半個(gè)波長(zhǎng)。為了解決這個(gè)問題，0. ^saki等提出了一種雙波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光干涉儀(在先技術(shù)[1] “Two-wave1ength sinusoidal phase modulating laser-diodeinterferometer insensitive to external disturbances", Appl. Opt. 30，4040-4045，1991)。此干涉儀采用兩個(gè)光源，利用合成波長(zhǎng)技術(shù)將測(cè)量范圍擴(kuò)大到152 μ m，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，但仍然無法滿足厘米量級(jí)的大范圍測(cè)量，此外，由于在測(cè)量過程中，利用近似的干涉信號(hào)表達(dá)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
權(quán)利要求
1.一種用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀，特征在于其結(jié)構(gòu)包括所述的用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀構(gòu)成包括帶有第一光源控制器O)的第一光源(1)、帶有第二光源控制器(11)的第二光源(10)、第一光纖耦合器(3)、第二光纖耦合器(5)、隔離器0)、 準(zhǔn)直器(6)、光電探測(cè)器(7)、壓電陶瓷(9)、數(shù)據(jù)采集卡(1 和計(jì)算機(jī)(13)，所述的第一光源控制器( 為第一光源(1)提供直流驅(qū)動(dòng)電流、三角波交流電流或正弦交流電流，由第一光源(1)發(fā)射的光束通過第一段光纖(301)進(jìn)入第一光纖耦合器(3)內(nèi)，由第一光纖耦合器(3)出射后，通過第二段光纖(30 進(jìn)入隔離器G)，由隔離器出射后，通過第三段光纖(501)進(jìn)入第二光纖耦合器(5)內(nèi)，由第二光纖耦合器(5)出射后通過第四段光纖(502)，經(jīng)過準(zhǔn)直器(6)準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體(8)上，由被測(cè)物體(8)表面反射的光和由準(zhǔn)直器(6)出射端面反射的光通過準(zhǔn)直器(6)后，經(jīng)由第二光纖耦合器(5)、第五段光纖 (503)入射到光電探測(cè)器(7)內(nèi)，所述的第二激光控制器(11)為第二光源(10)提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流電流，第二光源(10)的中心波長(zhǎng)不等于第一光源(1)的中心波長(zhǎng)，由第二光源(10)發(fā)射的光束通過第六段光纖(30 進(jìn)入第一光纖耦合器(3)，由第一光纖耦合器(3)出射后，通過第二段光纖(30 射入隔離器G)，由隔離器出射后，通過第三段光纖(501)進(jìn)入第二光纖耦合器(5)內(nèi)，由第二光纖耦合器(5)出射后通過第四段光纖 (502)，經(jīng)過準(zhǔn)直器(6)準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體⑶上，由被測(cè)物體⑶表面反射的光和由準(zhǔn)直器(6)端面反射的光通過準(zhǔn)直器(6)后，經(jīng)由第二光纖耦合器(5)、第五段光纖(503) 進(jìn)入所述的光電探測(cè)器(7)內(nèi)，準(zhǔn)直器(6)上固定有壓電陶瓷(9)，數(shù)據(jù)采集卡(1 的第一輸出端口(12b)與第一光源控制器( 相連，第二輸出端口(12c)與第二光源控制器(11) 相連，第三輸出端口(12e)與計(jì)算機(jī)(13)的輸入端相連，第四輸出端口(12f)與壓電陶瓷 (9)相連，第一輸入端口(12a)與所述的光電探測(cè)器(7)的輸出端相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡 (12)的第二輸入端口(12d)與計(jì)算機(jī)(1 的輸出端口相連，所述的計(jì)算機(jī)(1 具有絕對(duì)距離測(cè)量程序，該程序包括粗測(cè)模塊和細(xì)測(cè)模塊，在測(cè)量過程中，粗測(cè)模塊利用線性調(diào)頻技術(shù)得到距離粗測(cè)值，細(xì)測(cè)模塊根據(jù)距離粗測(cè)值確定正弦相位調(diào)制深度，并利用相關(guān)參數(shù)通過求解線性方程組計(jì)算干涉信號(hào)的相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于所述的第一光源和第二光源均是半導(dǎo)體激光器，而且兩光源的發(fā)射波長(zhǎng)λρ入2不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于所述的第一光源控制器具有溫度控制和電流控制兩個(gè)模塊，溫度控制模塊用于控制第一光源的溫度，使第一光源的溫度僅在士0. 01°C的范圍內(nèi)變化，電流控制模塊為第一光源提供直流偏置和交流信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于所述的第二光源控制器具有溫度控制和電流控制兩個(gè)模塊，溫度控制模塊用于控制第二光源的溫度，使第二光源的溫度僅在士0. 01°C的范圍內(nèi)變化，電流控制模塊為第二光源提供直流偏置和交流信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于所述的隔離器只能使第一光源和第二光源發(fā)射的光通過，而從光路中返回的光束不能通過。
6.利用權(quán)利要求1所述的絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀進(jìn)行絕對(duì)距離的測(cè)量方法， 其特征在于具體測(cè)量步驟如下①參數(shù)測(cè)定開啟第一光源(1)，并使其注入電流保持為直流，利用數(shù)據(jù)采集卡(12)產(chǎn)生的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷(9)，使壓電陶瓷(9)產(chǎn)生一個(gè)振幅大于λ^/8而小于λ^/4正弦振動(dòng)，此時(shí)所述的光電探測(cè)器(7)所探測(cè)到的干涉信號(hào)為 p1 ‘ (t) = s1s0^s1s11cos [ α i ⑴ + α 01]，提取干涉信號(hào)p/ (t)的直流分量sjtll，并利用下列公式計(jì)算干涉信號(hào)p1' (t)的交流幅值s1s11s1s11cos[a ^t)+ α01] = p1' (t)-s1s01 ；開啟第二光源(10)，利用相同的方法確定p2' (t)的直流分量s2stl2與交流幅值；②將相關(guān)參數(shù)sjtll，s1s11,s2s02, s2s12導(dǎo)入絕對(duì)距離測(cè)量程序；③距離粗測(cè)值1。的確定距離粗測(cè)模塊控制數(shù)據(jù)采集卡(1 輸出三角波信號(hào)對(duì)第一光源(1)的注入電流進(jìn)行調(diào)制，并采集光電探測(cè)器(7)探測(cè)到的線性調(diào)頻信號(hào) Sc(t) = C1 cos[a -
全文摘要
一種用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙頻激光干涉儀及其測(cè)量方法，該雙頻激光干涉儀的結(jié)構(gòu)包括光源、光纖耦合器、隔離器、準(zhǔn)直器、光電探測(cè)器、壓電陶瓷、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。所述的光源是兩個(gè)波長(zhǎng)不相等的半導(dǎo)體激光器，且?guī)в泄庠纯刂破?；光電探測(cè)器將接收到的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到待測(cè)距離。本發(fā)明干涉儀將線性調(diào)頻技術(shù)與正弦相位調(diào)制干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，利用相關(guān)參數(shù)通過求解線性方程組計(jì)算干涉信號(hào)的相位，從原理上消除了光源的光強(qiáng)調(diào)制引起的系統(tǒng)誤差，提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102168944SQ20101061252
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者李中梁, 步揚(yáng), 王向朝, 王渤帆 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所