專利名稱：一種高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置及其解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移信息解調(diào)領(lǐng)域，該位移傳感解調(diào)方法可以用于位移高精度檢測， 或者其他可轉(zhuǎn)化為位移的應(yīng)變，溫度，厚度，群折射率和壓力等傳感器的解調(diào)。
背景技術(shù)：
低相干干涉技術(shù)用作位移解調(diào)方式主要有時間掃描式和空間掃描式。時間掃描 式如 Miho Song 等(Minho Song, Byoungho Lee, An effective optical evaluation technique using visible low-coherence interferometry, Optics and Lasers in Engineering, 1997，27:441-449)通過對Michelson干涉儀的其中一臂進(jìn)行光程 差掃描，從而匹配出待測位移?？臻g掃描式是將光程差在空間作一線性分布，從而利 用線陣C⑶接收實現(xiàn)光程差的空間掃描。如Chen等(Chen，S., et al. , Study of electronically-scanned optical-fibre white-light Fizeau interferometer. Electronics letters, 1991. 27(12) : 1032-1034.)在 1991 年提出 Fizeau 干涉儀結(jié) 構(gòu)，利用Fizeau干涉儀構(gòu)成的光楔實現(xiàn)光程差空間分布，Marshall等(Marshall，R., et al. , A novel electronically scanned white-light interferometer using a Mach-Zehnder approach. Lightwave Technology, Journal of, 1996. 14(3): 397-402) 在1996年提出采用Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光程差的空間分布。時間掃描式可以測量很大的范圍，但由于需要對其中一個反射鏡進(jìn)行機械掃描， 其長期可靠性和穩(wěn)定性較差，測量精度只在微米量級?？臻g掃描式采用線陣CCD器件進(jìn)行 電掃描，其長期可靠性高，但線陣CCD的像元有限，其測量范圍通常較小，只有幾十個微米。 為了克服這一問題，我們提出一種新型的低相干干涉解調(diào)裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有傳統(tǒng)的低相干干涉解調(diào)裝置和方法存在的問題，提供一種 新型的高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置及其解調(diào)方法。該裝置可以有效擴大測量范 圍，同時得到高的測量精度。本發(fā)明提供的高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置包括12個部分 光源采用具有寬光譜的寬帶光源，包括LED光源、SLD光源或鹵素?zé)?；光環(huán)行器用來將光源發(fā)出的光發(fā)送到待檢測物體并收集反射信號光，當(dāng)光源功率較 大時，也可采用光纖耦合器替代；自聚焦準(zhǔn)直透鏡用來將光環(huán)行器發(fā)送的光束進(jìn)行準(zhǔn)直輸出，并通過所鍍反射膜實現(xiàn) 光的部分反射；固定反射鏡固定在待檢測物體上，用來反射自聚焦準(zhǔn)直透鏡輸出的光信號；所述的 固定反射鏡是具有反射作用的器件，可以是平面鏡或者角錐棱鏡；光纖接頭用來接收光環(huán)行器收集的反射信號光并將反射信號光輸出到干涉子系統(tǒng)中；擴束透鏡用來將光纖接頭輸出的光束進(jìn)行擴束準(zhǔn)直，使之能很好的覆蓋CMOS或C C D面陣相機的有效感光面積；起偏器用來對擴束透鏡擴束準(zhǔn)直后的輸入信號光進(jìn)行起偏； 雙折射光楔用來對起偏器產(chǎn)生的正交的兩個線偏振光產(chǎn)生具有線性分布的空間光程差；臺階形雙折射移相器用來對經(jīng)過雙折射光楔產(chǎn)生空間光程差后的正交的兩個線偏振 光產(chǎn)生的制定的固定相移，相移在空間呈臺階形分布；檢偏器用來對經(jīng)過臺階形雙折射移相器移相后的相互正交的兩個線偏振光進(jìn)行投影 產(chǎn)生干涉；面陣相機采用CMOS相機或者CCD面陣相機對經(jīng)過檢偏器后產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行采集；處理單元可以采用計算機，也可以是嵌入式計算系統(tǒng)，用于對面陣相機采集的干涉條 紋進(jìn)行處理，最終獲取位移信息。上面所述系統(tǒng)的光學(xué)器件也可以全部采用空間光學(xué)對應(yīng)的器件來代替。本發(fā)明同時提供了一種基于上述裝置的高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)方法，該方 法的具體過程如下第1、寬帶光源發(fā)出的光通過光環(huán)行器到達(dá)傳感一側(cè)的自聚焦準(zhǔn)直透鏡， 一部分光被自聚焦準(zhǔn)直透鏡端面的反射面反射，另一部分光透過自聚焦準(zhǔn)直透 鏡入射到固定在待檢測物體上的固定反射鏡上，被反射后這部分反射光再次 耦合進(jìn)入到光纖中；兩部分反射光具有與待檢測物體位移相關(guān)的一個光程差<，之為兩倍于自聚焦準(zhǔn)直透鏡和固定在待檢測物體上的固定反射鏡之間的距離；第2、反射的兩束光通過環(huán)行器和光纖接頭透射到擴束透鏡上，光纖接頭位于擴束透鏡 的焦距上，因此實現(xiàn)光束的擴束并貫滿面陣相機的有效感光面積；第3、兩部分反射光出射并擴束后經(jīng)起偏器起偏成線偏振光，然后入射到雙折射光楔， 起偏器的偏振軸方向與雙折射光楔的光軸方向成45度放置，起偏后的偏振光將均分為偏 振方向沿雙折射光楔光軸和垂直于雙折射光楔光軸的兩個偏振分量，兩個分量在雙折射光楔產(chǎn)生光程差六= ( - ^ , ne為雙折射晶體的非常光折射率，nt為雙折射晶體的尋常光折射率，光楔厚度d在空間呈線性分布，即d OO = XtenS, χ為入射光點離雙折射光楔頂點的橫向距離，S為楔角，所以可實現(xiàn)光程差的空間掃描，從而匹配出待檢測的位移信 息；由于雙折射率差非常小，構(gòu)成一個光學(xué)杠桿，即可以用較大的橫向位移ζ得到較小的光 程差，實現(xiàn)高精度光程差分辨率掃描；第4、然后兩部分反射光繼續(xù)通過臺階形雙折射移相器后產(chǎn)生光學(xué)移相效應(yīng)，臺階形雙 折射移相器的光軸方向與雙折射光楔光軸平行或者垂直，臺階形雙折射移相器將增加光程 差掃描范圍；臺階形雙折射移相器的臺階高度選擇需使得每一級光程差的最大值和下一級光程差 的最小值相等，或者每一級光程差的最大值略大于下一級光程差的最小值，產(chǎn)生一小部分 的重疊，以減少可能由加工帶來的誤差，從而增大光程差的測量范圍。
第5、移相后的兩光束再通過與雙折射光楔的光軸方向成45度放置的檢偏器后產(chǎn) 生干涉條紋，利用面陣相機接收，并通過計算機或嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字處理，在對干涉條紋 進(jìn)行處理后通過判斷匹配情況獲取位移信息。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1.本發(fā)明提出的高精度大量程低相干干涉解調(diào)裝置有效地利用雙折射效應(yīng)構(gòu)成光學(xué) 杠桿，用較大的橫向位移得到較小的光程差，獲取光程差的高分辨率，同時利用臺階形雙折 射移相器和面陣CMOS相機或CCD相機實現(xiàn)光程差的大測量范圍。測量精度在Inm左右，而 測量范圍可達(dá)2mm左右。2.雙折射晶體可以采用鈮酸鋰晶體，氟化鎂晶體，YVO4晶體等，起偏器和檢偏器可 以是格蘭-泰勒棱鏡，格蘭-湯姆遜棱鏡等偏振棱鏡，也可以是偏光片。3.通過設(shè)計雙折射光楔的楔角，臺階形雙折射移相器的臺階高度和選擇面陣相 機的有效感光面積可以很容易得到不同的測量范圍和精度的位移測量性能。楔角一般 可選擇在1°至10°之間，面陣相機可以選擇CMOS相機，如像元大小為5.2 ,像元數(shù) 1280X1024的CMOS相機，或者像素大小為3. 2 _，像元數(shù)2048X1536的CMOS相機，或者 其他規(guī)格的像元數(shù)較大的CMOS相機以及CCD面陣相機。臺階形雙折射移相器的臺階數(shù)可 以根據(jù)需要在1至50中選取，臺階高度通過使臺階高度滿足每一級光程差的最大值和下一 級光程差的最小值相等或略有重疊的條件來確定。4.由于整個光程差掃描沒有機械運動部件，可靠性高。高精度大量程低相干干 涉解調(diào)裝置可以應(yīng)用在能轉(zhuǎn)化為位移量的物理信息如應(yīng)變，溫度，壓力等的探測，應(yīng)用范圍 覓ο


圖1是本發(fā)明中一種高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明中擴大光程差的等效雙折射光楔拼接示意圖；圖3是具有雙折射光楔和兩級臺階的臺階形雙折射移相器下的接收到的高相干干涉 條紋。圖4是具有雙折射光楔和一級臺階的臺階形雙折射移相器下的接收到的低相干 干涉條紋。圖5是具有雙折射光楔和兩級臺階的臺階形雙折射移相器下的接收到的低相干 干涉條紋。圖中，1寬帶光源，2光環(huán)行器，3自聚焦準(zhǔn)直透鏡，4固定反射鏡，5光纖接頭，6擴 束透鏡，7起偏器，8雙折射光楔，9臺階形雙折射移相器，10檢偏器，11面陣相機，12計算 機。
具體實施例方式實施例1 一種高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置如圖1所示，寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)過光環(huán)行器2到達(dá)傳感一側(cè)的自聚焦準(zhǔn)直透鏡3， 一部分光被自聚焦準(zhǔn)直透鏡3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直出射到固定在待檢測物體上的固定反射鏡4上，被反射后這部分光再次耦合進(jìn)入到光纖 中。反射的兩束光通過光環(huán)行器2和光纖接頭5透射到擴束透鏡6上，光纖接頭5位于擴 束透鏡6的焦距上，實現(xiàn)光束的擴束并貫滿面陣相機11的有效感光面積。擴束后的光經(jīng)起 偏器7起偏成線偏振光，線偏振光通過雙折射光楔8和臺階形雙折射移相器9，移相后的兩 光束再通過檢偏器10進(jìn)行投影干涉。透過檢偏器10的干涉條紋采用面陣相機11接收并 輸入到計算機12中。
實施例2 —種高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)方法 上述低相干干涉位移解調(diào)裝置的解調(diào)過程如下圖1中的寬帶光源1的光經(jīng)過光環(huán)行器2到達(dá)傳感一側(cè)的自聚焦準(zhǔn)直透鏡3，一部分光 被自聚焦準(zhǔn)直透鏡3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直出射到待 檢測物體的固定反射鏡4上，被反射后這部分光再次耦合進(jìn)入到光纖中，兩部分光具有與待檢測物體位移相關(guān)的一個光程差<，表力兩倍于自聚焦準(zhǔn)直透鏡3和待檢測物體的固定反射鏡4之間的距離。反射的兩束光通過環(huán)行器2和光纖接頭5透射到擴束透鏡6上， 光纖接頭5位于擴束透鏡6的焦距上，因此實現(xiàn)光束的擴束并貫滿面陣相機11的有效感光 面積。擴束后的光經(jīng)起偏器7起偏成線偏振光，起偏器的偏振軸方向與雙折射晶體的光軸 方向成45度放置，因此起偏后的偏振光可以均分為偏振方向沿雙折射晶體光軸和垂直于雙折射晶體光軸的兩個偏振分量，兩個分量在雙折射晶體光程差為
權(quán)利要求
1.一種高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置，其特征在于該裝置包括 光源采用具有寬光譜的寬帶光源，包括LED光源、SLD光源或鹵素?zé)?；光環(huán)行器用來將光源發(fā)出的光發(fā)送到待檢測物體并收集反射信號光，當(dāng)光源功率較 大時，也可采用光纖耦合器替代；自聚焦準(zhǔn)直透鏡用來將光環(huán)行器發(fā)送的光束進(jìn)行準(zhǔn)直輸出，并通過所鍍反射膜實現(xiàn) 光的部分反射；固定反射鏡固定在待檢測物體上，用來反射自聚焦準(zhǔn)直透鏡輸出的光信號； 光纖接頭用來接收光環(huán)行器收集的反射信號光并將反射信號光輸出到干涉子系統(tǒng)中；擴束透鏡用來將光纖接頭輸出的光束進(jìn)行擴束準(zhǔn)直，使之能很好的覆蓋CMOS或C C D面陣相機的有效感光面積；起偏器用來對擴束透鏡擴束準(zhǔn)直后的輸入信號光進(jìn)行起偏； 雙折射光楔用來對起偏器產(chǎn)生的正交的兩個線偏振光產(chǎn)生具有線性分布的空間光程差；臺階形雙折射移相器用來對經(jīng)過雙折射光楔產(chǎn)生空間光程差后的正交的兩個線偏振 光產(chǎn)生的制定的固定相移，相移在空間呈臺階形分布；檢偏器用來對經(jīng)過臺階形雙折射移相器移相后的相互正交的兩個線偏振光進(jìn)行投影 產(chǎn)生干涉；面陣相機采用CMOS相機或者CCD面陣相機對經(jīng)過檢偏器后產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行采集；處理單元可以采用計算機，也可以是嵌入式計算系統(tǒng)，用于對面陣相機采集的干涉條 紋進(jìn)行處理，最終獲取位移信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的固定反射鏡是具有反射作用的器 件，可以是平面鏡或者角錐棱鏡。
3.一種依據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)方法，其特征在 于該方法的具體過程如下第1、寬帶光源發(fā)出的光通過光環(huán)行器到達(dá)傳感一側(cè)的自聚焦準(zhǔn)直透鏡，一部分光被自 聚焦準(zhǔn)直透鏡端面的反射面反射，另一部分光透過自聚焦準(zhǔn)直透鏡入射到固定在待檢測物 體上的固定反射鏡上；第2、由于自聚焦準(zhǔn)直透鏡和固定在待檢測物體上的固定反射鏡之間的位移使得兩部 分反射光存在一個光程差，所述的兩部分反射光再次耦合到光纖中并通過環(huán)行器到達(dá)光纖 接頭；第3、兩部分反射光出射并擴束后經(jīng)起偏器起偏成線偏振光，然后入射到雙折射光楔， 起偏器的偏振軸方向與雙折射光楔的光軸方向成45度放置，起偏后的偏振光將均分為偏 振方向沿雙折射光楔光軸和垂直于雙折射光楔光軸的兩個偏振分量，兩個分量在雙折射光 楔產(chǎn)生光程差d).Hd ,ne為雙折射晶體的非常光折射率,為雙折射晶體的尋常光折射率，光楔厚度甚在空間呈線性分布，即d㈨= ManS, χ為入射光點離雙折射光楔頂點的橫向距離^為楔角，所以可實現(xiàn)光程差的空間掃描，從而匹配出待檢測的位移信息；由于雙折射率差非常小，構(gòu)成一個 光學(xué)杠桿，即可以用較大的橫向位移ζ得到較小的光程差，實現(xiàn)高精度光程差分辨率掃描； 第4、然后兩部分反射光繼續(xù)通過臺階形雙折射移相器后產(chǎn)生光學(xué)移相效應(yīng)，臺階形雙 折射移相器的光軸方向與雙折射光楔光軸平行或者垂直，臺階形雙折射移相器將增加光程 差掃描范圍；第5、最后經(jīng)過與雙折射光楔的光軸方向成45度放置的檢偏器后產(chǎn)生干涉條紋，利用 面陣相機接收，在對干涉條紋進(jìn)行處理后通過判斷匹配情況獲取位移信息。
全文摘要
高精度大量程低相干干涉位移解調(diào)裝置包括光源、光環(huán)行器、自聚焦準(zhǔn)直透鏡、固定反射鏡、光纖接頭、擴束透鏡、起偏器、雙折射光楔、臺階形雙折射移相器、檢偏器、面陣相機以及處理單元。解調(diào)方法是光源的光通過光環(huán)行器到傳感一側(cè)的自聚焦準(zhǔn)直透鏡被分成兩部分，一部分直接反射，另一部分入射到固定在待檢測物體上的反射鏡后反射，兩部分反射光具有一定的光程差。反射回的兩部分光再次通過環(huán)行器到達(dá)光纖接頭，經(jīng)擴束透鏡、起偏器入射到雙折射光楔和臺階形雙折射移相器上，雙折射光楔和臺階形雙折射移相器共同作用實現(xiàn)大量程光程差掃描，在檢偏器后方產(chǎn)生干涉條紋，利用面陣相機接收條紋，并通過計算機或嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字處理檢測出位移信息。
文檔編號G02B5/30GK102052902SQ20101058267
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者劉琨, 劉鐵根, 尹金德, 江俊峰 申請人:天津大學(xué)