專利名稱：微小位移自混合干涉測量裝置及其信號控制器和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移精密測量儀器，準(zhǔn)確地說是涉及微小位移自混合干涉測量儀器和測量方法。
背景技術(shù)：
位移測量在精密機(jī)械、材料、光學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有很重要的作用。對于亞微米到微米范圍的微位移測量，激光干涉是應(yīng)用比較多的高精度的測量方法。由于半導(dǎo)體激光器(LD)具有體積小、重量輕和波長可調(diào)的特點(diǎn)，因此在光學(xué)位移傳感器中得到應(yīng)用。有許多以半導(dǎo)體激光干涉為基礎(chǔ)的測量微位移的干涉儀，例如，日本的KLA130系列光干涉微米計(jì)，在80μ～200μ工作范圍內(nèi)誤差為0.01μ～0.02μ。Zygo公司生產(chǎn)的帶有20MHz頻率聲光調(diào)制器和1.5～2.5nm分辨率的Axiom2/20干涉儀?，F(xiàn)有的微小位移的半導(dǎo)體激光干涉測量儀從CN2391169號專利已知，包括原光源和調(diào)制光源，調(diào)制光源和原光源均為半導(dǎo)體激光器。置有第一透鏡和第二透鏡。偏振分束器和普通分束器，避免了已有技術(shù)中的補(bǔ)償問題，提高了測量精度。這些方法都需要許多光學(xué)元器件，因而難以做出結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低的測量裝置。
三、技術(shù)內(nèi)容1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、精度高的微小位移自混合干涉測量裝置及其信號控制器和測量方法。
2、技術(shù)方案本發(fā)明的測量裝置主要由光學(xué)系統(tǒng)組成，該測量裝置包括激光器、準(zhǔn)直透鏡、中值濾波器、散熱器、靶鏡、探測器、金屬板、支架、底座，靶鏡和支架分別固定在底座同一面的兩端，在支架上固定有外筒和連接環(huán)，連接環(huán)的中間是金屬板，連接環(huán)的另一側(cè)接激光器套環(huán)，激光器位于激光器套環(huán)中間，激光器套環(huán)的另一側(cè)接準(zhǔn)直透鏡套筒、準(zhǔn)直透鏡位于準(zhǔn)直透鏡套筒的外端口，探側(cè)器位于金屬板中，并與激光器相接，靶鏡位于靶鏡筒中激光器、準(zhǔn)直、透鏡，中值濾波器、靶鏡同光軸地依次排列；激光器，采用半導(dǎo)體激光器，探測器采用光電二極管，該光電二極管封裝在半導(dǎo)體激光器的管殼內(nèi)的后部；準(zhǔn)直透鏡由壓環(huán)固定在準(zhǔn)直透鏡套筒中。光學(xué)系統(tǒng)只有一個(gè)光軸，容易校直，所以稱為自準(zhǔn)直系統(tǒng)，該信號控制器由驅(qū)動(dòng)電源、鋸齒波發(fā)生器、差分放大器、信號采樣部件所組成，驅(qū)動(dòng)電源的輸出端與激光器相接，探測器和鋸齒波發(fā)生器的輸出端接差分放大器的輸入端，差分放大器的輸出端接信號采樣部件的輸入端；信號采樣部件由模/數(shù)變換器和同步信號采樣電路組成，半導(dǎo)體激光器的波長和輸出光強(qiáng)是通過信號發(fā)生器與驅(qū)動(dòng)器來控制調(diào)制。
本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的干涉。測量自混合干涉是在激光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)，通過外腔長度和反饋強(qiáng)度的變化調(diào)制輸出光的光譜特征和光強(qiáng)，封裝在半導(dǎo)體激光器管殼內(nèi)另一側(cè)的光電二極管探測反饋干涉信號。檢測光學(xué)反饋造成信號的強(qiáng)度和位相變化，確定物體的微小位移。自混合干涉信號不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，信號是非對稱的。只有在弱反饋條件下，半導(dǎo)體激光器單模運(yùn)轉(zhuǎn)，信號表現(xiàn)為正弦波。外腔長度變化引起激光輸出強(qiáng)度的波動(dòng)，類似于傳統(tǒng)的雙光束干涉現(xiàn)象，即一個(gè)條紋移動(dòng)對應(yīng)半個(gè)光波波長的位移，強(qiáng)度波動(dòng)深度與傳統(tǒng)雙光束干涉系統(tǒng)相當(dāng)。
1、自混合干涉儀的調(diào)節(jié)方法在調(diào)試干涉儀器時(shí)，先根據(jù)半導(dǎo)體激光器的閾值電流和功率等參數(shù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流中的偏置電流，使半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，一般偏置電流調(diào)節(jié)在30～50毫安。透鏡2將激光器發(fā)出的橢圓光束變換成圓光束，調(diào)節(jié)透鏡2的焦距并使出射光束成準(zhǔn)直平行光。調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流中的調(diào)整調(diào)制電流的大小調(diào)制電流調(diào)節(jié)在3～5毫安。調(diào)整中值濾波器3，改變光強(qiáng)。使得反饋光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)的5％時(shí)，激光器的自混合干涉信號近似為正弦波。
2、自混合干涉信號處理方法改變差分放大器13的兩輸入端的電平，消去差分放大器輸出端鋸齒波調(diào)制分量。根據(jù)待測信號頻率和已有的A/D變換卡的采樣頻率以及精度，選擇采樣點(diǎn)，例如選擇512或1024采樣點(diǎn)。
3、用快速傅立葉變換方法(FFT)分析自混合干涉信號和計(jì)算微小位移的步驟(1)先對采集的自混合干涉數(shù)字信號進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)運(yùn)算，計(jì)算信號頻譜；(2)利用窗口函數(shù)選擇一級譜峰值對應(yīng)的頻率為信號頻率，提取載頻的傅立葉系數(shù)，計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得初始相位；(3)由相位計(jì)算微小位移。激光腔端面與測量目標(biāo)之間的距離是外腔的長度，頻譜中的第一個(gè)主峰值對應(yīng)外腔的共振頻率和初始相位。已知測量目標(biāo)的初始距離，用傅立葉變換提取信號相位，就可以計(jì)算出微小位移。
3、技術(shù)效果半導(dǎo)體激光器同時(shí)用作光源和探測器，不需要傳統(tǒng)干涉儀的分束器和參考鏡等輔助光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)極其簡單、緊湊，實(shí)驗(yàn)裝置易準(zhǔn)直，成本低廉。本發(fā)明同傳統(tǒng)的干涉?zhèn)鞲衅骶哂邢嗤南辔混`敏度，在0μ～2.0μ工作范圍內(nèi)儀器誤差為0.01μ～0.02μ，可以在很多應(yīng)用場合取代傳統(tǒng)干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 自混合干涉信號的分析方法大都用條紋峰值計(jì)數(shù)法，但是位移測量精度僅在λ/2。用相位測量方法分析信號，測量精度可提高到幾十分之一波長。本發(fā)明提出的快速傅立葉變換方法(FFT)解調(diào)自混合干涉信號相位。方法是改變注入電流，調(diào)制自混合干涉信號，通過計(jì)算得到各點(diǎn)相位，位移測量精度達(dá)λ/50。
四

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、中值濾波器3、散熱器4、靶鏡5、探測器6、金屬板7、支架8、底座9。
圖2是控制器電路結(jié)構(gòu)框圖。其中有連接環(huán)11、激光器套環(huán)12、準(zhǔn)直透鏡套筒13、靶鏡筒14。
圖3是信號處理流程圖。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明裝置中同光軸地依次置有半導(dǎo)體激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、中值濾波器3、散熱器4和靶鏡5。探測器6使用封裝在半導(dǎo)體激光器管殼內(nèi)的光電二極管。半導(dǎo)體激光器選用Sharp LT021(波長780nm，功率10mw)，安裝在用紫銅制成的散熱片上，由溫度控制器控制為恒溫。準(zhǔn)直透鏡使用一個(gè)非球面的校準(zhǔn)透鏡。靶鏡和被測物體相連，隨物體移動(dòng)。
結(jié)合圖1說明利用光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生自混合干涉，測量位移的實(shí)施方法。激光器的兩個(gè)端面和被測靶面分別構(gòu)成了激光內(nèi)腔和外腔。光學(xué)系統(tǒng)只有一個(gè)光軸，光軸是光學(xué)系統(tǒng)的中心線。半導(dǎo)體激光器1出射的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2耦合，形成出射圓光束，照射到靶面5，一部分輸出光被反射、返回，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2耦合到激光腔內(nèi)，和激光腔內(nèi)的光形成自混合干涉，自混合干涉的結(jié)果使得發(fā)射光的振幅和頻率受到調(diào)制。具有自混合干涉效應(yīng)的半導(dǎo)體激光器的輸出強(qiáng)度隨注入電流變化，調(diào)制半導(dǎo)體激光器1，獲得經(jīng)調(diào)制的輸出光強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)電源提供注入電流，注入電流由直流偏置電流和調(diào)制電流合成。當(dāng)注入電流被鋸齒波調(diào)制時(shí)，半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)是光反饋產(chǎn)生的共振與調(diào)制產(chǎn)生的強(qiáng)度迭加。去掉線性調(diào)制分量，就獲得周期性的波動(dòng)信號。半導(dǎo)體激光器的輸出強(qiáng)度還隨外部腔長變化。當(dāng)注入電流固定和靶面5移動(dòng)時(shí)，輸出強(qiáng)度的峰值隨半個(gè)共振周期移動(dòng)。即輸出光強(qiáng)隨外部腔長的變化周期是半個(gè)波長，λ/2。半導(dǎo)體激光器的輸出信號形狀與反射系數(shù)有關(guān)，只有在弱反射的條件下，輸出信號才近似為正弦波。隨著反饋強(qiáng)度的增加，自混合干涉信號逐步變成非對稱的鋸齒波，條紋的偏斜方向取決于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。解調(diào)準(zhǔn)正弦信號的相位，再由相位與位移的關(guān)系計(jì)算出位移。
結(jié)合圖2說明自混合干涉的信號處理電路系統(tǒng)。封裝在激光器內(nèi)部的光電探測器，用于檢測自混合干涉信號。系統(tǒng)包括鋸齒波發(fā)生器12，其輸出信號分成兩路輸出。一路連到驅(qū)動(dòng)電源11，調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流；一路連到差分放大器13的輸入端。光電探測器探測的自混合信號接到差分放大器3的另一輸入端。差動(dòng)放大器實(shí)際是低噪聲運(yùn)算放大器。經(jīng)差分放大器消去鋸齒波調(diào)制分量，成為準(zhǔn)正弦信號。系統(tǒng)還包括信號采樣部件14，該信號采樣部件是由A/D變換卡和同步采樣電路組成，其輸入端接到差分放大器13。自混合準(zhǔn)正弦信號經(jīng)同步采樣和A/D變換，成為數(shù)字信號。從鋸齒波調(diào)制的每個(gè)周期的上升沿起點(diǎn)(t＝0，t＝T，t＝2T......)產(chǎn)生同步采樣脈沖。對于中低頻率信號，選取A/D變換卡的采樣頻率≥100KHz，精度≥12bit。采到的數(shù)字信號耦合到計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
結(jié)合圖3信號處理流程圖，說明用快速傅立葉變換方法(FFT)確定頻率，提取信號相位的步驟(1)先對自混合干涉信號進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)運(yùn)算，計(jì)算信號頻譜；(2)利用窗口函數(shù)選擇一級譜峰值對應(yīng)的頻率為信號頻率，提取載頻的傅立葉系數(shù)，計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得初始相位；(3)由相位計(jì)算位移。激光腔端面與測量目標(biāo)之間的距離是外腔的長度，頻譜中的第一個(gè)主峰值對應(yīng)外腔的共振頻率和初始相位。已知測量目標(biāo)的初始距離，用傅立葉變換提取信號相位，就可以計(jì)算出位移。
用LabVIEW作為系統(tǒng)軟件的編程開發(fā)平臺，進(jìn)行編程，生成顯示、分析和控制的圖形化用戶界面，完成計(jì)算機(jī)接口控制、數(shù)據(jù)采集、分析和計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種微小位移自混合干涉測量裝置，由激光器光源、透鏡等所組成，其特征在于該測量裝置包括激光器(1)、準(zhǔn)直透鏡(2)、中值濾波器(3)、散熱器(4)、靶鏡(5)、探測器(6)、金屬板(7)、支架(8)、底座(9)，靶鏡(5)和支架(8)分別固定在底座(9)同一面的兩端，在支架(8)上固定有外筒(10)和連接環(huán)(11)，連接環(huán)(11)的中間是金屬板(7)，連接環(huán)(11)的另一側(cè)接激光器套環(huán)(12)，激光器(1)位于激光器套環(huán)(12)中間，激光器套環(huán)(12)的另一側(cè)接準(zhǔn)直透鏡套筒(13)、準(zhǔn)直透鏡(2)位于準(zhǔn)直透鏡套筒(12)的外端口，探側(cè)器(6)位于金屬板(7)中，并與激光器(1)相接，靶鏡(5)位于靶鏡筒(14)中激光器(1)、準(zhǔn)直、透鏡(2)，中值濾波器(3)、靶鏡(5)同光軸地依次排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小位移自混合干涉測量裝置，其特征在于激光器(1)，采用半導(dǎo)體激光器，探測器(6)采用光電二極管，該光電二極管封裝在半導(dǎo)體激光器的管殼內(nèi)的后部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所或述的微小位移自混合干涉測量裝置，其特征在于準(zhǔn)直透鏡(2)由壓環(huán)(15)固定在準(zhǔn)直透鏡套筒(13)中。
4.一種適用于權(quán)利要求1所述的微小位移自混合干涉測量裝置的信號控制器，其特征在于該信號控制器由驅(qū)動(dòng)電源(21)、鋸齒波發(fā)生器(22)、差分放大器(23)、信號采樣部件(24)所組成，驅(qū)動(dòng)電源(21)的輸出端與激光器(1)相接，探測器(6)和鋸齒波發(fā)生器(22)的輸出端接差分放大器(23)的輸入端，差分放大器(23)的輸出端接信號采樣部件(24)的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微小位移自混合干涉測量裝置的信號控制器，其特征在于信號采樣部件(24)由模/數(shù)變換器和同步信號采樣電路組成。
6.一種適用于權(quán)利要求1或4的微小位移自混合干涉測量裝置及信號控制器的測量方法，其特征在于測量的方法為(1)先對采集的自混合干涉數(shù)字信號進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)運(yùn)算，計(jì)算信號頻譜；(2)利用窗口函數(shù)選擇一級譜峰值對莊的頻率為信號頻率，提取載頻的傅立葉系數(shù)，計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得初始相位；(3)由相位計(jì)算微小位移，激光腔端面與測量目標(biāo)之間的距離是外腔的長度，頻譜中的第一個(gè)主峰值對應(yīng)外腔的共振頻率和初始相位，已知測量目標(biāo)的初始距離，用傅立葉變換提取信號相位，就可以計(jì)算出微小位移。
全文摘要
微小位移自混合干涉測量裝置及其信號控制器和測量方法是一種涉及位移精密測量的儀器和測量方法,該測量裝置靶鏡和支架分別固定在底座同一面的兩端,在支架上固定有外筒和連接環(huán),連接環(huán)的中間是金屬板,連接環(huán)的另一側(cè)接激光器套環(huán),激光器位于激光器套環(huán)中間,激光器套環(huán)的另一側(cè)接準(zhǔn)直透鏡套筒、準(zhǔn)直透鏡位于準(zhǔn)直透鏡套筒的外端口,探測器位于金屬板中,并與激光器相接,靶鏡位于靶鏡筒中激光器、準(zhǔn)直、透鏡,中值濾波器、靶鏡同光軸地依次排列,該信號控制器由驅(qū)動(dòng)電源、鋸齒波發(fā)生器、差分放大器、信號采樣部件所組成,驅(qū)動(dòng)電源的輸出端與激光器相接,探測器和鋸齒波發(fā)生器的輸出端接差分放大器的輸入端,差分放大器的輸出端接信號采樣部件的輸入端。
文檔編號G01B9/02GK1378066SQ02113000
公開日2002年11月6日 申請日期2002年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者王鳴, 聶守平 申請人:南京師范大學(xué)