專利名稱：雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移測(cè)量干涉儀，特別是一種雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀。
背景技術(shù)：
信息技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)位移檢測(cè)技術(shù)提出了越 來越高的要求。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)被廣泛研究。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)，近年來受到研究人員的重視，在位移測(cè)量領(lǐng)域得到了很大發(fā)展。 用于位移測(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. Sasaki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-wavelength sinusoidal phase modulating laser-diode interferometer insensitive toexternal 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152iim，大大擴(kuò)大了測(cè)量范圍。由于在測(cè)量 過程中沒有考慮光強(qiáng)調(diào)制的影響，此干涉儀的測(cè)量精度只有6 m ;且測(cè)量不能實(shí)時(shí)進(jìn)行。 王向朝等發(fā)明人提出了一種全光纖大范圍位移測(cè)量干涉儀(在先技術(shù)[2]:發(fā)明人王向朝， 步揚(yáng)，王學(xué)峰，"全光纖大范圍位移測(cè)量?jī)x"，2002)，該發(fā)明通過光熱調(diào)制的方法減小正弦相 位調(diào)制半導(dǎo)體激光干涉儀中光源光強(qiáng)調(diào)制的影響，有效地降低了測(cè)量誤差，提高了位移測(cè) 量精度。但是該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用4個(gè)半導(dǎo)體激光器，且只能在一定的范圍內(nèi)減小光 強(qiáng)調(diào)制的影響，也不能實(shí)時(shí)測(cè)量。王學(xué)鋒等發(fā)明人提出了一種雙波長(zhǎng)納米精度實(shí)時(shí)干涉測(cè) 量?jī)x(在先技術(shù)[3]:發(fā)明人王學(xué)鋒，王向朝，劉英明，錢鋒，"雙波長(zhǎng)納米精度實(shí)時(shí)干涉測(cè)量 儀"，2002)，該發(fā)明兼有雙波長(zhǎng)干涉儀的大測(cè)量范圍和單波長(zhǎng)干涉儀的納米精度，可在亞毫 米的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)位移的納米精度測(cè)量。但是在測(cè)量過程中，沒有考慮光源光強(qiáng)調(diào)制的 影響，此干涉儀的測(cè)量精度僅為lOnm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量靜態(tài)位移的干涉 儀。本發(fā)明的干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要采用體光學(xué)元件，通過合理地選擇正弦相位調(diào)制深 度，從原理上消除了因未考慮光源的光強(qiáng)調(diào)制而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差，提高了測(cè)量精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 —種雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，包括由第一驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的帶有第一 溫度控制器的第一光源、由第二驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的帶有第二溫度控制器的第二光源、第一光 纖耦合器、第二光纖耦合器、隔離器、準(zhǔn)直器、光電探測(cè)器和信號(hào)處理器，所述的第一驅(qū)動(dòng)電 源為第一光源提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流電流，由第一光源發(fā)射的光束通過第一段光纖 進(jìn)入第一光纖耦合器內(nèi)，由第一光纖耦合器出射后，通過第二段光纖進(jìn)入隔離器，由隔離器 出射后，通過第三段光纖進(jìn)入第二光纖耦合器內(nèi)，由第二光纖耦合器出射后通過第四段光 纖，經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體上，由被測(cè)物體表面反射的光和由準(zhǔn)直器出射端面反射的光通過準(zhǔn)直器后，經(jīng)過第五段光纖入射到光電探測(cè)器內(nèi)，所述的第二驅(qū)動(dòng)電源為第 二光源提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流電流，第二光源的中心波長(zhǎng)、不等于第一光源的中 心波長(zhǎng)，由第二光源發(fā)射的光束通過第六段光纖進(jìn)入第一光纖耦合器內(nèi)，由第一光纖耦合 器出射后，通過第二段光纖射入隔離器，由隔離器出射后，通過第三段光纖進(jìn)入第二光纖 耦合器內(nèi)，由第二光纖耦合器出射后通過第四段光纖，經(jīng)過第一準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后照射到被測(cè) 物體上，由被測(cè)物體表面反射的光和由準(zhǔn)直器端面反射的光通過準(zhǔn)直器后，經(jīng)過第五段光 纖進(jìn)入光電探測(cè)器內(nèi)，第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源之間連接有觸發(fā)控制器，信號(hào)處理器 包含三個(gè)輸入端口 第一輸入端、第二輸入端口 、第三輸入端口和一個(gè)輸出端口 ，第一輸入 端口與光電探測(cè)器的輸出端相連，第二輸入端口與第一驅(qū)動(dòng)電源相連，第三輸入端口與第 二驅(qū)動(dòng)電源相連，輸出端口與數(shù)字顯示器相連，其特點(diǎn)在于，測(cè)量位移前，選擇第一光源和 第二光源的注入電流以及準(zhǔn)直器和被測(cè)物體之間的初始距離，優(yōu)化正弦相位調(diào)制深度為 1. 841。 所說的信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)為信號(hào)處理器的第一輸入端口與第一乘法器、第二乘 法器、第三乘法器和第四乘法器相連，其中第一乘法器與第一低通濾波器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換 器串聯(lián)后接入第一單片機(jī)內(nèi)，第二乘法器與第二低通濾波器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入 第一單片機(jī)內(nèi)，第三乘法器與第三低通濾波器和第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入第二單片機(jī) 內(nèi)，第四乘法器與第四低通濾波器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入第二單片機(jī)內(nèi)；信號(hào)處理 器的第二輸入端口與第一倍頻器和第二乘法器相連，其中第一倍頻器與第一乘法器相連； 信號(hào)處理器的第三輸入端口與第二倍頻器和第四乘法器相連，其中第二倍頻器與第三乘法 器相連；第一單片機(jī)的輸出端與減法器和第六乘法器相連，第二單片機(jī)與第一單片機(jī)的輸 出同步接入減法器后連入第五乘法器，經(jīng)過除法器后接入第七乘法器內(nèi)，第六乘法器和第 七乘法器的輸出分別與加法器相連；加法器的輸出接入數(shù)字顯示器內(nèi)。
所說的第一單片機(jī)和第二單片機(jī)具有進(jìn)行四則運(yùn)算和求解反正切函數(shù)的功能。
上面所說的第一光源、第二光源均是半導(dǎo)體激光器(也稱激光二極管，簡(jiǎn)稱LD)， 均作為測(cè)量光源用，而且兩光源的發(fā)射波長(zhǎng)、不相等，g卩、#入2。
所說的第一溫度控制器控制第一光源的溫度，使第一光源的溫度僅在士o. orc的
范圍內(nèi)變化。
所說的第二溫度控制器控制第二光源的溫度，使第二光源的溫度僅在士o. orc的
范圍內(nèi)變化。 所說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，也就是從光路中返回的光束射不到原發(fā)射光源上。
所說的準(zhǔn)直器是指其出射光為平行光的光學(xué)元件。
所說的數(shù)字顯示器能夠以數(shù)字形式顯示輸入信號(hào)的值。 所說的觸發(fā)控制器使第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率不相等，
同時(shí)使第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源的交流信號(hào)的初始相位均為零。 所說的光電探測(cè)器內(nèi)部集成有放大電路。
由圖1所示，向第一光源和第二光源注入電流后，其波長(zhǎng)和強(qiáng)度分別表示為
A!(t) = AM+e。Jwa) ， (1)
A2(t) = A02+e02Im2(t)
gl(t) = 13/ [1。,1^(t)] ， (2) g2(t) = V [I02+Im2(t)] 其中，A Q1和A 。2分別為第一光源和第二光源的中心波長(zhǎng)，13 Q1和13 。2分別為第一 光源和第二光源的波長(zhǎng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)，和！32'分別為第一光源和第二光源 的光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)。U和1。2分別為第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源的直流偏置， Iml(t)和Im2(t)分別為第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源提供的正弦交流電流，它們可以表示 為 Iml (t) = a丄cos co丄t ， (3) Im2(t) = a2 cos "2t 其中和"2分別為第一光源和第二光源正弦調(diào)制的角頻率，ai和a2分別為第 一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源提供的正弦交流電流的幅度。
光電探測(cè)器檢測(cè)到的干涉信號(hào)可以表示為
S (t) = S丄(t) +S2 (t) = g丄(t) [S01+Sucos (z丄cos co ^+ a》]+g2 (t) [S02+S12cos (z2cos co 2t+ a 2)] = [I01+Iml(t)] [S。,SnCOS(z^osWit+a工)] +P2' [I02+Im2(t)] [S02+S12cos(z2cos co2t+a 2)] ， (4) = S丄(1+ P丄cos co丄t) [S01+Sucos (z丄cos co a》] +S2 (1+ P 2cos co 2t) [S02+S12cos (z2cos co 2t+ a 2)] 其中，S工二I3/ IQ1，S2=|32' 1。2是分別為第一光源和第二光源輸出光強(qiáng)的直流 部分；P i = ai/IQ1， |3 2 = a2/I。2分別為第一光源和第二光源注入電流交流成分的幅值與直 流偏置的比值；SM和Sn分別為不考慮光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，干涉信號(hào)項(xiàng)Sjt)和Sjt)的直流成分， S。2和S12分別為不考慮光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，干涉信號(hào)項(xiàng)S工(t)和S2 (t)的交流成分A = 4;ra^^/;^ 和z^4;w^J/4為兩干涉信號(hào)Sjt)和S2(t)對(duì)應(yīng)的正弦相位調(diào)制深度；、=("/ 入?！?和a2= (4Ji/Ajl為由準(zhǔn)直器和待測(cè)物體之間的初始距離l所決定的相位。
測(cè)量位移前，需要合理選擇第一光源和第二光源的注入電流的交流幅值^和a2以 及準(zhǔn)直器和被測(cè)物體之間的初始距離1，以優(yōu)化正弦相位調(diào)制深度至1. 841。
所說的信號(hào)處理器是指通過光電探測(cè)器、第一驅(qū)動(dòng)電源與第二驅(qū)動(dòng)電源的輸出信 號(hào)獲得被測(cè)物體靜態(tài)位移的處理電路。如圖2所示。它的結(jié)構(gòu)為信號(hào)處理器的第一輸入 端口與第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第四乘法器相連，其中第一乘法器與第一低 通濾波器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入第一單片機(jī)內(nèi)，第二乘法器與第二低通濾波器和第 二模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入第一單片機(jī)內(nèi)，第三乘法器與第三低通濾波器和第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器 串聯(lián)后接入第二單片機(jī)內(nèi)，第四乘法器與第四低通濾波器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后接入第 二單片機(jī)內(nèi)；信號(hào)處理器的第二輸入端口與第一倍頻器和第二乘法器相連，其中第一倍頻 器與第一乘法器相連；信號(hào)處理器的第三輸入端口與第二倍頻器和第四乘法器相連，其中 第二倍頻器與第三乘法器相連；第一單片機(jī)的輸出端與減法器和第六乘法器相連，第二單 片機(jī)與第一單片機(jī)的輸出同步接入減法器后連入第五乘法器，經(jīng)過除法器后接入第七乘法器內(nèi)，第六乘法器和第七乘法器的輸出分別與加法器相連；加法器的輸出接入數(shù)字顯示器 內(nèi)。 信號(hào)處理電路中所說的第一倍頻器、第二倍頻器、第一乘法器、第二乘法器、第三 乘法器和第四乘法器均為模擬電路模塊。 信號(hào)處理電路中所說的第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器和第 四低通濾波器均為四階以上的低通濾波器。 信號(hào)處理電路中的第一單片機(jī)、第二單片機(jī)、減法器、除法器、加法器、第五乘法 器、第六乘法器和第七乘法器均為數(shù)字電路模塊。 信號(hào)處理電路中的第一單片機(jī)和第二單片機(jī)具有進(jìn)行四則運(yùn)算和求解反正切函 數(shù)的功能。 本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，與在先技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、與在先技術(shù)[1、3]相比，本發(fā)明的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀考慮了 光源的光強(qiáng)調(diào)制，并采用參數(shù)優(yōu)化法對(duì)相位進(jìn)行求解，從原理上消除了因未考慮光源的光 強(qiáng)調(diào)制而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差，提高了測(cè)量精度。 2、與在先技術(shù)[2]相比，本發(fā)明的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，整個(gè)裝置中只需要兩個(gè)半導(dǎo)體激光器，不需要采用光熱調(diào)制系統(tǒng)，且不需要采用體光學(xué) 元件，避免了復(fù)雜的光路對(duì)準(zhǔn)操作，并降低了成本。 3、與在先技術(shù)[1、2]相比，本發(fā)明的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀采用信 號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)算，可以實(shí)時(shí)地得到測(cè)量結(jié)果。


圖1是本發(fā)明雙波長(zhǎng)正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明信號(hào)處理電路的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。 本發(fā)明雙波長(zhǎng)正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。由圖可 見，本發(fā)明雙波長(zhǎng)正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，包括由第一驅(qū)動(dòng)電源2驅(qū)動(dòng)的帶有第一 溫度控制器3的第一光源1、由第二驅(qū)動(dòng)電源12驅(qū)動(dòng)的帶有第二溫度控制器11的第二光源 10、第一光纖耦合器4、第二光纖耦合器6、隔離器5、準(zhǔn)直器8、光電探測(cè)器7和信號(hào)處理器 13。所述的第一驅(qū)動(dòng)電源2為第一光源1提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流電流；由第一光源 1發(fā)射的光束通過第一段光纖401進(jìn)入第一光纖耦合器4內(nèi)，由第一光纖耦合器4出射后， 通過第二段光纖402進(jìn)入隔離器5，由隔離器5出射后，通過第三段光纖601進(jìn)入第二光纖 耦合器6內(nèi)，由第二光纖耦合器6出射后通過第四段光纖602，經(jīng)過準(zhǔn)直器8準(zhǔn)直后照射到 被測(cè)物體9上，由被測(cè)物體9表面反射的光和由準(zhǔn)直器8端面反射的光，通過準(zhǔn)直器8后， 經(jīng)過第五段光纖603入射到光電探測(cè)器7內(nèi)。所述的第二驅(qū)動(dòng)電源12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)A 2不等于第一光源1的中心波長(zhǎng) 入i ;由第二光源10發(fā)射的光束通過第六段光纖403進(jìn)入第一光纖耦合器4內(nèi)，由第一光纖耦合器4出射后，通過第二段光纖402射入隔離器5，由隔離器5出射后，通過第三段光纖 601進(jìn)入第二光纖耦合器6內(nèi)，由第二光纖耦合器6出射后通過第四段光纖602，經(jīng)過第一 準(zhǔn)直器8準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體9上，由被測(cè)物體9表面反射的光和由準(zhǔn)直器8端面反射 的光，通過準(zhǔn)直器8后，經(jīng)過第五段光纖603進(jìn)入光電探測(cè)器7內(nèi)。第一驅(qū)動(dòng)電源2和第二 驅(qū)動(dòng)電源12之間連接有觸發(fā)控制器15 ;信號(hào)處理器13包含三個(gè)輸入端口 13a、 13b、 13c和 一個(gè)輸出端口 13d，第一輸入端口 13a與光電探測(cè)器7的輸出端相連，第二輸入端口 13b與 第一驅(qū)動(dòng)電源2相連，第三輸入端口 13c與第二驅(qū)動(dòng)電源12相連，輸出端口 13d與數(shù)字顯 示器14相連。測(cè)量位移前，需要優(yōu)化正弦相位調(diào)制深度至1. 841，以消除光源的光強(qiáng)調(diào)制引 起的系統(tǒng)誤差。 所說的光電探測(cè)器7內(nèi)部集成有放大電路。 測(cè)量位移前，需要合理選擇第一光源1和第二光源10的注入電流以及準(zhǔn)直器8和 被測(cè)物體9之間的初始光程差等參數(shù)，以優(yōu)化正弦相位調(diào)制深度至1. 841。
所說的信號(hào)處理器13的結(jié)構(gòu)為信號(hào)處理器13的第一輸入端口 13a與第一乘法 器1302、第二乘法器1303、第三乘法器1316和第四乘法器1317相連，其中第一乘法器1302 與第一低通濾波器1304和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器1306串聯(lián)后接入第一單片機(jī)1308內(nèi)，第二乘法 器1303與第二低通濾波器1305和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器1307串聯(lián)后接入第一單片機(jī)1308內(nèi)， 第三乘法器1316與第三低通濾波器1313和第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器1311串聯(lián)后接入第二單片機(jī) 1310內(nèi)，第四乘法器1317與第四低通濾波器1314和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器1312串聯(lián)后接入第 二單片機(jī)1310內(nèi)；信號(hào)處理器13的第二輸入端口 13b與第一倍頻器1301和第二乘法器 1303相連，其中第一倍頻器1301與第一乘法器1302相連；信號(hào)處理器13的第三輸入端口 13c與第二倍頻器1315和第四乘法器1317相連，其中第二倍頻器1315與第三乘法器1316 相連；第一單片機(jī)1308的輸出端與減法器1309和第六乘法器1320相連，第二單片機(jī)1310 的輸出與第一單片機(jī)1308的輸出同步接入減法器1309后連入第五乘法器1318，經(jīng)過除法 器1319后接入第七乘法器1321內(nèi)，第六乘法器1320和第七乘法器1321的輸出分別與加 法器1322相連；加法器1322的輸出接入數(shù)字顯示器14內(nèi)。 所說的第一單片機(jī)1308和第二單片機(jī)1310具有進(jìn)行四則運(yùn)算和求解反正切函數(shù) 的功能。 第一驅(qū)動(dòng)電源2為第一光源1提供直流和正弦交流電流，第二驅(qū)動(dòng)電源12為第二 光源10提供直流和正弦交流電流，第一光源1和第二光源10的出射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度被正 弦調(diào)制，兩束被調(diào)制的光分別經(jīng)過第一段光纖401和第六段光纖403進(jìn)入第一光纖耦合器 4，從第一光纖耦合器4出射的光經(jīng)過第二段光纖402進(jìn)入隔離器5，并依次經(jīng)過第三段光 纖601、第二光纖耦合器6、第四段光纖602和準(zhǔn)直器8， 一部分光在準(zhǔn)直器與空氣交界的端 面反射，另一部分光經(jīng)過準(zhǔn)直器8后以平行光出射，經(jīng)待測(cè)物體9表面反射后，又經(jīng)準(zhǔn)直器8 進(jìn)入光纖。被準(zhǔn)直器8端面反射回去的參考光與物體表面反射的物光進(jìn)行干涉，產(chǎn)生的干 涉信號(hào)經(jīng)過第四段光纖602、第二耦合器6和第五段光纖603后，由光電探測(cè)器7檢測(cè)。由 光電探測(cè)器7檢測(cè)到的信號(hào)和第一驅(qū)動(dòng)電源2以及第二驅(qū)動(dòng)電源12的輸出信號(hào)一起送入 信號(hào)處理器13處理后得到待測(cè)物體的位移。本發(fā)明的雙波長(zhǎng)正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉 儀工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)第一驅(qū)動(dòng)電源2與第二驅(qū)動(dòng)電源12輸出的正弦交流電流幅度以及準(zhǔn)直 器8和待測(cè)物體9之間的初始光程差等參數(shù)，以優(yōu)化光電探測(cè)器檢測(cè)到的干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的調(diào)制深度，從而精確地求出兩個(gè)干涉信號(hào)相位的正弦值和余弦值，進(jìn)而精確地求出單波長(zhǎng) 和合成波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位以及待測(cè)物體9的位移。 向第一光源1和第二光源10注入電流后，其波長(zhǎng)和強(qiáng)度分別表示為 入Jt)=入m+l3MlmJt)
， (1)





入2(t) = A02+e02Im2(t) gl(t) = IV [Io凡(t)]
(2)
g2(t) = V [i02+im2(t)]
其中，A Q1和A 。2分別為第一光源1和第二光源10的中心波長(zhǎng)，13 m和13 。2分別
為第一光源1和第二光源10的波長(zhǎng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)，13/和|32'分別為第一光源
1和第二光源10的光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)。IQ1和I。2分別為第一驅(qū)動(dòng)電源2和第二驅(qū)
動(dòng)電源12的直流偏置，Iml(t)和Im2(t)分別為第一驅(qū)動(dòng)電源2和第二驅(qū)動(dòng)電源12提供的
正弦交流電流，它們可以表示為 Iml (t) = a丄cos co丄t ， (3) Im2(t) = a2 cos co2t 其中和"2分別為第一光源1和第二光源10正弦調(diào)制的角頻率，A和a2分別 為第一驅(qū)動(dòng)電源2和第二驅(qū)動(dòng)電源12提供的正弦交流電流的幅度。
光電探測(cè)器檢測(cè)到的干涉信號(hào)可以表示為
S(t) = S丄(t)+S2(t) = g丄(t) [S01+Sucos (z丄cos co丄t十a(chǎn)》]+g2 (t) [S02+S12cos (z2cos co 2t+ a 2)]
= [I01+Iml(t)] [So,SnCOS(z^osWit+a》] +P2' [I02+Im2(t)] [S02+S12cos(z2cos co2t+a 2)] ， (4)
= Si (1+ P iCOS co A) [S01+Sucos (z丄cos co a》]
+S2 (1+ P 2cos co 2t) [S02+S12cos (z2cos co 2t+ a 2)] 其中，S!二P/ Im，S2二I^' 1。2是分別為第一光源l和第二光源10輸出光強(qiáng) 的直流部分；P工=a乂I。p 13 2 = a2/I。2分別為第一光源1和第二光源10注入電流交流成分 的幅值與直流偏置的比值；SQ1和Su分別為不考慮光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，干涉信號(hào)項(xiàng)Sjt)和S2(t) 的直流成分，S。2和S12分別為不考慮光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，干涉信號(hào)項(xiàng)Sjt)和S2(t)的交流成分； Zl =4;^^〃^，^ =4加2>9。2〃4為兩干涉信號(hào)S: (t)和S2 (t)對(duì)應(yīng)的正弦相位調(diào)制深度； a , = (4 / A ?！?禾P a 2 = (4 / A 。2) 1為由準(zhǔn)直器8和待測(cè)物體9之間的初始距離1所 決定的相位。 如圖2所示，第一驅(qū)動(dòng)電源2的輸出信號(hào)輸入到信號(hào)處理器13，進(jìn)入第二乘法器 1303與第一倍頻器1301，由第一倍頻器1301輸出的信號(hào)又進(jìn)入第一乘法器1302。光電探 測(cè)器8的輸出信號(hào)輸入到信號(hào)處理器13，進(jìn)入第一乘法器1302和第二乘法器1303，第一乘 法器1302的輸出信號(hào)與第二乘法器1303的輸出信號(hào)分別經(jīng)過第一低通濾波器1304和第 二低通濾波器1305后，進(jìn)入第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器1306和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器1307。
第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器1307的輸出信號(hào)可表示為
S々)^Ia(&^ +S11S11[</0o1)- /2o1)]cosa1}-S1Sir/1o1)sina1 ， (5)
力 本發(fā)明巧妙地通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器8和待測(cè)物體9之間的初始距離1和第一驅(qū)動(dòng)電源 2的正弦交流電流幅值^，使正弦相位調(diào)制深度^ = 1.841，此時(shí)J。(z》=J2(z》，使(5)式 可改寫為
因而sina工的值可通過下式在第一單片機(jī)1308內(nèi)求得
(6)
1
(7)
S i(zi) 其中，S工和|3工是與第一光源1輸出光強(qiáng)有關(guān)的常量，SM和Su是與準(zhǔn)直器8的端 面的透射率和待測(cè)物體9表面的反射率有關(guān)的常量，它們均作為已知常數(shù)輸入第一單片機(jī) 1308內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。 第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器1306的輸出信號(hào)可表示為
(8)
(9)尸21 (0 =-垂朋《i [ A (5) - 《/3 (X)] sin % - SS A (a ) cos % ， cos a工的值可通過下式在第一單片機(jī)1308內(nèi)求得cosa, =_ 1 j尸2,0) + ";[他)-人0》]s— 第一單片機(jī)1308具有求解反正切函數(shù)的功能，a工的值可以通過下式求得
a丄=arctan (sin a 乂cos a》，(10) 類似的，a 2的值可以由第三數(shù)模轉(zhuǎn)換器1311和第四數(shù)模轉(zhuǎn)換器1312的輸出，經(jīng) 過第二單片機(jī)1310處理后求得。 將第一單片機(jī)1308的輸出、和第二單片機(jī)1310的輸出a2同時(shí)輸入減法器，得 到兩者的差值 a = a 「。2 = (4Ji/入e)1， (11) 其中，a為合成波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的相位，、=AmW(A。2-A。》為合成波長(zhǎng)。
待測(cè)物體由初始位置移動(dòng)一段微小距離后，測(cè)得合成波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位為a '
將兩次測(cè)得的合成波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位輸入減法器1309，減法器1309的輸出即為物體移動(dòng)前 后所測(cè)得的干涉信號(hào)合成波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位差
A a = a ' - a ， (12) 將減法器1309的輸出信號(hào)經(jīng)過第五乘法器1318，得到待測(cè)物體的位移量的粗測(cè) 值 dc =(入e/4Ji) A a ， (13) 第五乘法器1318的輸出經(jīng)過除法器1319后，得到滿足 < -14 < 2《< Mm +|4的整數(shù)m，再經(jīng)過第七乘法器l321得到會(huì)m A 01。與此同時(shí)，第
一單片機(jī)1308將輸出物體移動(dòng)前后所測(cè)得的干涉信號(hào)A Q1對(duì)應(yīng)的相位差
A a j = a / -a " (14)
將第一單片機(jī)1308的輸出接入第六乘法器1320將得到A Q1 A a 乂4 。第六乘法 器1320和第七乘法器1322的輸出經(jīng)過加法器后便可得到待測(cè)物體的位移量 d二丄w/^(15) 2 4;r 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(15)式中等號(hào)右邊的第一項(xiàng)能達(dá)到小于lnm的精度，由于考慮了光 源光強(qiáng)調(diào)制的影響，第二項(xiàng)能達(dá)到3nm的精度，因此位移的測(cè)量精度為3nm。
如圖1所示的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，通過觸發(fā)控制器15使第一光 源1的正弦相位調(diào)制角頻率為"i = 1000Hz，第二光源10的正弦相位調(diào)制角頻率為"2 = 4250Hz。其中第一光源1和第二光源10采用波長(zhǎng)分別為1306. 0nm和1314. 0nm的半導(dǎo)體 激光器，合成波長(zhǎng)A e = 214. 5iim。兩個(gè)光源的最大輸出功率均為2. 5mW。模擬低通濾波 器的截止頻率為100Hz。測(cè)量時(shí)，調(diào)整準(zhǔn)直器8和待測(cè)物體9的初始位置以及兩光源的交 流驅(qū)動(dòng)電流幅值，使得兩干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的正弦相位調(diào)制深度均為1.841。此時(shí)，可以通過信 號(hào)處理器13求得待測(cè)物體9移動(dòng)前的合成波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的相位a和入M所對(duì)應(yīng)的相位Ql。 待測(cè)物體移動(dòng)后，再次通過信號(hào)處理器13求得待測(cè)物體9移動(dòng)后的合成波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的相位 a '和入M所對(duì)應(yīng)的相位a/ 。之后便可利用相位差A(yù) a和A a '通過信號(hào)處理器13 求得待測(cè)物體的位移量d。 由圖1可知，測(cè)量裝置采用菲索干涉儀結(jié)構(gòu)，可測(cè)量的物體位移范圍為二分之一 個(gè)合成波長(zhǎng)，即107. 25 ii m，測(cè)量誤差在3nm以內(nèi)。
權(quán)利要求
一種雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，包括由第一驅(qū)動(dòng)電源(2)驅(qū)動(dòng)的帶有第一溫度控制器(3)的第一光源(1)、由第二驅(qū)動(dòng)電源(12)驅(qū)動(dòng)的帶有第二溫度控制器(11)的第二光源(10)、第一光纖耦合器(4)、第二光纖耦合器(6)、隔離器(5)、準(zhǔn)直器(8)、光電探測(cè)器(7)和信號(hào)處理器(13)，所述的第一驅(qū)動(dòng)電源(2)為第一光源(1)提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流電流，由第一光源(1)發(fā)射的光束通過第一段光纖(401)進(jìn)入第一光纖耦合器(4)內(nèi)，由第一光纖耦合器(4)出射后，通過第二段光纖(402)進(jìn)入隔離器(5)，由隔離器(5)出射后，通過第三段光纖(601)進(jìn)入第二光纖耦合器(6)內(nèi)，由第二光纖耦合器(6)出射后通過第四段光纖(602)，經(jīng)過準(zhǔn)直器(8)準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體(9)上，由被測(cè)物體(9)表面反射的光和由準(zhǔn)直器(8)出射端面反射的光通過準(zhǔn)直器(8)后，經(jīng)過第五段光纖(603)入射到光電探測(cè)器(7)內(nèi)，所述的第二驅(qū)動(dòng)電源(12)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)λ2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(403)進(jìn)入第一光纖耦合器(4)內(nèi)，由第一光纖耦合器(4)出射后，通過第二段光纖(402)射入隔離器(5)，由隔離器(5)出射后，通過第三段光纖(601)進(jìn)入第二光纖耦合器(6)內(nèi)，由第二光纖耦合器(6)出射后通過第四段光纖(602)，經(jīng)過第一準(zhǔn)直器(8)準(zhǔn)直后照射到被測(cè)物體(9)上，由被測(cè)物體(9)表面反射的光和由準(zhǔn)直器(8)端面反射的光通過準(zhǔn)直器(8)后，經(jīng)過第五段光纖(603)進(jìn)入光電探測(cè)器(7)內(nèi)，第一驅(qū)動(dòng)電源(2)和第二驅(qū)動(dòng)電源(12)之間連接有觸發(fā)控制器(15)，信號(hào)處理器(13)包含三個(gè)輸入端口第一輸入端(13a)、第二輸入端口(13b)、第三輸入端口(13c)和一個(gè)輸出端口(13d)，第一輸入端口(13a)與光電探測(cè)器(7)的輸出端相連，第二輸入端口(13b)與第一驅(qū)動(dòng)電源(2)相連，第三輸入端口(13c)與第二驅(qū)動(dòng)電源(12)相連，輸出端口(13d)與數(shù)字顯示器(14)相連，其特征在于，測(cè)量位移前，選擇第一光源(1)和第二光源(10)的注入電流以及準(zhǔn)直器(8)和被測(cè)物體(9)之間的初始距離，優(yōu)化正弦相位調(diào)制深度為1.841。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，其特征在于所說的信號(hào)處理器(13)的結(jié)構(gòu)為信號(hào)處理器(13)的第一輸入端口 (13a)與第一乘法器(1302)、第二乘法器(1303)、第三乘法器(1316)和第四乘法器(1317)相連，其中第一乘法器(1302)與第一低通濾波器(1304)和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1306)串聯(lián)后接入第一單片機(jī)(1308)內(nèi)，第二乘法器(1303)與第二低通濾波器(1305)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1307)串聯(lián)后接入第一單片機(jī)(1308)內(nèi)，第三乘法器(1316)與第三低通濾波器(1313)和第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1311)串聯(lián)后接入第二單片機(jī)(1310)內(nèi)，第四乘法器(1317)與第四低通濾波器(1314)和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1312)串聯(lián)后接入第二單片機(jī)(1310)內(nèi)；信號(hào)處理器(13)的第二輸入端口 (13b)與第一倍頻器(1301)和第二乘法器(1303)相連，其中第一倍頻器(1301)與第一乘法器(1302)相連；信號(hào)處理器(13)的第三輸入端口 (13c)與第二倍頻器(1315)和第四乘法器(1317)相連，其中第二倍頻器(1315)與第三乘法器(1316)相連；第一單片機(jī)(1308)的輸出端與減法器(1309)和第六乘法器(1320)相連，第二單片機(jī)(1310)與第一單片機(jī)(1308)的輸出同步接入減法器(1309)后連入第五乘法器(1318)，經(jīng)過除法器(1319)后接入第七乘法器(1321)內(nèi)，第六乘法器(1320)和第七乘法器(1321)的輸出分別與加法器(1322)相連；加法器(1322)的輸出接入數(shù)字顯示器(14)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，其特征在于所說的第一單片機(jī)(1308)和第二單片機(jī)(1310)具有進(jìn)行四則運(yùn)算和求解反正切函數(shù)的功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，其特征在于所說的光電探測(cè)器(7)內(nèi)部集成有放大電路。
全文摘要
一種雙光源正弦相位調(diào)制位移測(cè)量干涉儀，適用于靜態(tài)位移的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)包括光源、光纖耦合器、隔離器、準(zhǔn)直器、光電探測(cè)器和信號(hào)處理器。所述的光源帶有驅(qū)動(dòng)電源和溫度控制器，且波長(zhǎng)不相等；兩驅(qū)動(dòng)電源之間連接有初始相位相同的觸發(fā)控制器；光電探測(cè)器將接收到的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到信號(hào)處理器內(nèi)，信號(hào)處理器的另外兩個(gè)輸入端口分別與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源相連接，經(jīng)信號(hào)處理器處理后的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)字顯示器上。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不采用體光學(xué)元件；通過合理地選擇正弦相位調(diào)制深度，從原理上消除了因未考慮光源的光強(qiáng)調(diào)制而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差，提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101738160SQ20091020084
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者李中梁, 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