專利名稱：半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體激光干涉儀，特別是一種半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法。
背景技術(shù)：
信息技術(shù)和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，對位移檢測技術(shù)提出了越來越高的要求。干涉測量因為具有高精度、高分辨率、非接觸性等優(yōu)點被廣泛研究。正弦相位調(diào)制干涉技術(shù)是一種國際前沿的干涉測量技術(shù)，具有精度高、調(diào)制方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，近年來受到研究人員的重視，在位移測量領(lǐng)域得到了很大發(fā)展。在正弦相位調(diào)制位移測量干涉儀中，正弦相位調(diào)制深度是求解待測位移的關(guān)鍵參數(shù)，其測量精度將直接影響待測位移的精度。0. Sasaki等提出了一種全光纖正弦相位調(diào)制干涉儀(在先技術(shù)[1] ^Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibers for displacement measurement”，App 1. Opt. 27,4139-4142，1988)。此干涉儀利用干涉信號中三階分量和一階頻譜分量的比值確定正弦相位調(diào)制深度，由于在測量過程中，利用近似的干涉信號表達式對數(shù)據(jù)進行處理，沒有考慮光強調(diào)制的影響，從而引入了一定的系統(tǒng)誤差，進而降低了位移的測量精度。王學鋒等提出了一種消除光強調(diào)制影響的全光纖正弦相位調(diào)制干涉儀(在先技術(shù)[2] :"A sinusoidal phase-modulating fiber-optic interferometer insensitive to the intensity charge ofthe light source，，，Opt. Laser Technol· 35，219-222，2003)。 此干涉儀在使用在先技術(shù)[1]的方法確定正弦相位調(diào)制深度的基礎(chǔ)上，通過同步采集干涉信號與光源的輸出光強消除了光源光強調(diào)制帶來的測量誤差，但該干涉儀需要使用額外的光電探測器探測光源輸出光強。李中梁等提出了一種消除光強調(diào)制影響的位移測量干涉儀(在先技術(shù)[3] "Sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer insensitive to the intensity modulation ofthe light source”，Optik. 120，799-803，2009)。此方法在位移測量前，利用公式ζ =對正弦相位調(diào)制深度進行計算，利用該方法確定調(diào)制深度無需涉及干涉信號，但是需要知道干涉儀的初始光程差2隊和光源的波長調(diào)制系數(shù)β λ 等工作參數(shù)的準確值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法。本發(fā)明的測量方法可在干涉儀初始光程差和光源波長調(diào)制系數(shù)未知的條件下，實時地確定正弦相位調(diào)制深度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法，所述的半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀結(jié)構(gòu)包括由驅(qū)動電源驅(qū)動的帶有溫度控制器的光源、隔離器、光纖耦合器、準直器、被測物體、光電探測器、信號處理器，所述的驅(qū)動電源為光源提供直流電流和正弦調(diào)制電流，由光源發(fā)射的光束通過由隔離器、光纖耦合器和準直器準直后照射到被測物體上，由被測物體表面反射的光和由準直器出射端面反射的光通過準直器后，經(jīng)由光纖耦合器入射到光電探測器內(nèi)，信號處理器包含兩個輸入端口 第一輸入端和第二輸入端口，第一輸入端口與光電探測器的輸出端相連，第二輸入端口與驅(qū)動電源相連。所述的信號處理器的結(jié)構(gòu)為第一輸入端口與第一乘法器和第二乘法器相連，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)后接入單片機內(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)后接入單片機內(nèi)，信號處理器的第二輸入端口與倍頻器和第二乘法器相連，其中倍頻器與第一乘法器相連。所說的單片機具有求解數(shù)列最大值、最小值的程序。所說的光源是半導體激光器，作為測量光源用。所說的溫度控制器控制光源的溫度，使光源的溫度僅在士 0. 01°C的范圍內(nèi)變化。所說的半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀的正弦相位調(diào)制深度的測量方法，其具體測量步驟如下①采集正弦相位調(diào)制干涉信號S (t)開啟光源，設(shè)置光源的注入電流直流偏置為Itl,利用驅(qū)動電源產(chǎn)生正弦信號Im(t) =acosot調(diào)制光源，并通過光電探測器探測正弦相位調(diào)制干涉信號，此時的干涉信號為S(t) = g(t) {So+Sposlizcoscot+a (t) ]}= β j [I0+Im (t) ] {So+S^os [zcos ω t+ a (t) ]}，= S (1+ β cos ω t) {So+S^os [zcos ω t+ a (t) ]}其中，g(t)= ^itVI^t)] = S(1+^coswt)為光源的輸出光強；S = β J。是光源輸出光強的直流部分；β = a/%為注入電流交流成分Im(t)的幅值a與直流成分 I0的比值；Stl和S1分別為不考慮光強調(diào)制時干涉信號項S(t)的直流成分和交流成分； ζ 二 4卯久/。/<為正弦相位調(diào)制深度；α (t) = a0+ad(t), Q0= (4 π / λ Q) 1。為光程差決定的初始相位，ad(t) = (4Ji/A0)d(t)為物體位移d(t)決定的相位；②利用信號處理器對正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)進行濾波處理光電探測器探測到的正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)由信號處理器的第一輸入端口輸入至信號處理器內(nèi)，與信號處理器的第二輸入端口輸入的歸一化后的調(diào)制信號C0S t 通過第二乘法器相乘，并經(jīng)過第二低通濾波器濾波后得到信號P1 (t)Px{t) = LPF[S{t)· cos ω ](SS0 + SS1 [J0(ζ)- J2(ζ)]cosα(0} _SS1J,(ζ)sina{t)，信號處理器的第二輸入端口輸入的歸一化后的調(diào)制信號C0S t通過倍頻器生成二倍頻信號C0S2an，信號cos2 on與第一輸入端口輸入的干涉信號S(t)通過第一乘法器相乘，并經(jīng)過第一低通濾波器濾波后得到信號P2 (t)P2 (0 = LPF [5(0. cos 2ω ]= ~\fiSSx [J1 (ζ) - J3 (ζ)] sin a(t) - SS, J2 (ζ) cos a(t)‘
將濾波后得到的信號P1 (t)和P2 (t)分別通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機內(nèi)；③利用信號處理器提取P1 (t)和P2 (t)的最大值與最小值Plmax、Plmin、P2fflax和P2min， 并計算(Pifflax-PifflJ/(P2fflax-P2fflin)的值對②中，P1 (t)和P2 (t)中的參數(shù)進行變換得到
權(quán)利要求
1. 一種半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法，該方法測量的半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀結(jié)構(gòu)包括由驅(qū)動電源⑵驅(qū)動的帶有溫度控制器⑴的光源(3)、隔離器(4)、光纖耦合器(5)、準直器(6)、被測物體(7)、光電探測器(8)、信號處理器(9)，所述的驅(qū)動電源(2)為光源(3)提供直流電流和正弦調(diào)制電流，由光源(3)發(fā)射的光束通過由隔離器(4)、光纖耦合器(5)和準直器(6)準直后照射到被測物體(7)上，由被測物體(7) 表面反射的光和由準直器(6)出射端面反射的光通過準直器(6)后，經(jīng)由光纖耦合器(5) 輸出的正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)由光電探測器(8)探測，所述的信號處理器(9)包含兩個輸入端口 第一輸入端(9a)和第二輸入端口(9b)，第一輸入端口(9a)與所述的光電探測器(8)的輸出端相連，第二輸入端口(9b)與所述的驅(qū)動電源(2)相連，所說的信號處理器(9)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為第一輸入端口(9a)與第一乘法器(902)和第二乘法器(903)相連， 所述的第一乘法器(902)與第一低通濾波器(904)和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(906)串聯(lián)后接入單片機(908)內(nèi)，第二乘法器(903)與第二低通濾波器(905)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(907)串聯(lián)后接入單片機(908)內(nèi)，第二輸入端口(9b)與倍頻器(901)和第二乘法器(903)相連，所述的倍頻器(901)的輸出端與第一乘法器(902)相連，其特征在于該方法具體測量步驟如下①所述的光電探測器(8)采集的正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)輸入所述的信號處理器(9)開啟光源(3)，設(shè)置光源(3)的注入電流直流偏置為Itl,利用驅(qū)動電源(2)產(chǎn)生正弦信號Im(t) = acosot調(diào)制所述的光源(3)，光電探測器(8)探測的正弦相位調(diào)制干涉信號為S(t) = g(t) {So+Sposlizcoscot+a (t)]}=β i[I0+Im(t) ] {S0+SlCos[zcos ω t+ a (t)]}， =S (1+ β cos ω t) {So+SiCos [zcos ω t+ a (t) ]}其中，g(t) = β JVIm(t)] = S(1+^COSWt)為光源(3)的輸出光強；S = β J0 是光源(3)輸出光強的直流部分；β =VItl為注入電流交流成分Im(t)的幅值a與直流成分Itl的比值；Stl和S1分別為不考慮光強調(diào)制時干涉信號項S(t)的直流成分和交流成分； 2 = 4;^^/。/；^為正弦相位調(diào)制深度；α (t) = a0+ad(t), Q0= (4 π / λ Q) Itl為光程差決定的初始相位，ad(t) = (WX0)(Kt)為被測物體(7)位移d(t)決定的相位；②所述的信號處理器(9)對正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)進行濾波處理光電探測器(8)探測到的正弦相位調(diào)制干涉信號S(t)由信號處理器(9)的第一輸入端口(9a)輸入，與信號處理器(9)的第二輸入端口(9b)輸入的歸一化的調(diào)制信號cos ω t 通過第二乘法器(903)相乘，并經(jīng)過第二低通濾波器(905)濾波后得到信號P2 (t)P2(t) ^ LPF[S(t)-cos2at]^SS1 [J1 (ζ) - J3(ζ)]sina(t)-SS1J2(ζ)cosa{t)，由第二輸入端口(％)輸入的歸一化后的調(diào)制信號cos ω t通過所述的倍頻器(901)生成二倍頻信號cos2 cot，該二倍頻信號cos2 cot與第一輸入端口(9a)輸入的正弦相位調(diào)制干涉信號S (t)通過第一乘法器(902)相乘，并經(jīng)過第一低通濾波器(904)濾波后得到信號P1(t)
2.權(quán)利要求1所述的半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法，其特征在于所說的單片機(908)具有求解數(shù)列最大值、最小值的程序。
全文摘要
一種半導體激光正弦相位調(diào)制干涉儀調(diào)制深度的測量方法，所述的干涉儀結(jié)構(gòu)包括光源、隔離器、光纖耦合器、準直器、光電探測器和信號處理器。光電探測器將接收到的干涉信號轉(zhuǎn)換成電信號與光源驅(qū)動電源的電壓信號一起輸入信號處理器內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，得到正弦相位調(diào)制深度。本發(fā)明的測量方法，考慮了光源光強調(diào)制的影響，可在干涉儀初始光程差和光源波長調(diào)制系數(shù)未知的條件下，實時地確定正弦相位調(diào)制深度。
文檔編號G01M11/02GK102288387SQ20111010554
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者李中梁, 王向朝, 王渤帆 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所