專利名稱：一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光位移傳感器的光信號(hào)處理方法，特別是關(guān)于一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法。
背景技術(shù)：
如圖I所示，采用激光位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，當(dāng)雙頻激光器輸出功率較小時(shí)(低增益)，在壓電陶瓷電壓上升和電壓下降的過(guò)程中，由于腔長(zhǎng)的變化，ο光和e光出現(xiàn)順序顯著不同，ο光和e光在每個(gè)半波長(zhǎng)周期內(nèi)有兩個(gè)光強(qiáng)相等的點(diǎn)，稱為高等光強(qiáng)點(diǎn)和低等光強(qiáng)點(diǎn)，當(dāng)高等光強(qiáng)點(diǎn)和低等光強(qiáng)點(diǎn)之間的縱向差距較大時(shí)，電路信號(hào)處理相對(duì)容易。例如專利號(hào)為ZL200910076308. 3，名稱為“ 1152nm波長(zhǎng)氦氖激光器納米測(cè)尺”的中國(guó)專利，米用輸出光為1152nm波長(zhǎng)的紅外光激光器作為位移傳感器的核心,使得在分辨率不變的 條件下，量程可以擴(kuò)大至IOOmm以上，利用紅外光激光器的高增益，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。如圖2所示，其電路信號(hào)處理過(guò)程為其中一條曲線為ο光的功率調(diào)諧曲線，另一條曲線為e光的功率調(diào)諧曲線，首先將信號(hào)整體放大，高等光強(qiáng)點(diǎn)F和低等光強(qiáng)點(diǎn)G之間的縱向差距較大，圖中A E表示一個(gè)出光帶寬的完整周期被均分為四等份，即AB=BC=⑶=DE，為了方便信號(hào)處理，在高等光強(qiáng)點(diǎn)F和低等光強(qiáng)點(diǎn)G之間設(shè)置一個(gè)閾值H，只對(duì)閾值H以上的信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，其中，AB段只有ο光，BC為ο光和e光的混合光，⑶只有e光，DE為無(wú)光區(qū)，A E表示腔鏡移動(dòng)λ/2，則四個(gè)等分區(qū)分別表示λ/8，即實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)內(nèi)的四細(xì)分。從實(shí)際測(cè)量來(lái)看，對(duì)于雙頻激光器功率較小的位移測(cè)量系統(tǒng)，在一般的導(dǎo)軌直線度水平上，腔鏡移動(dòng)10 20mm的范圍內(nèi)雙頻激光器可以出光，光強(qiáng)不穩(wěn)定；繼續(xù)加大移動(dòng)范圍時(shí)，雙頻激光器便無(wú)法出光，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)該選擇輸出功率較大的雙頻激光器進(jìn)行位移測(cè)量，但是隨著雙頻激光器輸出功率不斷增大，雙頻激光器輸出的兩線偏振光ο光和e光無(wú)法在相鄰的高、低等光強(qiáng)點(diǎn)處顯著分開，尤其當(dāng)雙頻激光器輸出功率較大時(shí)，相鄰的高、低兩等光強(qiáng)點(diǎn)光強(qiáng)可能非常相近，這樣導(dǎo)致在采用上述納米測(cè)尺設(shè)定閾值方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，容易引起誤計(jì)數(shù)，從而造成較大的測(cè)量誤差。如圖3所示，通過(guò)對(duì)圖3所示的功率調(diào)諧曲線進(jìn)行放大觀察，一個(gè)周期內(nèi)兩處等光強(qiáng)點(diǎn)的信號(hào)電壓并非完全相等，而是有一定的電壓差，同時(shí)觀察到圖3與圖I中兩相鄰等光強(qiáng)點(diǎn)的絕對(duì)電壓差值相近，只是因?yàn)閳D3中信號(hào)的整體幅度較大，兩等光強(qiáng)點(diǎn)幅度顯示比較接近，因此如果能夠使得相鄰兩等光強(qiáng)點(diǎn)的電壓差保持不變而信號(hào)的整體幅度大幅縮小，這樣就能夠使高低等光強(qiáng)點(diǎn)顯著分開。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種當(dāng)采用大功率雙頻激光器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，能夠使雙頻激光器輸出的ο光和e光的相鄰高、低等光強(qiáng)點(diǎn)顯著分開，有效避免較大測(cè)量誤差的高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，它包括雙頻激光器、光電轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、壓電陶瓷和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路，所述雙頻激光器包括激光增益管、輸出鏡和增透窗片，所述輸出鏡外側(cè)設(shè)置有與激光傳播方向垂直的渥拉斯頓棱鏡，對(duì)應(yīng)所述渥拉斯頓棱鏡的出光方向分別設(shè)置有第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器；所述渥拉斯頓棱鏡是由第一直角棱鏡與第二直角棱鏡沿斜面粘合而成，所述第一直角棱鏡與所述第二直角棱鏡的光軸互相垂直且均垂直于入射面的面法線；其特征在于將所述渥拉斯頓棱鏡、第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器作為整體以所述雙頻激光器出射的激光為軸旋轉(zhuǎn)角度ω，使經(jīng)所述雙頻激光器垂直入射到所述第一直角棱鏡的兩正交線偏振光，其中一偏振光的振動(dòng)方向與所述第一直角棱鏡的光軸成ω角度，另一偏振光
的振動(dòng)方向與所述第一直角棱鏡的光軸成f- 角度，經(jīng)所述渥拉斯頓棱鏡輸出的X光和y
光分別被所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器接收。 所述X光為所述雙頻激光器出射的兩正交線偏振光的混合光，即O光和與e光的混合光，混合比例為k, k = sin2 ω ,所述y光為ο光與e光的混合光,混合比例為l_k。所述ω的取值范圍為0≤ω≤180。所述雙頻激光器采用波長(zhǎng)為1152nm的氦氖雙頻激光器。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于將渥拉斯頓棱鏡、第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器作為整體以雙頻激光器輸出的激光為軸旋轉(zhuǎn)ω角度，使經(jīng)雙頻激光器垂直入射到第一直角棱鏡的兩正交線偏振光，其中一偏振光的振動(dòng)方向與第
一直角棱鏡的光軸成ω角度，另一偏振光的振動(dòng)方向與第一直角棱鏡的光軸成角度，
此時(shí)雙頻激光器輸出兩線偏振光發(fā)射到旋轉(zhuǎn)后的渥拉斯頓棱鏡，經(jīng)渥拉斯頓棱鏡輸出的X光和y光分別被第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器接收，因此本發(fā)明在不增加任何系統(tǒng)成本和電路復(fù)雜度的前提下，使得一個(gè)周期內(nèi)相鄰高、低兩等光強(qiáng)點(diǎn)的電壓差保持不變，信號(hào)的整體幅度大幅縮小，從而使相鄰聞、低兩等光強(qiáng)點(diǎn)的電壓差在/[目號(hào)整體中占有較大的比例，使得相鄰高、低等光強(qiáng)點(diǎn)顯著分開，方便了信號(hào)處理，有效避免了由于兩個(gè)等光強(qiáng)點(diǎn)在整體信號(hào)中距離過(guò)近導(dǎo)致誤計(jì)數(shù)引起的測(cè)量誤差，大大提高了激光位移測(cè)量系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于激光位移測(cè)量的信號(hào)處理過(guò)程中。


圖I是雙頻激光器輸出激光功率較小時(shí)的功率調(diào)諧曲線，其中“ ，，為O光，“ 一:一 ”為e光；橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位S，縱坐標(biāo)為信號(hào)電壓，單位V，折線表示為壓電陶瓷(PZT)電壓上升和下降的過(guò)程；圖2是現(xiàn)有的信號(hào)計(jì)數(shù)處理方法示意圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位S，縱坐標(biāo)為信號(hào)電壓,單位V ；圖3是雙頻激光器輸出激光功率較大時(shí)的功率調(diào)諧曲線，“一，，為ο光，“ ”為e光；橫坐標(biāo)表示時(shí)間,單位s,縱坐標(biāo)為信號(hào)電壓,單位V,折線表示為壓電陶瓷電壓上升和下降的過(guò)程；圖4是現(xiàn)有的高增益激光器位移傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中渥拉斯頓棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，“丨”表示第一直角棱鏡光軸方向平行于紙面，“ · ”表示第二直角棱鏡光軸方向垂直于紙面；圖6是k取O時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為X光，“為y光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱；圖7是k取O. I時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為X光，“ 為y光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱；圖8是k取O. 2時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為x光，“ ”為y光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱；圖9是k取O. 3時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為x光，“ ”為y光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱；圖10是k取O. 4時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為x光，“ ο ”為I光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱；圖11是k取O. 45時(shí)X光與y光的功率調(diào)諧曲線示意圖，“ ”為x光，“ ο ”為I光，橫坐標(biāo)表示腔長(zhǎng)變化，單位nm，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)，無(wú)量綱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖4所示，本發(fā)明所采用的激光位移傳感器與現(xiàn)有技術(shù)公開的1152nm波長(zhǎng)氦氖激光器納米測(cè)尺中所采用的激光位移傳感器結(jié)構(gòu)基本相同，它包括雙頻激光器、光電轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路；雙頻激光器包括激光增益管1，激光增益管I的一端設(shè)置輸出鏡2，另一端設(shè)置增透窗片3，輸出鏡2外側(cè)設(shè)置有與激光傳播方向垂直的偏振分光棱鏡4,對(duì)應(yīng)偏振分光棱鏡4的出光方向分別設(shè)置有第一光電探測(cè)器5和第二光電探測(cè)器
6;增透窗片3外側(cè)沿著激光傳播方向依次設(shè)置有雙折射晶體7和腔鏡8，腔鏡8的外側(cè)固定設(shè)置有壓電陶瓷(PZT)9，壓電陶瓷9與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路10的正負(fù)極相連接，雙頻激光器輸出激光經(jīng)輸出鏡2發(fā)射到偏振分光棱鏡4,偏振分光棱鏡4輸出互相垂直的水平偏振光和垂直偏振光分別由第一光電探測(cè)器5和第二光電探測(cè)器6接收并發(fā)送到光電轉(zhuǎn)換電路11的兩個(gè)輸入端，光電轉(zhuǎn)換電路11將接收到的光信號(hào)進(jìn)行處理發(fā)送到單片機(jī)12，單片機(jī)12控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路10驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷9工作。如圖5所示，本發(fā)明中偏振分光棱鏡4采用渥拉斯頓棱鏡4，渥拉斯頓棱鏡4是由第一直角棱鏡41與第二直角棱鏡42沿斜面粘合而成的矩形棱鏡,第一直角棱鏡41與第二直角棱鏡42的光軸互相垂直且均垂直于入射面(MN面)的面法線，第一直角棱鏡41和第二直角棱鏡42均采用方解石晶體制作而成。經(jīng)雙頻激光器出射的兩正交線偏振光入射到渥拉斯頓棱鏡4的第一直角棱鏡41,當(dāng)兩線偏振光的振動(dòng)方向與第一直角棱鏡41的MN面平行或垂直時(shí)，兩正交線偏振光被嚴(yán)格分開，當(dāng)兩線偏振光的振動(dòng)方向與第一直角棱鏡的光軸成其它角度β (β古O或90)時(shí)，兩正交線偏振光經(jīng)渥拉斯頓棱鏡4后未能分開，而是按照不同比例混合在兩束光中。根據(jù)正交偏振激光的原理，腔鏡8每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，輸出鏡2輸出的激光光強(qiáng)波動(dòng)一個(gè)周期，腔鏡8輸出的激光為ο光和e光的混合光，將ο光和e光不等比例混合形成另外兩束光x光和y光，X光中包含部分ο光和e光，y光中也包含部分ο光和e光，假設(shè)混合比例為k(0 < k < 1)0光進(jìn)入X光，則比例為(Ι-k)的ο光進(jìn)入J光；同理，比例為k的e光進(jìn)入I光，比例為(Ι-k)的e光進(jìn)入X光,則X光和y光的光強(qiáng)表不為Ix/y = kX I0/e+(1-k) XIe7o
根據(jù)上述原理，本發(fā)明將渥拉斯頓棱鏡4、第一光電探測(cè)器5和第二光電探測(cè)器6作為整體以雙頻激光器輸出的激光為軸旋轉(zhuǎn)ω角度(OS ω ( 180)，使經(jīng)雙頻激光器垂直入射到第一直角棱鏡41的兩正交線偏振光,其中一偏振光的振動(dòng)方向與第一直角棱鏡41
的光軸成ω角度，另一偏振光的振動(dòng)方向與第一直角棱鏡41的光軸成角度,此時(shí)雙頻
激光器輸出兩線偏振光發(fā)射到旋轉(zhuǎn)后的渥拉斯頓棱鏡4，經(jīng)渥拉斯頓棱鏡4輸出的X光和y光分別被第一光電探測(cè)器5和第二光電探測(cè)器6接收，其中X光為ο光與e光的混合光，混合比例為k，y光為ο光與e光的混合光，混合比例為l_k，k = Sin2Co，夾角ω的大小可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行確定，只要將一個(gè)周期內(nèi)相鄰的高、低兩個(gè)等光強(qiáng)點(diǎn)分開即可。如圖6 11所示，下面通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程，雙頻激光器采用波長(zhǎng)為1152nm的氦氖雙頻激光器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)渥拉斯頓棱鏡4，使第一直角棱鏡41與經(jīng)雙頻激光器出射的激光形成一系列不同的角度0，使得1^=0、(). 1、0. 2、0. 3、
O.4和O. 45，當(dāng)混合比例k值的取值逐漸增大時(shí)，可以觀察到ο光與e光的相鄰高、低等 光強(qiáng)點(diǎn)逐漸明顯分開，例如x光中ο光與e光的混合比例k取O. 45，旋轉(zhuǎn)角度為ω約為arcsinO. 67082，從圖11中可以看出相鄰高、低等光強(qiáng)點(diǎn)的絕對(duì)電壓差并未發(fā)生改變，但是信號(hào)的整體幅度被大大壓縮，ο光與e光的相鄰高、低等光強(qiáng)點(diǎn)顯著分開，這樣就可以采用現(xiàn)有的方法方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。綜上所述，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，采用本發(fā)明的偏振混疊方法，不僅可以顯著增加高低等光強(qiáng)點(diǎn)的相對(duì)距離，方便地對(duì)各細(xì)分區(qū)間的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且并未改變相鄰高低等光強(qiáng)點(diǎn)的橫向位置，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中方法的所有實(shí)施過(guò)程等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，它包括雙頻激光器、光電轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、壓電陶瓷和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路，所述雙頻激光器包括激光增益管、輸出鏡和增透窗片，所述輸出鏡外側(cè)設(shè)置有與激光傳播方向垂直的渥拉斯頓棱鏡，對(duì)應(yīng)所述渥拉斯頓棱鏡的出光方向分別設(shè)置有第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器；所述渥拉斯頓棱鏡是由第一直角棱鏡與第二直角棱鏡沿斜面粘合而成，所述第一直角棱鏡與所述第二直角棱鏡的光軸互相垂直且均垂直于入射面的面法線；其特征在于將所述渥拉斯頓棱鏡、第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器作為整體以所述雙頻激光器出射的激光為軸旋轉(zhuǎn)角度ω，使經(jīng)所述雙頻激光器垂直入射到所述第一直角棱鏡的兩正交線偏振光，其中一偏振光的振動(dòng)方向與所述第一直角棱鏡的光軸成ω角度，另一偏振光的振動(dòng)方向與所述第一直角棱鏡的光軸成角度，經(jīng)所述渥拉斯頓棱鏡輸出的X光和I光分別被所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器接收。
2.如權(quán)利要求I所述的一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，其特征在于所述X光為所述雙頻激光器出射的兩正交線偏振光的混合光，即O光和與e光的混合光,混合比例為k, k = sin2 ω ,所述y光為ο光與e光的混合光,混合比例為l_k。
3.如權(quán)利要求I所述的一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，其特征在于所述ω的取值范圍為0彡ω彡180。
4.如權(quán)利要求2所述的一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，其特征在于所述ω的取值范圍為0彡ω彡180。
5.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，其特征在于所述雙頻激光器采用波長(zhǎng)為1152nm的氦氖雙頻激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高增益激光位移傳感器的偏振混疊方法，它包括雙頻激光器、光電轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、壓電陶瓷和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路，雙頻激光器包括激光增益管、輸出鏡和增透窗片，輸出鏡外側(cè)設(shè)置有與激光傳播方向垂直的渥拉斯頓棱鏡，對(duì)應(yīng)渥拉斯頓棱鏡的出光方向分別設(shè)置有第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器；渥拉斯頓棱鏡是由第一直角棱鏡與第二直角棱鏡沿斜面粘合而成，第一直角棱鏡與第二直角棱鏡的光軸互相垂直且均垂直于入射面的面法線；其特征在于將渥拉斯頓棱鏡、第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器作為整體以雙頻激光器出射的激光為軸旋轉(zhuǎn)角度ω，經(jīng)渥拉斯頓棱鏡輸出的x光和y光分別被第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器接收。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于激光位移測(cè)量的信號(hào)處理過(guò)程中。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102829729SQ20121032360
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者張書練, 牛海莎, 談宜東, 李巖, 牛燕雄 申請(qǐng)人:清華大學(xué)