專利名稱：自掃描光電二極管列陣單頻激光干涉測長儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為長度測量儀器。
激光干涉測長儀器由于它的測量精度高，速度快，測量范圍大，適用性廣而得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。以激光干涉技術(shù)做為長度測量的方法目前主要有兩類，一類是用單頻穩(wěn)頻激光器的單頻激光干涉系統(tǒng)，一類是用雙頻激光器的雙頻激光干涉系統(tǒng)。
單頻激光干涉儀的工作原理如下其常用的邁克爾遜干涉光路見圖1。從激光器(1)發(fā)出頻率為f0的光束經(jīng)析光鏡(2)分成兩路。一路射向參考鏡(3)，一路射向測量鏡(4)，兩路光束經(jīng)反射后在D處會合，形成固定不動的干涉條紋。測量鏡(4)安置在運動物體上，當(dāng)運動物體以一定速度v移動時，由于多普勒效應(yīng)，從測量鏡(4)反射回來的光其頻率有一增值±Δf。頻率為fo及fo±Δf的兩束光在D處會合時，會產(chǎn)生“拍”的現(xiàn)象，Δf為拍頻，要使干涉條紋移動。光電管(5)接收到干涉條紋的移動信號，通過計算移動條紋的數(shù)量即可換算獲得運動物體移動距離(長度)。v＝0時干涉場光強(qiáng)分布不變，光電管接到直流信號。按這一原理制成的測長儀，由于光電管輸出的幅值是主要信息量，所以受直流放大飄移，及光強(qiáng)衰減等因素的影響，使干涉系統(tǒng)的抗干擾能力較差。
雙頻激光干涉儀的工作原理如下圖2為雙頻激光干涉儀原理圖。激光器(6)上加上由永久磁鐵(7)產(chǎn)生的磁場，由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)，發(fā)出一束含有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，其頻率為f1和f2。這束光通過1/4波片(8)后成為兩個互相垂直的線偏振光再經(jīng)過平行光管(9)擴(kuò)束和準(zhǔn)直。
從平行光管出來的這束光經(jīng)過析光鏡(10)反射出一小部分作為參考光束通過45°放置的檢偏器(11)，由馬呂斯定律可知，兩個垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光，產(chǎn)生拍頻。這個拍的頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個光頻的差值即(f1-f2)。經(jīng)光電元件(12)接收進(jìn)入前置放大器(13)和計算機(jī)(21)。
其余的透過部分沿原方向射向偏振分光棱鏡(15)?；ハ啻怪钡木€偏振光f1和f2被分開。f2射向立體棱鏡(14)后返回，f1頻率的光透過偏振棱鏡(15)到測量立體棱鏡(16)，這時如果測量立體棱鏡(16)以速度v運動，f1的返回光便有了變化成為(f1+Δf)。這束光返回后重新通過偏振分光鏡(15)并與f2的返回光會合，然后被直角棱鏡(17)反射到45°放置的檢偏器(18)上產(chǎn)生拍頻被光電原件(19)接收，進(jìn)入前置放大器(20)和計算機(jī)(21)。
計算機(jī)對兩路信號進(jìn)行比較，計算出它們之間的差值±Δf(即多普勒頻差)。進(jìn)而便求得被測長度值。
在雙頻激光干涉儀中，“雙頻”起了調(diào)制作用。它在被測物體相對于干涉儀靜止時，仍然保留一個交流信號，被測物體的運動只是使這個信號的頻率增加或減少，因而前置放大器可采用較高倍數(shù)的交流放大器;避免了直流放大器的零點漂移問題。這就是雙頻激光干涉儀抗干擾能力較強(qiáng)的原因。
從上面的敘述可以看出單頻激光干涉儀雖然設(shè)備較簡單，但由于受直流放大漂移，光強(qiáng)衰減等因素的影響，其抗干擾能力差。雙頻激光干涉儀是利用頻差來測得移動物體的移動距離，其抗干擾能力強(qiáng)，但其設(shè)備較復(fù)雜，價格較昂貴。
本發(fā)明的目的是研制一種抗干擾性強(qiáng)、精度高、測量范圍較大、成本低的激光干涉儀。
本發(fā)明的構(gòu)成是用自掃描光電二極管列陣(SSPDA)對邁克爾遜干涉系統(tǒng)的干涉條紋進(jìn)行掃描，使固定不動的干涉條紋信號轉(zhuǎn)變成一定頻率的視頻信號。當(dāng)干涉條紋移動時，SSPDA輸出的視頻信號頻率即發(fā)生變化，從而產(chǎn)生頻差，再利用頻差的數(shù)值，來求得移動物體的移動距離(長度)。
結(jié)合


工作原理如下圖3為光路原理圖。22為He-Ne激光器23為擴(kuò)束鏡24為析光鏡25為測量鏡26為參考鏡27為柱面聚光透鏡28為光電接收器件自掃描光電二極管列陣激光器(22)發(fā)出的單頻激光，經(jīng)擴(kuò)束鏡(23)將光束擴(kuò)大。該光束經(jīng)析光鏡(24)分為兩路，一路射向測量鏡(25)后反回，另一路射向參考鏡(26)后反回，兩路反回光束會合形成干涉條紋，經(jīng)過柱面聚光透鏡(27)后由自掃描光電二極管列陣(28)接收，將其光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥?br> 自掃描光電二極管列陣是硅光電二極管列陣與掃描電路，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)同集成于一硅片上的一種元件，采用再充電取樣法。圖4為自掃描光電二極管列陣外形圖。29為接收窗口。30為管腿。圖5為SSPDA掃描電路框圖。31為MOS開關(guān)管，32為光電管。在SSPDA的接收窗口(29)內(nèi)排列有若干個(為64)個光電管(32)，該光電管工作在電荷存貯方式，且當(dāng)光照積累時間增加，二極管兩端電壓衰減增加，則充電電流也增大。當(dāng)圖5中的各MOS管依次被動態(tài)移位寄存器輸出導(dǎo)通，則外加電壓通過采樣電阻Rs依次對各二極管進(jìn)行再充電。從而在列陣的公共輸出線上獲得一系列沖電電流脈沖。這些電流脈沖的幅值和光強(qiáng)沿列陣方向的空間分布，在光照積累時間內(nèi)的平均值成正比。
為了驅(qū)動動態(tài)位移寄存器工作及進(jìn)行掃描，需要兩路互補(bǔ)的驅(qū)動脈沖(ΦΦ)及一路起始脈沖S。及對光電管的輸出信號進(jìn)行放大的放大線路。在購置自掃描光電二極管列陣芯片時都配有相應(yīng)的驅(qū)動放大板。
當(dāng)自掃描光電二極管列陣對固定不動的干涉條紋進(jìn)行掃描時，在其公共輸出端可得到如圖6所示的波形曲線。圖6為自掃描光電二極管列陣掃描固定不動的干涉條紋時的信號圖。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為電壓值，其中每一個波形即代表一條干涉條紋，Tcp為線陣中各二極管依次導(dǎo)通時的時間隔，Ts為線陣中各二極管全部導(dǎo)通一次，到第二次再開始導(dǎo)通時的時間，即大掃描時間。To為掃描一條干涉條紋所需的時間。
令fcp＝1/Tcpfs＝1/Tsfo＝1/Tofcp-為自掃描二極管列陣的掃描頻率(小掃描頻率)。
fs-為自掃描二激管列陣的起始脈沖頻率(大掃描頻率)。
fo-為視頻輸出信號的調(diào)制波的頻率。
同時有下列關(guān)系式。Ts＝(N+No)TcpN-為自掃描光電二激管列陣中光電管的個數(shù)?？蔀镹＝64。
No-列陣掃描回歸所需時間，相當(dāng)占用二極管的個數(shù)?？蔀镹o＝4。
由于To＝Ts/mm-為Ts的掃描周期中的條紋數(shù)。
∴fo＝1/To＝m/Ts＝mfs(1)當(dāng)物體運動后(即測量鏡運動)則干涉條紋要產(chǎn)生移動，設(shè)其運動速度為v′，則此時視頻信號調(diào)制波的頻率為f。
f＝fo[1±v′/(w/m·fo)](2)w-為自掃描光電二極管列陣中二極管排列的寬度。
m-為自掃描光電二極管列陣掃描時所得的條紋個數(shù)。
條紋運動速度v′與工作臺運動速度V的比值，與條紋運動一個條紋寬度和工作臺運動半個光波長度的比值近似相等。即v′/v＝(w/m)/(λ/2n)∴v′＝vw/m·2n/λ(3)λ-為光波波長n-為光在空氣中的折射率。
以(3)式代入(2)式可得f＝fo±V·2n/λ設(shè)Δf＝V·2n/λ則V＝±Δf(λ/2n)因運動位移量s＝∫vdt∴ S＝±∫toΔfλ/2n′dt (4)由此可見，求出Δf對時間的積分即可求得運動距離。即被測位移距離(長度)。
結(jié)合附圖7說明實施例如下圖7為SSPDA單頻激光干涉測長儀結(jié)構(gòu)示意圖。(俯視圖)
33為He-Ne單頻穩(wěn)頻激光器34為V-型支架35為擴(kuò)束器36為析光鏡37為直角立方棱鏡(參考鏡)38為直角立方棱鏡(測量鏡)39為柱面鏡40為自掃描光電二極管列陣(CL-64)41為干涉頭的四壁42為擴(kuò)束器支架43為自掃描光電二極管列陣驅(qū)動板本干涉測長儀的全部元器件除測量鏡的直角立方棱鏡(38)以外全部布置在一干涉頭(41)內(nèi)。干涉頭為一長方盒在其底板一端(后部)安置二個V-型支架(34)，在該支架上放置激光器(33)，在激光器(33)前方安置擴(kuò)束器支架(42)，在其上放置擴(kuò)束器(35)，在擴(kuò)束器(35)的前方安置析光鏡(36)，在析光鏡(36)的光路折射方向安置參考直角立方棱鏡(37)，在析光鏡(36)光路折射方向的另一方安置柱面鏡(39)，在柱面鏡(39)的光路前方安置自掃描光電二極管列陣(40)，測量鏡直角立方棱鏡(38)在干涉頭(41)外部，安放在被測運動物上，上述所有元件的布置都必需調(diào)整在其光路的正確位置，在自掃描光電二極管列陣右側(cè)安置驅(qū)動板(43)。
圖8為SSPDA單頻激光干涉測長儀的結(jié)構(gòu)示意圖。(正視圖)圖中符號同圖7。
本干涉儀的光路原理圖見圖3。
由SSPDA輸出的信號經(jīng)過放大，鎖相倍頻，脈沖減法器，可逆計數(shù)及運算顯示即可得出運動距離(長度)數(shù)值。
圖9為信號處理電路框圖。
本發(fā)明干涉儀的優(yōu)點是可用單頻穩(wěn)頻激光干涉系統(tǒng)來獲得類似于雙頻激光干涉系統(tǒng)的頻差。因此比一般的單頻激光干涉儀的抗干擾能力強(qiáng)，實用性強(qiáng)，同時因使用的激光器是單頻激光器，使設(shè)備簡單，成本低。
權(quán)利要求
1.一種用邁克爾遜干涉法測量長度的方法，其特征在于用自掃描光電二極管列陣對邁克爾遜干涉系統(tǒng)的干涉條紋進(jìn)行掃描，使固定不動的干涉條紋信號轉(zhuǎn)變成一定頻率的視頻信號，當(dāng)干涉條紋移動時，自掃描光電二極管列陣輸出的視頻信號頻率即發(fā)生變化，從而產(chǎn)生頻差，再利用頻差的數(shù)值，來求得移動物體的移動距離(長度)。
2.一種由單頻穩(wěn)頻激光器，擴(kuò)束器，析光鏡，直角立方棱鏡，柱面鏡，自掃描光電二極管列陣組成的單頻穩(wěn)頻激光干涉測長儀，其特征在于組成干涉頭的元件布置如下干涉頭為一長方盒，在其底板一端(后端)安置二個V-型支架，在該支架上放置單頻穩(wěn)頻激光器，在激光器前方安置擴(kuò)束器支架，在其上放置擴(kuò)束器，在擴(kuò)束器的前方安置析光鏡，在析光鏡的光路折射方向安置參考直角立方棱鏡，在析光鏡光路折射方向的另一方安置柱面鏡，在柱面鏡的光路前方安置自掃描光電二極管列陣。測量用的直角立方棱鏡放在運動物體上，所有上述元件都調(diào)整在其光路的正確位置上。
全文摘要
一種自掃描光電二極管列陣單頻穩(wěn)頻激光干涉測長儀，用自掃描光電二極管列陣(SSPDA)對邁克爾遜干涉系統(tǒng)的條紋進(jìn)行掃描，使SSPDA的輸出信號產(chǎn)生頻差，再按頻差數(shù)值來求得所測量的移動距離(長度)。由于采用頻差來測長，所以比一般單頻激光干涉儀的抗干擾能力強(qiáng)，由于采用了單頻穩(wěn)頻激光器，所以設(shè)備較一般雙頻激光干涉儀簡單，測量精度高。
文檔編號G01B9/02GK1047569SQ89103380
公開日1990年12月5日 申請日期1989年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月25日
發(fā)明者薛實福, 李慶祥, 王伯雄, 王劍 申請人:清華大學(xué)