专利名称：用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及绝对距离测量干涉仪，特别是一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法。
背景技术：
距离测量在工业生产及科研中占有重要地位。干涉测量技术因为具有高精度、高分辨率、非接触性等优点被广泛应用于绝对距离测量。正弦相位调制干涉技术是一种国际前沿的干涉测量技术，具有精度高、调制方便、结构简单等优点，长期以来受到研究人员的重视，在绝对距离测量领域得到了很大发展。用于绝对距离测量的正弦相位调制干涉仪具有纳米精度，但测量范围只有半个波长。为了解决这个问题，0. ^saki等提出了一种双波长半导体激光干涉仪(在先技术[1] “Two-wave1ength sinusoidal phase modulating laser-diodeinterferometer insensitive to external disturbances", Appl. Opt. 30，4040-4045，1991)。此干涉仪采用两个光源，利用合成波长技术将测量范围扩大到152 μ m，扩大了测量范围，但仍然无法满足厘米量级的大范围测量，此外，由于在测量过程中，利用近似的干涉信号表达式对数据进行处理
权利要求
1.一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，特征在于其结构包括所述的用于绝对距离测量的双频激光干涉仪构成包括带有第一光源控制器O)的第一光源(1)、带有第二光源控制器(11)的第二光源(10)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(5)、隔离器0)、 准直器(6)、光电探测器(7)、压电陶瓷(9)、数据采集卡(1 和计算机(13)，所述的第一光源控制器( 为第一光源(1)提供直流驱动电流、三角波交流电流或正弦交流电流，由第一光源(1)发射的光束通过第一段光纤(301)进入第一光纤耦合器(3)内，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(30 进入隔离器G)，由隔离器出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤(502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体(8)上，由被测物体(8)表面反射的光和由准直器(6)出射端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤 (503)入射到光电探测器(7)内，所述的第二激光控制器(11)为第二光源(10)提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源(10)的中心波长不等于第一光源(1)的中心波长，由第二光源(10)发射的光束通过第六段光纤(30 进入第一光纤耦合器(3)，由第一光纤耦合器(3)出射后，通过第二段光纤(30 射入隔离器G)，由隔离器出射后，通过第三段光纤(501)进入第二光纤耦合器(5)内，由第二光纤耦合器(5)出射后通过第四段光纤 (502)，经过准直器(6)准直后照射到被测物体⑶上，由被测物体⑶表面反射的光和由准直器(6)端面反射的光通过准直器(6)后，经由第二光纤耦合器(5)、第五段光纤(503) 进入所述的光电探测器(7)内，准直器(6)上固定有压电陶瓷(9)，数据采集卡(1 的第一输出端口(12b)与第一光源控制器( 相连，第二输出端口(12c)与第二光源控制器(11) 相连，第三输出端口(12e)与计算机(13)的输入端相连，第四输出端口(12f)与压电陶瓷 (9)相连，第一输入端口(12a)与所述的光电探测器(7)的输出端相连，所述的数据采集卡 (12)的第二输入端口(12d)与计算机(1 的输出端口相连，所述的计算机(1 具有绝对距离测量程序，该程序包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。
2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源和第二光源均是半导体激光器，而且两光源的发射波长λρ入2不相等。
3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第一光源的温度，使第一光源的温度仅在士0. 01°C的范围内变化，电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。
4.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的第二光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第二光源的温度，使第二光源的温度仅在士0. 01°C的范围内变化，电流控制模块为第二光源提供直流偏置和交流信号。
5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪，其特征在于所述的隔离器只能使第一光源和第二光源发射的光通过，而从光路中返回的光束不能通过。
6.利用权利要求1所述的绝对距离测量的双频激光干涉仪进行绝对距离的测量方法， 其特征在于具体测量步骤如下①参数测定开启第一光源(1)，并使其注入电流保持为直流，利用数据采集卡(12)产生的正弦信号驱动压电陶瓷(9)，使压电陶瓷(9)产生一个振幅大于λ^/8而小于λ^/4正弦振动，此时所述的光电探测器(7)所探测到的干涉信号为 p1 ‘ (t) = s1s0^s1s11cos [ α i ⑴ + α 01]，提取干涉信号p/ (t)的直流分量sjtll，并利用下列公式计算干涉信号p1' (t)的交流幅值s1s11s1s11cos[a ^t)+ α01] = p1' (t)-s1s01 ；开启第二光源(10)，利用相同的方法确定p2' (t)的直流分量s2stl2与交流幅值；②将相关参数sjtll，s1s11,s2s02, s2s12导入绝对距离测量程序；③距离粗测值1。的确定距离粗测模块控制数据采集卡(1 输出三角波信号对第一光源(1)的注入电流进行调制，并采集光电探测器(7)探测到的线性调频信号 Sc(t) = C1 cos[a -
全文摘要
一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法，该双频激光干涉仪的结构包括光源、光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机。所述的光源是两个波长不相等的半导体激光器，且带有光源控制器；光电探测器将接收到的干涉信号转换成电信号输入到数据采集卡内，并通过计算机进行数据处理得到待测距离。本发明干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合，扩大了测量范围，利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，提高了测量精度。
文档编号G01B11/02GK102168944SQ20101061252
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者李中梁, 步扬, 王向朝, 王渤帆 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所