本發(fā)明涉及一種位移測量裝置及測量方法，尤其涉及一種二維位移測量裝置及測量方法，屬于激光測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光回饋效應(yīng)是在激光系統(tǒng)中，激光器輸出光被外部物體反射或散射后，部分光回到激光器內(nèi)與腔內(nèi)光混合后引起的激光器的輸出特性變化的現(xiàn)象。基于激光回饋效應(yīng)的激光移頻回饋技術(shù)除了具有結(jié)構(gòu)簡單，非接觸、無損檢測等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈敏度高，可對粗糙表面進(jìn)行測量的特點(diǎn)。目前，激光回饋技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于精密位移測量、速度測量、形貌測量、振動測量、位相延遲測量等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的離面位移和面內(nèi)位移測量技術(shù)主要有電子散斑干涉、數(shù)字散斑干涉，時(shí)間序列散斑法和光柵莫爾條紋法。但是，無論是電子散斑干涉，還是數(shù)字散斑干涉，都要求物體的位移量必須大于單個散斑的尺寸，而散斑尺寸一般為微米級，因此這種方法測量的精度只能達(dá)到1微米左右，而且也無法進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)測量。而時(shí)間序列散斑法，通過拍攝物體位移過程的一系列圖樣可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，但該方法的測量精度同樣不高，而且當(dāng)物體位移量超過5λ，就難以準(zhǔn)確測量。光柵莫爾條紋法要求在物體表面復(fù)制光柵，在非接觸測量的情況下較難應(yīng)用。

傳統(tǒng)的離面位移和面內(nèi)位移測量方法各有特點(diǎn)，但是難以實(shí)現(xiàn)非接觸情況下的高分辨率的測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，確有必要提供一種能夠在非接觸情況下能夠精確測量二維位移測量的裝置及方法。

一種二維位移測量裝置，其中，所述二維位移測量裝置包括：

激光器，用于輸出偏振激光；

分光移頻模塊，設(shè)置于從激光器出射的偏振激光的光路上，用于將偏振激光進(jìn)行分光并實(shí)現(xiàn)差動移頻，形成至少兩束光，且兩束光頻率不同；

匯聚模塊，設(shè)置于從分光移頻模塊出射的至少兩束光的光路上，用于對至少兩束光進(jìn)行匯聚后入射至待測目標(biāo)上，且兩束光在待測目標(biāo)上相交，并接收被待測目標(biāo)散射返回的激光，使返回的激光進(jìn)入激光器，以對激光器的輸出激光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；

信號檢測模塊，設(shè)置于從激光器出射的偏振激光的光路上，用于對激光器輸出激光的光強(qiáng)進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換為電信號；

信號處理模塊，與所述信號檢測模塊連接，用于對信號檢測模塊輸出的電信號進(jìn)行處理及計(jì)算，獲得離面位移及面內(nèi)位移。

上述二維位移測量裝置，基于激光移頻回饋原理的基礎(chǔ)上，通過形成三束不同頻率的光束進(jìn)入激光器中用于測量二維位移，提高了測量的精度和測量的范圍，具有非接觸、高分辨率等特點(diǎn)。

在其中一個實(shí)施例中，所述分光移頻模塊包括移頻單元，所述移頻單元用于對入射到分光移頻模塊的激光進(jìn)行差動移頻，形成頻率不同的至少兩束光。

在其中一個實(shí)施例中，所述分光移頻模塊還包括分光單元，所述分光單元用于對入射到分光移頻模塊的激光進(jìn)行分光后，入射到移頻單元。

在其中一個實(shí)施例中，所述分光單元用于將入射的激光分為透射光及反射光，所述分光移頻模塊設(shè)置于透射光的光路上，用于對透射光移頻后入射到待測目標(biāo)表面，所反射光未經(jīng)移頻入射到待測目標(biāo)表面。

在其中一個實(shí)施例中，進(jìn)入移頻單元的激光經(jīng)過所述移頻單元分為零級光及移頻光，所述零級光及移頻光經(jīng)過匯聚模塊匯聚后入射到待測目標(biāo)表面。

一種利用上述任意一項(xiàng)所述的二維位移測量裝置測量位移的方法，其中，所述方法包括：

調(diào)整二維位移測量裝置，使位移裝置出射的第一光束i1、第二光束i2形成的交點(diǎn)位于待測目標(biāo)表面；

使第一光束i1沿第二光束i2的入射光路返回激光器，以及第二光束i2沿光束i1的入射光路返回激光器中，返回激光器的所述第一光束i1及第二光束i2被分光移頻模塊移頻，作為第一測量回饋信號f1；使第一光束i1沿第一光束i1的入射光路返回激光器，作為第三光束i3，所述第三光束i3被分光移頻模塊移頻，作為第二測量回信號f2；

獲取待測目標(biāo)移動引起的第一測量回饋信號f1的相位變化及第二測量回信號f2的相位變化

根據(jù)相位變化和計(jì)算獲得待測目標(biāo)的離面位移和面內(nèi)位移。

上述位移測量方法，基于激光移頻回饋原理的基礎(chǔ)上，通過形成三束不同頻率的光束進(jìn)入激光器中用于測量二維位移，提高了測量的精度和測量的范圍，具有非接觸、高分辨率等特點(diǎn)。

在其中一個實(shí)施例中，所述移頻單元包括第一移頻器及第二移頻器，所述第一移頻器的移頻量為ω1，所述第二移頻器的移頻量為ω2，則所述第一測量回饋信號f1為ω1-ω2，所述第二測量回信號f2的移頻量為2(|ω1-ω2|)。

在其中一個實(shí)施例中，所述第一光束i1和第二光束i2以相同的入射角入射到待測目標(biāo)表面。

在其中一個實(shí)施例中，所述第一測量回饋信號f1使激光器輸出強(qiáng)度變化為：

第二測量回饋信號f2使激光器輸出強(qiáng)度變化為：

上兩式中，i為微片激光器的穩(wěn)態(tài)輸出功率；g為激光器對回饋光的放大倍數(shù)；κ為光的回饋系數(shù)；分別為第一測量回饋信號f1及第二測量回饋信號f2的固定相位偏移。

在其中一個實(shí)施例中，通過和計(jì)算得到離面位移和面內(nèi)位移信息：

離面位移：

面內(nèi)位移：

其中，λ為激光器輸出光波長，l為待測目標(biāo)離面位移和面內(nèi)位移的合位移：θ1為光束i1與待測目標(biāo)運(yùn)動方向的夾角；θ為光束i1、i2之間的夾角。

上述二維位移測量方法，基于激光移頻回饋原理的基礎(chǔ)上，通過形成三束不同頻率的光束進(jìn)入激光器中用于測量二維位移，提高了測量的精度和測量的范圍，具有非接觸、高分辨率等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的二維位移測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的二維位移測量裝置中移頻單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的二維位移測量裝置中移頻單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的位移測量方法的流程示意圖。

主要元件符號說明

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

可以理解，本發(fā)明所使用的術(shù)語“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各種元件，但這些元件不受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將第一個元件與另一個元件區(qū)分。

請一并參閱圖1，本發(fā)明提供的二維位移測量裝置100包括激光器1、信號檢測模塊2、分光移頻模塊4、匯聚模塊5及信號處理模塊6。

該激光器1用于輸出偏振激光，模式可為基橫模和單縱模；信號檢測模塊2設(shè)置于從激光器1出射的偏振激光的光路上，用于對激光器1輸出激光的光強(qiáng)進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換為電信號；信號處理模塊6，與所述信號檢測模塊2連接，用于對信號檢測模塊2輸出的電信號進(jìn)行處理及計(jì)算，獲得離面位移及面內(nèi)位移；該分光移頻模塊4設(shè)置于從激光器1出射的偏振激光的光路上，將偏振激光進(jìn)行分光并實(shí)現(xiàn)差動移頻，形成至少兩束光i1、i2用于測量，且兩束光i1、i2頻率不同；該匯聚模塊5，設(shè)置于從分光移頻模塊出射的兩束光i1、i2的光路上，用于對兩束光i1、i2匯聚至待測目標(biāo)7上的一點(diǎn)，且接收被待測目標(biāo)7散射的i1、i2光，使從待測目標(biāo)返回的兩束光i1、i2沿不同于入射光路的光路返回激光器1，且兩束光i1、i2中的至少一束光經(jīng)過待測目標(biāo)7散射后，沿入射光路返回激光器1，形成光束i3；光束i1、i2、i3的頻率不同。

具體地，該激光器1可為固體激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，該激光器1輸出偏振光，且輸出模式可為基橫模和單縱模。該激光器1可為單端出光或兩端出光。

該信號檢測模塊2可包括第一分光鏡21及光電探測器22，該第一分光鏡21設(shè)置在從激光器1出射的激光的光路上，用于對激光器1出射的激光進(jìn)行分光，形成反射光及透射光；該光電探測器22可設(shè)置于從第一分光鏡21反射的光路上，對第一分光鏡21反射的光強(qiáng)信號進(jìn)行探測，并轉(zhuǎn)換為電信號。

另外，當(dāng)所述激光器1為兩端出光時(shí)，該信號檢測模塊2與分光移頻模塊5可分別設(shè)置于激光器1的兩端，此時(shí)該信號檢測模塊2可無需第一分光鏡21，該光電探測器22直接設(shè)置于從激光器1出射的激光的光路上，用以探測從激光器1出射的激光的光強(qiáng)。

該信號處理模塊6可包括信號處理單元61及數(shù)據(jù)處理單元62，該信號處理單元61可與所述光電探測器22電連接，用于對光電探測器22產(chǎn)生的電信號進(jìn)行初步處理以及同步相位解調(diào)；該數(shù)據(jù)處理單元62與所述信號處理單元62輸出端相連，對解調(diào)出的相位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示離面位移和面內(nèi)位移。

進(jìn)一步，該二維位移測量裝置100還可包括準(zhǔn)直模塊3，該準(zhǔn)直模塊3可設(shè)置于入射到分光移頻模塊4的光路上，用于對入射到分光移頻模塊4的光進(jìn)行準(zhǔn)直。本實(shí)施例中，該準(zhǔn)直模塊3設(shè)置于從第一分光鏡21透射的光路上，用于對透射光進(jìn)行準(zhǔn)直后，入射到分光移頻模塊4。

該匯聚模塊5，可為匯聚透鏡，也可以是反射鏡，或是多個光學(xué)元件組成的鏡組，使光束相交于待測目標(biāo)上的一點(diǎn)，同時(shí)收集被待測目標(biāo)散射的光。

實(shí)施例1

請一并參閱圖2，本發(fā)明其中一個實(shí)施例提供的二維位移測量裝置100中，該分光移頻模塊4可包括分光單元及移頻單元，該分光單元用于對進(jìn)入分光移頻模塊4的激光進(jìn)行分光；該移頻單元用于對分光后的激光進(jìn)行移頻，該分光單元與移頻單元相互配合，形成至少兩束光第一光束i1、第二光束i2用于測量，且第一光束i1與第二光束i2頻率不同。

該分光單元可包括第二分光鏡41、反射鏡42；該移頻單元可包括第一移頻器45、第二移頻器44，該分光移頻模塊4對進(jìn)入該分光移頻模塊4的光束進(jìn)行分光并實(shí)現(xiàn)差動移頻，形成第一光束i1及第二光束i2用于測量?？梢岳斫?，該第一移頻器45和第二移頻器44可為聲光調(diào)制器，也可以是電光調(diào)制器，或者光柵中的任意一種，能夠?qū)崿F(xiàn)對光的移頻即可。

具體地，第二分光鏡41設(shè)置于從準(zhǔn)直模塊3出射的激光的光路上，用于對進(jìn)入分光移頻模塊4的激光進(jìn)行分光，形成透射光及反射光；第一移頻器43及第二移頻器44設(shè)置于該透射光的光路上，用于對透射光進(jìn)行移頻，形成第一束光i1；反射鏡42設(shè)置于第二分光鏡41出射的反射光的光路上，用于對反射光進(jìn)行反射，從而形成第二束光i2。

具體地，該實(shí)施例中，該第一移頻器的移頻量為ω1，該第二移頻器的移頻量為ω2。進(jìn)入分光移頻模塊4的光束首先經(jīng)過第二分光鏡41，透過第二分光鏡41的透射光通過第一移頻器43及第二移頻器44后，被差動移頻ω-ω2，作為第一光束i1；被第二分光鏡41反射的光被反射鏡42再次反射后出射，作為第二光束i2，即第二光束i2未被移頻。從分光移頻模塊4出射的第一光束i1和第二光束i2通過匯聚模塊5后，入射到待測目標(biāo)7表面，用于測量待測目標(biāo)7的離面位移及面內(nèi)位移。

從分光移頻模塊4出射的第一光束i1和第二光束i2通過匯聚模塊5后，在待測目標(biāo)7表面相交于一點(diǎn)；同時(shí)第一光束i1和第二光束i2的入射角可相同或不同，然后第一光束i1和第二光束i2在待測目標(biāo)表面發(fā)生散射，第一光束i1的散射光沿第二光束i2的入射光路回到激光器1內(nèi)，與激光器1的光相互作用，調(diào)制激光器的輸出光強(qiáng)；第一光束i1的部分散射光沿第一光束i1的入射光路原路返回激光器內(nèi)，作為第三光束i3，調(diào)制激光器的輸出光強(qiáng)，該第三光束i3的移頻量為2(|ω1-ω2|)；同樣第二光束i2的散射光也沿第一光束i1的入射光路回到激光器1內(nèi)，與激光器1的光相互作用，調(diào)制激光器的輸出光強(qiáng)，該第二光束i2沿第一光束i1的入射光路返回激光器1中時(shí)，同樣被移頻(ω1-ω2)。其中，移頻量為ω1-ω2的激光即第一光束i1或第二光束i2構(gòu)成第一測量回饋信號f1；移頻量為2(|ω1-ω2|)的激光即第三光束i3構(gòu)成第二測量回信號f2。

該二維位移測量裝置100用于測量位移時(shí)，待測目標(biāo)運(yùn)動，引起第一測量回饋信號f1和第二測量回饋信號f2的相位變化。光電探測器22通過第一分光鏡21的反射光探測激光器的輸出強(qiáng)度，并送至信號處理單元61，對信號進(jìn)行同步處理、解調(diào)，得到反映待測目標(biāo)運(yùn)動的相位信息。數(shù)據(jù)處理單元62讀取信號處理單元輸出的相位信息，計(jì)算出待測目標(biāo)的位移信息。

實(shí)施例2

請一并參閱圖3，該實(shí)施例中的二維位移測量裝置與實(shí)施例1基本相同，其不同在于，該實(shí)施例中的分光移頻模塊4與實(shí)施例1不同。該分光移頻模塊4包括第一移頻器43及第二移頻器44，該分光移頻模塊4對進(jìn)入該分光移頻模塊4的光束進(jìn)行分光并實(shí)現(xiàn)差動移頻，形成兩束光用于測量。其中，從分光移頻模塊4出射的零級光作為第一光束i1，從分光移頻模塊4出射的差動移頻后的移頻光作為第二光束i2。

該實(shí)施例中，該第一移頻器的移頻量為ω1，該第二移頻器的移頻量為ω2；則經(jīng)過第一移頻器及第二移頻器差動移頻后的第二光束i2的移頻量為ω1-ω2。

類似的，從分光移頻模塊4出射的第一光束i1和第二光束i2通過匯聚模塊5后，在待測目標(biāo)7表面相交于一點(diǎn)；第一光束i1和第二光束i2在待測目標(biāo)表面發(fā)生散射后，返回激光器1的光與激光器1相互作用，調(diào)制激光器1的輸出光強(qiáng)。具體的，第一光束i1的部分散射光沿第二光束i2的入射光路返回激光器1中，且該第一光束i1返回激光器1的過程中同樣被第二移頻器45、第一移頻器46移頻ω1-ω2；第二光束i2的部分散射光沿第一光束i1的入射光路返回激光器1中；同時(shí)，第二光束i2的部分散射光沿第二光束i2的入射光路原路返回到激光器1內(nèi)，作為第三光束i3，與激光器1的光相互作用，調(diào)制激光器的輸出光強(qiáng)，且第三光束i3的移頻量為2(|ω1-ω2|)。其中，移頻量為ω1-ω2的激光即第一光束i1或第二光束i2構(gòu)成第一測量回饋信號f1；移頻量為2(|ω1-ω2|)的激光即第三光束i3構(gòu)成第二測量回信號f2。

上述實(shí)施例提供的二維位移測量裝置，基于激光移頻回饋原理的基礎(chǔ)上，通過至少三束不同頻率的光束進(jìn)行差動移頻，用于測量二維位移，提高了測量的精度和測量的范圍，具有非接觸、高分辨率、高精度、大量程、實(shí)時(shí)測量等特點(diǎn)。

請一并參閱圖4，本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步提供一種應(yīng)用上述二維位移測量裝置測量二維微位移的測量方法，包括：

步驟s10，調(diào)整二維位移測量裝置，使所述裝置出射的第一光束i1和第二光束i2形成的交點(diǎn)位于待測目標(biāo)表面；

步驟s20，使第一光束i1沿第二光束i2的入射光路返回激光器1，以及第二光束i2沿第一光束i1的入射光路返回激光器1中，返回激光器1中的第一光束i1及第二光束i2被第一移頻器43、第二移頻器44移頻ω1-ω2，將移頻ω1-ω2后的第一光束i1或第二光束i2作為第一測量回饋信號f1；使第一光束i1的部分散射光沿第一光束i1的入射光路原路返回激光器內(nèi)，作為第三光束i3，該第三光束i3的移頻量為2(|ω1-ω2|)，作為第二測量回饋信號f2；

步驟s30，獲取待測目標(biāo)移動引起的第一測量回饋信號f1的相位變化及第二測量回信號f2的相位變化

步驟s40，根據(jù)相位變化和計(jì)算獲得待測目標(biāo)的離面位移和面內(nèi)位移。

在步驟s10中，所述的光束i1和光束i3在待測目標(biāo)表面的入射角不相等，即非對稱入射到待測目標(biāo)表面；另外，所述光束i1可垂直于待測目標(biāo)的表面入射，以更加方便的測量待測目標(biāo)的離面位移。

在步驟s30中，第一測量回饋信號f1使激光器輸出強(qiáng)度變化為：

第二測量回饋信號f2使激光器輸出強(qiáng)度變化為：

上兩式中，i為微片激光器的穩(wěn)態(tài)輸出功率；g為激光器對回饋光的放大倍數(shù)，它與光束移頻量相關(guān)，數(shù)值可達(dá)10⁶，弱散射表面散射的微弱回饋光可以被極大放大；κ為光的回饋系數(shù)，它與待測物體的反射率有關(guān)；分別為第一測量回饋信號f1及第二測量回饋信號f2的固定相位偏移；為待測目標(biāo)位移引起的第一測量回饋光f1的相位變化量；為待測目標(biāo)位移引起的第二測量回饋光f2的相位變化量。

激光器的輸出強(qiáng)度被光電探測器22探測轉(zhuǎn)為電信號后，輸入與該光電探測器22相連的信號處理模塊6，就可以得到待測目標(biāo)7位移引起的相位變化和

具體地，通過相位變化信息和計(jì)算即可得到離面位移和面內(nèi)位移信息。計(jì)算方法為：

離面位移：

面內(nèi)位移：

其中，λ為激光器輸出光波長，l為待測目標(biāo)離面位移和面內(nèi)位移的合位移：θ1為第一光束i1與待測目標(biāo)運(yùn)動方向的夾角；θ為光束i1、i2之間的夾角，為一常數(shù)。

上述實(shí)施例提供的位移測量方法，基于激光移頻回饋原理的基礎(chǔ)上，通過至少三束不同頻率的光束用于測量二維位移，提高了測量的精度和測量的范圍，具有非接觸、高分辨率、高精度、大量程、實(shí)時(shí)測量等特點(diǎn)。

可以理解，通過對上述二維位移測量裝置及測量方法獲得的位移進(jìn)行微分計(jì)算，還可用于獲得待測目標(biāo)的移動速率，在此不再贅述。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。