專利名稱:激光波長測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
計算機測量與光電子技術(shù)領(lǐng)域：
，主要涉及采用單片機控制的計數(shù)、單片機進行波長計算等技術(shù)?？捎脕頊y量調(diào)諧激光器的輸出波長值，或者用于測量未知激光的波長值，在光頻標研究領(lǐng)域有著重要的作用。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，激光器的頻率或波長的準確值對技術(shù)人員和工程師是很重要的參數(shù)。尤其是在激光測長應(yīng)用領(lǐng)域，對參考激光的波長的精度要求很嚴，所采用的參考激光的波長的準確值和精確度是測量長度的精度的關(guān)鍵要求之一。
在激光技術(shù)的研究領(lǐng)域，激光頻率標準本身就是要研究一個頻率相當穩(wěn)定的激光，對穩(wěn)頻激光波長的測量是光頻標的計量學(xué)方面必不可少的，激光波長的精確值是計量標準的最后結(jié)果。目前，我國使用的激光波長計幾乎都是進口的，價格昂貴。
國內(nèi)使用的波長計采用干涉式，激光波長計基于邁克爾遜干涉原理兩束激光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，比對已知波長的參考激光和未知波長的被測激光的干涉條紋數(shù)目，可以獲得被測激光的波長/頻率值。
按照邁克爾遜原理，波長計光路布局如附圖1所示。其中標準參考光源采用穩(wěn)頻激光器，其頻率的穩(wěn)定度決定了波長計的測量精度。參考光和被測光各自形成干涉條紋的光路相同。僅以參考光為例，說明干涉條紋的形成過程。參考光源輸出光束1°，經(jīng)分光鏡2，在A點分成透射光1’和反射光2’，透射光1’經(jīng)反射鏡3，進入可動角錐反射鏡4，再從角錐反射鏡4返回到反射鏡3，經(jīng)3的反射光1”回到分光鏡的B處反射到光電接收器5；同時反射光2’經(jīng)反射鏡6和角錐反射鏡7后，再經(jīng)6的反射光2”也返回到B處，光束1”和2”在B點匯合，發(fā)生干涉，由光探測器5接收，作為參考信號的干涉條紋個數(shù)的計數(shù)點。
被測光分光點B處，合光點在A處，干涉信號由光探測器8接收。在波長計工作時，驅(qū)動電機拖動可移動棱鏡載物臺9沿軸向往返平動，使參考激光和被測激光產(chǎn)生光程差，發(fā)生干涉現(xiàn)象?？梢苿永忡R9在導(dǎo)軌上來回往復(fù)運動，在導(dǎo)軌的兩端安裝有光反射開關(guān)，它相當于行程開關(guān)，可使棱鏡來回掃描，5和8可接收到干涉條紋的脈沖信號，由此得到它們的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理電路得到參考激光和被激光干涉條紋數(shù)。
根據(jù)干涉原理，可用(1)式計算被測光波長λuλu=NrNuλr---(1)]]>Nr是參考光條紋數(shù)，Nu是被測光條紋數(shù)，λr是參考光的已知波長計值。
國內(nèi)現(xiàn)有的波長計的電路采用數(shù)字芯片分離元件組成計數(shù)電路，沒有波長計算的功能，測量精度維持在六位精度。如附圖2。
參考光和被測光的脈沖信號分別進入相應(yīng)的計數(shù)芯片組，被測光脈沖計數(shù)采用減法計數(shù)。將被測光的初始值設(shè)為和參考光波長值相等的數(shù)目，根據(jù)等式(1)，當被測光脈沖計數(shù)為0時，Nu＝λr，Nr就是被測光波長值，此時鎖定參考光的計數(shù)值，經(jīng)過BCD碼處理，在數(shù)碼管上顯示。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對激光頻率標準的研究領(lǐng)域以及激光高精密測量或計量領(lǐng)域需要更高位數(shù)的激光波長的精密測量，克服傳統(tǒng)的分離元件已經(jīng)達到極限的不足，提出激光波長測量的方法及所用的電路。采用單片計算機進行計數(shù)控制與波長計算，使得測量智能化，精度有很大的提高，用液晶屏(LCD)同時顯示即時測量波長值和平均波長值。
本發(fā)明的激光波長測量裝置是采用單片計算機控制計數(shù)芯片的計數(shù)方法的電路。電路由兩個計數(shù)芯片、單片計算機、LCD、邏輯控制電路組成。兩個計數(shù)芯片和LCD通過總線與單片計算機連接。參考光脈沖信號從第一計數(shù)器輸入；被測光脈沖信號從第二計數(shù)器輸入。單片計算機的一個I/O口與邏輯控制電路一個輸入端相連；邏輯控制電路的一個輸出給單片計算機的一個外部中斷口，邏輯控制電路的另一個輸出同時給兩個計數(shù)器。邏輯控制電路的另一個輸入端和第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號相連。本發(fā)明的激光波長測量電路特點是這樣的具有同時啟動兩個計數(shù)器和自動停止計數(shù)的特點。如圖3(a)，邏輯控制電路得到單片計算機的一個I/O口的啟動計數(shù)控制信號后，輸出一個信號同時給兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端啟動兩個計數(shù)器的計數(shù)；等到第一計數(shù)器計滿設(shè)定脈沖個數(shù)后，第一計數(shù)器產(chǎn)生溢出信號給邏輯控制電路，邏輯控制電路產(chǎn)生一個信號給單片計算機，產(chǎn)生另一個信號同時給兩個計數(shù)器的使能端停止兩個計數(shù)器的計數(shù)。
所述邏輯控制電路由第一邏輯門、第二邏輯門和第三邏輯門組成，如圖3(c)虛框內(nèi)的內(nèi)容?？梢詫崿F(xiàn)對兩個計數(shù)器同時啟動，同時停止的控制作用。第三邏輯門的一個輸入端由單片計算機的一個I/O口控制，第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號接第二邏輯門的輸入，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的另一個輸入端，第三邏輯門的輸出給第一邏輯門的輸入。第一邏輯門的輸出接兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端，可以達到精確地同時啟動和停止兩個計數(shù)器計數(shù)。第二邏輯門的輸出還接單片計算機的另一個外部中斷的輸入端。
采用本裝置的激光波長測量方法包括以下步驟1、棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號給單片計算機的外部中斷口，由單片計算機開始設(shè)定兩個計數(shù)器的初始值。
2、如圖3(c)，單片計算機等待一段時間后，從I/O口輸出一個控制信號給第三邏輯門的一個輸入端，第三邏輯門將此信號轉(zhuǎn)換給第一邏輯門，由第一邏輯門產(chǎn)生一個信號同時啟動兩個計數(shù)器開始計數(shù)。
3、當?shù)谝挥嫈?shù)器對參考光的計數(shù)達到初始值后即刻產(chǎn)生溢出信號給第二邏輯門，第二邏輯門將溢出信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆笛亟o單片計算機的一個外部中斷；第二邏輯門的輸出還給第三邏輯門的另一個輸入端，由第三邏輯門轉(zhuǎn)換輸出一個停止計數(shù)器工作的電平信號，同時停止兩個計數(shù)器計數(shù)。
4、單片計算機得到第二邏輯門的外部中斷信號后，通過總線鎖定兩個計數(shù)器、讀取兩個計數(shù)器的計數(shù)值，進行波長計算，再通過總線從LCD上顯示。
5、回到第1步，等待棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號。
本發(fā)明提出的另一種激光波長測量裝置為由兩個計數(shù)芯片、單片計算機、LCD、邊沿信號觸發(fā)電路與邏輯控制電路組成，具有通過邊沿信號觸發(fā)計數(shù)器的同時計數(shù)啟動和自動停止功能。兩個計數(shù)芯片和LCD通過總線與單片計算機連接；參考光脈沖信號從第一計數(shù)器輸入；被測光脈沖信號從第二計數(shù)器輸入；參考光脈沖信號與邊沿觸發(fā)電路的一個輸入端相連，單片計算機的一個I/O口與邊沿觸發(fā)電路的另一個輸入端相連；邊沿觸發(fā)電路的輸出端與邏輯控制電路的一個輸入端相連，邏輯控制電路的一個輸出給單片計算機的一個外部中斷口，邏輯控制電路的另一個輸出同時給兩個計數(shù)器；邏輯控制電路的另一個輸入端和第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號相連。如圖3(b)，單片計算機的一個I/O口的啟動計數(shù)控制信號給觸發(fā)電路后，只有在參考光信號的邊沿達到時刻，才輸出給邏輯控制電路這個啟動計數(shù)的信號，再由邏輯控制電路輸出給兩個計數(shù)器，也就是在參考光信號的邊沿到達時刻同時啟動兩個計數(shù)器；等到第一計數(shù)器計滿設(shè)定初始值，第一計數(shù)器產(chǎn)生溢出信號給邏輯控制電路，邏輯控制電路產(chǎn)生一個信號給單片計算機，只有在參考光的最后一個脈沖的邊沿信號到達時，才產(chǎn)生另一個信號同時給兩個計數(shù)器的使能端停止兩個計數(shù)器的計數(shù)。且啟動和停止計數(shù)的控制信號都是在同一種邊沿方式下產(chǎn)生的。
所述邊沿觸發(fā)電路，由第一邏輯門、第二邏輯門、第三邏輯門、第四邏輯門和第一觸發(fā)器組成，如圖3(d)虛框內(nèi)的內(nèi)容，與邏輯控制電路配合可以實現(xiàn)啟動和停止計數(shù)都是在參考光脈沖信號的同一種邊沿信號到達時刻發(fā)生。第一觸發(fā)器是一個D觸發(fā)器，第四邏輯門的輸入端接參考光脈沖，第一觸發(fā)器的CLK端接第四邏輯門的輸出，第一觸發(fā)器的D控制端由單片計算機的一個I/O口控制，第一觸發(fā)器的輸出給第三邏輯門的一個輸入端。第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號接第二邏輯門的輸入，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的另一個輸入端，第三邏輯門的輸出給第一邏輯門的輸入。第一邏輯門的輸出接兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端，可以達到啟動和停止計數(shù)都是在同一種邊沿信號到達時刻。第二邏輯門的輸出還接單片計算機的另一個外部中斷的輸入端。
采用第二種激光波長測量裝置的激光波長測量方法包括以下步驟1、鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號給單片計算機的外部中斷口，由單片計算機開始設(shè)定兩個計數(shù)器的初始值。
2、如圖3(d)，單片計算機等待一段時間后，從I/O口輸出一個控制信號給第一觸發(fā)器，第四邏輯門選擇參考光脈沖的一種邊沿信號，使得單片計算機的控制信號在邊沿到達時刻從第一觸發(fā)器的輸出端輸出給第三邏輯門，經(jīng)過第三邏輯門和第一邏輯門產(chǎn)生啟動計數(shù)的控制信號同時給兩個計數(shù)器。
3、當?shù)谝挥嫈?shù)器對參考光的計數(shù)達到初始值，第一計數(shù)器即刻產(chǎn)生溢出信號給第二邏輯門，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的一個輸入端；在最后一個參考激光脈沖信號的邊沿信號到達時刻，第四邏輯門將邊沿信號轉(zhuǎn)換給第一觸發(fā)器，此刻，第一觸發(fā)器輸出給邏輯門的另一個輸入端，允許第三邏輯門輸出信號給第一邏輯門去停止兩個計數(shù)器。保證了啟動計數(shù)器所使用的邊沿方式與停止計數(shù)器所使用的邊沿方式相同。即保證開始計數(shù)和停止計數(shù)是在參考光脈沖的同一種邊沿信號到達的時刻發(fā)生的，確保參考光計數(shù)是整數(shù)。
4、單片計算機得到第二邏輯門的外部中斷信號后，通過總線鎖定兩個計數(shù)器、讀取兩個計數(shù)器的計數(shù)值，進行波長計算，再通過總線從LCD上顯示。
5、回到第1步，等待棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號。兩種電路的測量程序是一樣的，主要由主程序和3個中斷子服務(wù)程序完成。主程序完成單片計算機外部中斷的初始化、并開中斷，等待中斷；3個中斷服務(wù)子程序分別是2個外部中斷和1個定時中斷。它們的步驟是這樣的1、單片計算機通電后，立即執(zhí)行主程序，完成外部中斷的初始化、并開中斷，等待中斷。
2、當棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號給單片計算機的外部中斷的一個口，單片計算機響應(yīng)一個外部中斷開始設(shè)定兩個計數(shù)器的初始值。為了保證測量精度在10-6以上，第一計數(shù)器的初始值的設(shè)定原則是在保證每次測量過程中參考光脈沖的計數(shù)值在1000000以上的一個固定值；第二計數(shù)器的初始值的設(shè)定原則是保證在每次測量過程中第二計數(shù)器不溢出的一個固定值。設(shè)置完畢，啟動單片計算機內(nèi)的定時器延時，中斷返回，等待中斷。
3、單片計算機內(nèi)的定時器延時時間到，參考和被測信號波形正常，自動進入定時中斷，從單片計算機的一個I/O口輸出給第一觸發(fā)器一個啟動計數(shù)器計數(shù)的信號，中斷返回，等待中斷。
4、當參考光計數(shù)達到設(shè)定的計數(shù)值后，即刻產(chǎn)生溢出信號給第二邏輯門，第二邏輯門負責(zé)將溢出信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆笛亟o單片計算機的另一個外部中斷口，單片計算機響應(yīng)該外部中斷單片計算機通過總線鎖定兩個計數(shù)器，讀取兩個計數(shù)器的值，計算本次測量的波長值，同時也采用移位平均的方法計算平均波長值，最后通過總線在LCD上同時顯示本次波長測量值和多次平均測量值。中斷返回，等中斷。所述的移位平均方法是將多次(比如N次)計算的波長值保存在單片計算機的內(nèi)存中，當新的一次波長計算值出來后，它將替換N+1次前的波長值，始終保持參加平均計算的波長個數(shù)是最近測量的N個。
如果計數(shù)初始值設(shè)定為1500000，則633nm激光測量精度為6.7×10-7，532nm綠光測量精度為作為6.7×10-7，再經(jīng)過計算機程序10次移位平均，精度可以優(yōu)于1×10-7達到8位波長計的水平。測量速率每2秒1次，能同時顯示即時測量和多次平均的波長值，增加計數(shù)溢出初始值或增加移位平均的移位次數(shù)都能以測量速率降低為代價換得測量精度的提高。
圖1激光波長計的光路原理圖圖2六位激光波長計的計數(shù)原理方框圖圖3(a)同時啟動自動停止計數(shù)的波長計算顯示電路原理框圖圖3(b)邊沿觸發(fā)同時啟動自動停止計數(shù)的波長計算顯示電路原理框圖圖3(c)邏輯控制電路原理框圖圖3(d)邊沿觸發(fā)的邏輯控制電路原理框圖圖4(a)計數(shù)與波長計算顯示的主程序流程圖圖4(b)計數(shù)與波長計算顯示的外部中斷1中斷服務(wù)子程序流程圖圖4(c)計數(shù)與波長計算顯示的定時器1中斷服務(wù)子程序流程圖圖4(d)計數(shù)與波長計算顯示的外部中斷0中斷服務(wù)子程序流程圖圖5(a)計數(shù)與波長計算顯示實施電路圖圖5(b)另一種計數(shù)與波長計算顯示實施電路圖1、參考激光，2、分光鏡，3、反射鏡，4、角錐棱鏡，5、第一光電接收器，6、反射鏡，7、角錐棱鏡，8、第二光電接收器，9、可移動棱鏡載物臺， 參考光光路←被測光光路具體實施方式
干涉式激光波長計由光路和電路組成。光路的結(jié)構(gòu)如圖1，其中標準參考光源采用633nm內(nèi)腔型He-Ne激光器，利用雙縱模熱控穩(wěn)頻方法進行穩(wěn)頻，其波長的穩(wěn)定度為10-8量級，復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于2×10-7?？梢苿永忡R是一個角錐棱鏡，固定在一個導(dǎo)軌上，角錐棱鏡可以往返來回移動，使得第一光電接收器5、第二光電接收器8上產(chǎn)生干涉條紋的脈沖信號。在導(dǎo)軌的兩端安裝光電開關(guān)，檢測棱鏡的換向動作，同時由單片計算機監(jiān)控。
電路如附圖5(a)所示，U1是單片計算機P89C52，U2是參考光的計數(shù)器8254，U3是被測光的計數(shù)器8254，LCD顯示波長數(shù)值的液晶屏。U1的數(shù)據(jù)總線P0.0-P0.7與U2和U3的數(shù)據(jù)總線DO-D7(8-1腳)連接，還與LCD的數(shù)據(jù)總線9-16腳相連。
U1的P2.0(21腳)接U2的CS(21腳)控制U2的片選；U1的P2.1(22腳)接U3的CS(21腳)控制U2的片選；U1的WR(16腳)接U2和U3的WR(23腳)；U1的RD(17腳)與U2和U3的RD(22腳)相連。U1的P2.2(23腳)接U2和U3的A0(19腳)；U1的P2.3(24腳)接U2和U3的A1(20腳)；U1的P2.6(27腳)P2.7(28腳)分別接LCD的4，5腳。
U1的13腳，即外部中斷1接棱鏡換向信號，用于啟動一次波長測量。
U2和U3的10與各自的15相連形成8254的級聯(lián)。參考光脈沖信號接U2的9腳；被測光脈沖信號接U3的9腳。
U4是反相器組，U5是與非門。U5A的2腳接U1的P1.0(1腳)。U2的溢出信號OUT1(13腳)接U4B的3腳，經(jīng)反相后從U4B的4腳輸入到U1的外部中斷0(12腳)、U4B的4腳同時也接到U5A的1腳；U5A的3腳接U4C的5腳，U4C的6腳上拉一個4K7的電阻，同時還與U2和U3的GATEO、GATEl(10，14腳)相連，是同時啟動和停止兩個8254的計數(shù)的控制端。
開始計數(shù)前由單片計算機執(zhí)行如圖4(a)的初始化程序。當可移動棱鏡掉頭后單片計算機在13腳得到一個下降沿信號，產(chǎn)生外部中斷，啟動定時器0；同時P89C52給U2設(shè)定計數(shù)初始值1500000，給U3設(shè)定計數(shù)初始值3000000；單片計算機的P1.0設(shè)置為低，暫時鎖定計數(shù)。定時時間到后，設(shè)置P1.0為高電平，U5A的3輸出低，U4C輸出高，同時啟動兩個計數(shù)器。
當參考光脈沖信號的第1500000個脈沖到達時，U2溢出，U2OUT1產(chǎn)生上升沿信號，U4B的4腳經(jīng)反相產(chǎn)生下降沿給單片計算機的外部中斷0；此時U5A的1腳為低電平，輸出腳3為高，U4C輸出低，從而鎖定兩個8254計數(shù)達到同時停止；同時計算機進行中斷響應(yīng)，計算機的P1.0設(shè)置為低，鎖定計數(shù)并讀取計數(shù)值進行波長計算與顯示。
邊沿觸發(fā)式的改進型電路如附圖5(b)所示，U1是單片計算機P89C52，U2是參考光的計數(shù)器8254，U3是被測光的計數(shù)器8254，LCD顯示波長數(shù)值的液晶屏。U1的數(shù)據(jù)總線PO.0-P0.7與U2和U3的數(shù)據(jù)總線D0-D7(8-1腳)連接，還與LCD的數(shù)據(jù)總線9-16腳相連。
U1的P2.0(21腳)接U2的CS(21腳)控制U2的片選；U1的P2.1(22腳)接U3的CS(21腳)控制U2的片選；U1的WR(16腳)接U2和U3的WR(23腳)；U1的RD(17腳)與U2和U3的RD(22腳)相連。U1的P2.2(23腳)接U2和U3的A0(19腳)；U1的P2.3(24腳)接U2和U3的A1(20腳)；U1的P2.6(27腳)P2.7(28腳)分別接LCD的4，5腳。
U1的13腳，即外部中斷1接棱鏡換向信號，用于啟動一次波長測量。
U2和U3的10與各自的15相連形成8254的級聯(lián)。參考光脈沖信號接U2的9腳；被測光脈沖信號接U3的9腳。
U4是D觸發(fā)器4013，U5是反相器組，U6是與非門。參考光脈沖信號接U5A的1腳，反相后從2腳輸出，進入U4A的D觸發(fā)器的3腳；D觸發(fā)器U4A的5腳接U1的P1.0(1腳)，U4A的1腳接U6A的2腳。
U2的溢出信號OUT1(13腳)接U5B的3腳，經(jīng)反相后從U5B的4腳輸入到U1的外部中斷0(12腳)、U5B的4腳同時也接到U6A的1腳；U6A的3腳接U5C的5腳，U5C的6腳上拉一個4K7的電阻，同時還與U2和U3的GATEO、GATE1(10，14腳)相連，是同時啟動和停止兩個8254的計數(shù)的控制端。
開始計數(shù)前由單片計算機執(zhí)行如圖4(a)的初始化程序。當可移動棱鏡掉頭后單片計算機在13腳得到一個下降沿信號，產(chǎn)生外部中斷，啟動定時器0；同時P89C52給U2設(shè)定計數(shù)初始值1500000，給U3設(shè)定計數(shù)初始值3000000；單片計算機的P1.0設(shè)置為低，暫時鎖定計數(shù)。定時時間到后，設(shè)置P1.0為高電平，參考光的脈沖信號下降沿到達時，U5A輸出一個上升沿，觸發(fā)U4A的1端輸出高，U6A的3輸出低，U5C輸出高，同時啟動兩個計數(shù)器，并且從參考光脈沖信號的下降沿開始計數(shù)。
當參考光脈沖信號的第1500000個下降沿到達時，U2溢出，U2OUT1產(chǎn)生上升沿信號，U5B的4腳經(jīng)反相產(chǎn)生下降沿給單片計算機的外部中斷0；此時U6A的1腳為低電平，輸出腳3為高，U5C輸出低，從而鎖定兩個8254計數(shù)達到同時停止，并且是在參考光的信號下降沿停止計數(shù)；同時計算機進行中斷響應(yīng)，計算機的P1.0設(shè)置為低，鎖定計數(shù)并讀取計數(shù)值進行波長計算與顯示。
沒有邊沿觸發(fā)的被測光脈沖計數(shù)誤差約為±2，有邊沿觸發(fā)的被測光脈沖計數(shù)誤差約為±1，參考光計數(shù)誤差不大于±1。在測量原理上有邊沿觸發(fā)的測量方法精度約為沒邊沿觸發(fā)的測量方法精度的2倍。
與兩種實施電路配套的3個中斷服務(wù)子程序是一樣的，描述如下1)外部中斷1(INT1中斷)可移動棱鏡調(diào)頭，計算機得到一個信號在U1的13腳，產(chǎn)生INT1中斷，該中斷所做的事情是用來啟動U1內(nèi)部的定時器T1工作。
2)定時器1中斷(T1中斷)U1的外部中斷啟動了T1的定時，延時一段時間后，棱鏡運動趨于平穩(wěn)，參考和被測信號波形正常，U1就會產(chǎn)生T1中斷，該中斷所做的事情是通過單片機的P1.0端口置高，啟動兩片8254計數(shù)器同時工作。
3)外部中斷0(INT0中斷)當U2計數(shù)達到預(yù)定值1500000后，自動鎖定兩個8254同步停止工作，通過U2的溢出13腳OUT1產(chǎn)生高電平，最后在U1的12(INTO)腳產(chǎn)生INT0中斷，該中斷所做的事情是開始讀取兩個計數(shù)器的計數(shù)值，進行波長計算并顯示。
波長計光路調(diào)試的第一步是參考光，按照圖1的原理分別調(diào)節(jié)兩個反射鏡3、6和角錐棱鏡的仰角或方位，在5處看見比較寬的干涉條紋。然后接上光電轉(zhuǎn)換器，用手推動角錐棱鏡載物臺9來回移動，用示波器顯示圖5(a)(b)中的ref信號是否達到8254計數(shù)器的工作指標；繼續(xù)調(diào)節(jié)3、6和角錐棱鏡，也可以調(diào)節(jié)參考光的入射方位和距離，直到圖5(a)(b)中的ref信號達到8254計數(shù)器的工作指標。
將圖5(a)(b)中的unk信號輸入點與ref信號輸入點連接在一起，啟動計數(shù)電路，無論怎樣移動角錐棱鏡載物臺9，在LCD上應(yīng)該顯示固定不變的參考光波長值。這就表明計數(shù)電路的軟件和硬件工作正常。
接下來是被測光的調(diào)試。被測光分光點B處，合光點在A處，干涉信號由光探測器8接收。在參考光調(diào)試完畢后，加入被測激光。主要調(diào)節(jié)被測激光的入射方位和距離，在不影響參考光的光、電信號的前提下可調(diào)節(jié)3、6和角錐棱鏡的方位，用示波器顯示圖5(a)(b)中的unk信號是否達到8254計數(shù)器的工作指標。反復(fù)調(diào)節(jié)，直到unk信號達到8254計數(shù)器的工作指標，同時參考光的信號也正常。
最后讓參考光、被測光、角錐棱鏡載物臺、計數(shù)電路的軟件和硬件同時工作，在LCD上就會顯示被測光的波長值。
整機調(diào)試好，采用633nm紅光和532nm綠光作為被測的穩(wěn)頻激光分別進行實際測試，測量結(jié)果如表1所示。紅光和綠光測量結(jié)果精度均優(yōu)于1×10-6；綠光測量結(jié)果再經(jīng)過計算機程序10次移位平均，精度接近于2×10-7。
表1 633nm和532nm激光波長測量結(jié)果(單位nm)
權(quán)利要求
1.激光波長測量裝置，包括兩個計數(shù)芯片，其特征在于還包括單片計算機、LCD、邏輯控制電路；兩個計數(shù)芯片和LCD通過總線與單片計算機連接；參考光脈沖信號從第一計數(shù)器輸入；被測光脈沖信號從第二計數(shù)器輸入；單片計算機的一個I/O口與邏輯控制電路一個輸入端相連；邏輯控制電路的一個輸出端與單片計算機的一個外部中斷口相連，邏輯控制電路的另一個輸出端同時與兩個計數(shù)器相連；邏輯控制電路的另一個輸入端和第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的激光波長測量裝置，其特征在于所述邏輯控制電路由第一邏輯門、第二邏輯門和第三邏輯門組成；第三邏輯門的一個輸入端由單片計算機的一個I/O口控制，第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號接第二邏輯門的輸入，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的另一個輸入端，第三邏輯門的輸出給第一邏輯門的輸入；第一邏輯門的輸出接兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端；第二邏輯門的輸出還接單片計算機的另一個外部中斷的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的激光波長測量裝置采用的激光波長測量方法，其特征在于包括以下步驟1)棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號給單片計算機的外部中斷口，由單片計算機開始設(shè)定兩個計數(shù)器的初始值；2)單片計算機等待一段時間后，從I/O口輸出一個控制信號給第三邏輯門的一個輸入端，第三邏輯門將此信號轉(zhuǎn)換給第一邏輯門，由第一邏輯門產(chǎn)生一個信號同時啟動兩個計數(shù)器開始計數(shù)；3)當?shù)谝挥嫈?shù)器對參考光的計數(shù)達到初始值后即刻產(chǎn)生溢出信號給第二邏輯門，第二邏輯門將溢出信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆笛亟o單片計算機的一個外部中斷；第二邏輯門的輸出還給第三邏輯門的另一個輸入端，由第三邏輯門轉(zhuǎn)換輸出一個停止計數(shù)器工作的電平信號，同時停止兩個計數(shù)器計數(shù)；4)單片計算機得到第二邏輯門的外部中斷信號后，通過總線鎖定兩個計數(shù)器、讀取兩個計數(shù)器的計數(shù)值，進行波長計算，再通過總線從LCD上顯示；5)回到第1)步，等待棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號。
4.激光波長測量裝置，包括兩個計數(shù)芯片，其特征在于還包括單片計算機、LCD、邏輯控制電路和邊沿信號觸發(fā)電路；兩個計數(shù)芯片和LCD通過總線與單片計算機連接；參考光脈沖信號從第一計數(shù)器輸入；被測光脈沖信號從第二計數(shù)器輸入；參考光脈沖信號與邊沿觸發(fā)電路的一個輸入端相連，單片計算機的一個I/O口與邊沿觸發(fā)電路的另一個輸入端相連；邊沿觸發(fā)電路的輸出端與邏輯控制電路的一個輸入端相連，邏輯控制電路的一個輸出給單片計算機的一個外部中斷口，邏輯控制電路的另一個輸出同時給兩個計數(shù)器；邏輯控制電路的另一個輸入端和第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的激光波長測量裝置，其特征在于所述邊沿觸發(fā)電路，由第一邏輯門、第二邏輯門、第三邏輯門、第四邏輯門和第一觸發(fā)器組成；第一觸發(fā)器是一個D觸發(fā)器，第四邏輯門的輸入端接參考光脈沖，第一觸發(fā)器的CLK端接第四邏輯門的輸出，第一觸發(fā)器的D控制端由單片計算機的一個I/O口控制，第一觸發(fā)器的輸出給第三邏輯門的一個輸入端；第一計數(shù)器的計數(shù)溢出信號接第二邏輯門的輸入，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的另一個輸入端，第三邏輯門的輸出給第一邏輯門的輸入；第一邏輯門的輸出接兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端；第二邏輯門的輸出還接單片計算機的另一個外部中斷的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的激光波長測量裝置采用的激光波長測量方法，其特征在于包括以下步驟1)鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號給單片計算機的外部中斷口，由單片計算機開始設(shè)定兩個計數(shù)器的初始值；2)單片計算機等待一段時間后，從I/O口輸出一個控制信號給第一觸發(fā)器，第四邏輯門選擇參考光脈沖的一種邊沿信號，使得單片計算機的控制信號在邊沿到達時刻從第一觸發(fā)器的輸出端輸出給第三邏輯門，經(jīng)過第三邏輯門和第一邏輯門產(chǎn)生啟動計數(shù)的控制信號同時給兩個計數(shù)器；3)當?shù)谝挥嫈?shù)器對參考光的計數(shù)達到初始值，第一計數(shù)器即刻產(chǎn)生溢出信號給第二邏輯門，第二邏輯門的輸出給第三邏輯門的一個輸入端；在最后一個參考激光脈沖信號的邊沿信號到達時刻，第四邏輯門將邊沿信號轉(zhuǎn)換給第一觸發(fā)器，此刻，第一觸發(fā)器輸出給邏輯門的另一個輸入端，允許第三邏輯門輸出信號給第一邏輯門去停止兩個計數(shù)器；保證了啟動計數(shù)器所使用的邊沿方式與停止計數(shù)器所使用的邊沿方式相同；4)單片計算機得到第二邏輯門的外部中斷信號后，通過總線鎖定兩個計數(shù)器、讀取兩個計數(shù)器的計數(shù)值，進行波長計算，再通過總線從LCD上顯示；5)回到第1步，等待棱鏡移動掉頭后產(chǎn)生一個下降沿的換向信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求
3或6所述的激光波長測量方法，其特征在于步驟1)中，第一計數(shù)器的初始值的設(shè)定原則是在保證每次測量過程中參考光脈沖的計數(shù)值在1000000以上的一個固定值；第二計數(shù)器的初始值的設(shè)定原則是保證在每次測量過程中第二計數(shù)器不溢出的一個固定值。
8.根據(jù)權(quán)利要求
3或6所述的激光波長測量方法，其特征在于步驟4)中，單片計算機計算本次測量的波長值，同時也采用移位平均的方法計算平均波長值，最后通過總線在LCD上同時顯示本次波長測量值和多次平均測量值；所述的移位平均方法是將N次計算的波長值保存在單片計算機的內(nèi)存中，當新的一次波長計算值出來后，它將替換N+1次前的波長值，始終保持參加平均計算的波長個數(shù)是最近測量的N個。
專利摘要
激光波長測量裝置及測量方法，屬于計算機測量與光電子技術(shù)領(lǐng)域：
。電路由兩個計數(shù)芯片、單片計算機、LCD、邏輯控制電路組成或者還包括邊沿信號觸發(fā)電路?？梢苿永忡R在導(dǎo)軌上來回往復(fù)運動，在導(dǎo)軌的兩端安裝有光反射開關(guān)，當可移動棱鏡到達端點，就會擋住光電開關(guān)，光電開關(guān)就會產(chǎn)生一個脈沖信號，單片計算機產(chǎn)生外部中斷，準備計數(shù)。通過單片機、邊沿信號觸發(fā)電路和邏輯門芯片控制兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)，同時停止計數(shù)。單片計算機讀取兩個計數(shù)器的值，計算本次測量的波長值，同時也采用移位平均的方法計算平均波長值，最后通過總線在LCD上同時顯示本次波長測量值和多次平均測量值。本發(fā)明使得測量智能化，精度有很大的提高。
文檔編號H01S3/00GK1995938SQ200610169833
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日
發(fā)明者彭月祥, 王利強, 白曉東, 沈乃澂 申請人:北京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan