專利名稱：用雙波長(zhǎng)激光進(jìn)行外差干涉測(cè)量絕對(duì)距離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用雙波長(zhǎng)激光進(jìn)行外差干涉測(cè)量絕對(duì)距離的系統(tǒng)，屬精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
激光干涉儀由于其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠被廣泛用于生產(chǎn)實(shí)踐，以美國(guó)HP公司為代表的雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)是目前最常用的激光測(cè)量系統(tǒng)。但是這種激光測(cè)量系統(tǒng)在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，必須借助一條沿測(cè)量方向的導(dǎo)軌來完成，為此使得激光干涉儀在一些場(chǎng)合下應(yīng)用受到了限制。為了解決上述問題，人們開始致力于絕對(duì)距離測(cè)量干涉儀的研究。絕對(duì)距離干涉儀的最大特點(diǎn)就是在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離時(shí)無需用任何導(dǎo)軌。
絕對(duì)距離測(cè)量干涉儀是以小數(shù)重合理論為基礎(chǔ)的。設(shè)有兩個(gè)波長(zhǎng)分別為λ1、λ2的光束，通過邁克爾遜干涉儀的作用，就形成了一個(gè)合成波長(zhǎng)為λs的空間合成波。若這時(shí)邁克爾遜干涉儀兩臂的光程差為L(zhǎng)，那么，它可以表達(dá)成下面的式子L＝(m+e)· (λs)/2 (1)其中m是合成波長(zhǎng)的整數(shù)級(jí)次，e是合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次，λs是合成波長(zhǎng)，而且有λ2= ｜ (λ1λ2)/(λ1- λ2) ｜(2)通過理論分析，如果被測(cè)長(zhǎng)度可以以一個(gè)△表示的精度預(yù)先估計(jì)時(shí)，那么只要這個(gè)△滿足這樣一個(gè)數(shù)值，m就可以唯一確定
即△＜ (λS)/4 (3)這樣只要用合適的方法初測(cè)出L，通過拍波干涉儀測(cè)量出(1)式的小數(shù)級(jí)次e，那么被測(cè)長(zhǎng)度L，就唯一地被確定。
目前已有許多運(yùn)用該原理進(jìn)行絕對(duì)距離測(cè)量的方法例如利用CO2激光器，He-Xe、激光器以及He-Ne3.39μm波段激光器實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量。中國(guó)計(jì)量科學(xué)院則采用了橫向塞曼分裂633納米He-Ne激光器，利用拍波法測(cè)量出合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量。所謂拍波法就是將激光發(fā)出的兩個(gè)波長(zhǎng)的波，入射到拍波干涉儀中，那么在拍波干涉儀的輸出端就獲得一個(gè)兩個(gè)波長(zhǎng)的拍波-合成波，通過改變拍波干涉儀的參考臂的長(zhǎng)度，找到合成波的拍波零點(diǎn)，這時(shí)，拍波干涉儀參考臂的長(zhǎng)度改變值就是合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次。
由于拍波法是通過改變拍干涉儀的空間光程來實(shí)現(xiàn)小數(shù)級(jí)次測(cè)量的，因此，其測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，在測(cè)量過程中易受外界環(huán)境變化的影響，而且用該種方法構(gòu)成的干涉測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
本發(fā)明提出了一種新型的絕對(duì)距離外差干涉儀，它利用具有兩波長(zhǎng)可以分離的激光光源，用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光學(xué)外差干涉，直接測(cè)量出合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次。因此，具有測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量精度高，不易受環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)，而且干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的內(nèi)容是用雙波長(zhǎng)激光進(jìn)行外差干涉測(cè)量絕對(duì)距離系統(tǒng)，該系統(tǒng)是從激光頭發(fā)出的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光經(jīng)過聲光調(diào)制后被衍射，該衍射光通過擴(kuò)束鏡后被擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)聲光調(diào)制器衍射后的零級(jí)光作為測(cè)量光束入射到測(cè)量靶鏡，經(jīng)測(cè)量靶鏡反射后入射到分光鏡上，經(jīng)聲光調(diào)制器衍射后的+1級(jí)光作為參考光，經(jīng)反射鏡反射后入射到上述分光鏡上，并與上述參考光匯合形成外差干涉;從分光鏡上出射的兩束光，一束光通過一具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)后獲得一個(gè)波長(zhǎng)λ1的外差干涉信號(hào)，另一束光通過另一具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)后，獲得波長(zhǎng)為λ2的外差干涉信號(hào)，這二個(gè)外差干涉信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理單元，即可獲得被測(cè)距距離值。


圖1是本發(fā)明的測(cè)距系統(tǒng)框圖。
圖2是本發(fā)明中信號(hào)處理單元原理框圖。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
如圖1所示，從激光頭1發(fā)出的光是穩(wěn)頻的，而且是偏振方向相互垂直的兩線偏振光，這兩光經(jīng)過聲光調(diào)制器2后被衍射，在通過擴(kuò)束鏡3擴(kuò)束準(zhǔn)直。經(jīng)聲光調(diào)制器2衍射后的零級(jí)光作為測(cè)量光束入射到測(cè)量靶鏡4，靶鏡4是一個(gè)四面體棱鏡，靶鏡4反射回來的光入射到分光鏡5上;經(jīng)聲光調(diào)制器2衍射后的+1級(jí)光作為參考光，它經(jīng)過反射鏡6反射后入射到分光鏡5上，與測(cè)量光束匯合形成外差干涉。從分光鏡5上出射兩束光，一束光通過具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)7后，獲得一個(gè)波長(zhǎng)λ1的外差干涉信號(hào);另一束光則通過具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)8后，獲得波長(zhǎng)為λ2光波的外差干涉信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)可以用下列兩式表示i1＝I01cos(2πf0t-k1x) (4)i2＝I02cos(2πf0t-k2x) (5)式中I01、I02是光電信號(hào)的振幅，f0是聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率，k1、k2分別是兩個(gè)波長(zhǎng)的波數(shù)，x是兩干涉臂間的光程差。
從(4)式和(5)式看出，這兩個(gè)信號(hào)是頻率相同而相位不同的正弦信號(hào)，將這兩信號(hào)進(jìn)行相位比較，那么其相位差△ψ為△ψ＝k1x-k2x
= x( (2π)/(λ1) - (2π)/(λ2) )=2πxλ1λ2λ1-λ2]]>= (2πx)/(λ1) (6)由于相位差測(cè)量只能測(cè)量出一個(gè)周期內(nèi)的相位差，顯然上式為合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次，即小數(shù)級(jí)次e為e = ｜ (x)/(λs) ｜模＝ (△ψ)/(2π) (7)從(7)式可見，只要測(cè)量出(4)式、(5)式表示的兩信號(hào)的相位差，即可測(cè)量出合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次。根據(jù)前述的合成波長(zhǎng)理論就能獲得被測(cè)距離的數(shù)值。
因此，從7、8輸出的光電信號(hào)，通過信號(hào)處理單元9，進(jìn)行相位測(cè)量處理，測(cè)量出合成波長(zhǎng)的小數(shù)級(jí)次，再根據(jù)被測(cè)長(zhǎng)度的初估值經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得被測(cè)距離值。
圖2所示是信號(hào)處理單元9的框圖。因?yàn)槁暪庹{(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率比較高，本發(fā)明使用的是一個(gè)40MHz的聲光調(diào)制器，因此為了獲得一個(gè)高的測(cè)量相位差精度，將7、8輸出的光電信號(hào)經(jīng)過電子混頻電路10、11與一個(gè)接近聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)頻率的信號(hào)的本振信號(hào)12進(jìn)行混頻，這樣經(jīng)過混頻后的低頻信號(hào)再經(jīng)過相位比較單元13獲得兩波長(zhǎng)外差干涉信號(hào)的相位差，該相位差與輸入的初估值一起經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元14作用獲得被測(cè)距離值。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，激光器1采用了633納米的He-Ne雙縱模激光器，2是一個(gè)上海硅酸鹽研究所產(chǎn)的40MHz聲光調(diào)制器，光電接收系統(tǒng)7、8是由一個(gè)波長(zhǎng)選擇偏振片及一個(gè)高頻光電接收器組成的。10、11是MC1496集成電路構(gòu)成的，其作用是將7、8輸出的信號(hào)分別與10輸出的信號(hào)進(jìn)行混頻。13是一個(gè)用內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)的比相電路，將10、11的輸出信號(hào)的相位差信號(hào)提取出來;14是用單片機(jī)8098構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集及處理單元，它一方面讀取比較器13的相位差值，另一方面根據(jù)鍵盤輸入的初估值，用前述算法，計(jì)算出要測(cè)的距離。
權(quán)利要求
1.用雙波長(zhǎng)激光進(jìn)行外差干涉測(cè)量絕對(duì)距離系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)是從激光頭發(fā)出的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光經(jīng)過聲光調(diào)制后被衍射，該衍射光通過擴(kuò)束鏡后被擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)聲光調(diào)制器衍射后的零級(jí)光作為測(cè)量光束入射到測(cè)量靶鏡，經(jīng)測(cè)量靶鏡反射后入射到分光鏡上，經(jīng)聲光調(diào)制器衍射后的+1級(jí)光作為參考光，經(jīng)反射鏡反射后入射到上述分光鏡上，并與上述測(cè)量光匯合形成外差干涉；從分光鏡上出射兩束光，一束光通過一具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)后獲得一個(gè)波長(zhǎng)的外差干涉信號(hào)，另一束光通過另一具有偏振選擇光電接收系統(tǒng)后，獲得另一波長(zhǎng)的外差干涉信號(hào)，這二個(gè)外差干涉信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理單元，即可獲得被測(cè)距距離值。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量絕對(duì)距離系統(tǒng)，其特征在于其中所述的信號(hào)處理單元是用電子混頻電路將光電信號(hào)與一個(gè)接近聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)混頻后的低頻信號(hào)經(jīng)相位比較單元獲得上述兩光電信號(hào)的相位差，該相位差與輸入的初估值一起經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元，獲得被測(cè)距離值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用雙波長(zhǎng)激光進(jìn)行外差干涉測(cè)量絕對(duì)距離的系統(tǒng)，屬精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該測(cè)距系統(tǒng)包括產(chǎn)生偏振方向正交的兩個(gè)波長(zhǎng)的激光器，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)外差干涉的外差干涉儀，將外差信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的聲光調(diào)制器以及外差信號(hào)的相位檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明的測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量精度高、不易受環(huán)境影響、抗干擾能力強(qiáng)以及干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1099128SQ9410149
公開日1995年2月22日 申請(qǐng)日期1994年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月4日
發(fā)明者趙洋, 任偉明, 梁晉文 申請(qǐng)人:清華大學(xué)