专利名称：用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离的系统，属精密测量技术领域。
激光干涉仪由于其测量精度高、稳定性好、性能可靠被广泛用于生产实践，以美国HP公司为代表的双频激光测量系统是目前最常用的激光测量系统。但是这种激光测量系统在进行长度测量时，必须借助一条沿测量方向的导轨来完成，为此使得激光干涉仪在一些场合下应用受到了限制。为了解决上述问题，人们开始致力于绝对距离测量干涉仪的研究。绝对距离干涉仪的最大特点就是在测量两点间距离时无需用任何导轨。
绝对距离测量干涉仪是以小数重合理论为基础的。设有两个波长分别为λ1、λ2的光束，通过迈克尔逊干涉仪的作用，就形成了一个合成波长为λs的空间合成波。若这时迈克尔逊干涉仪两臂的光程差为L，那么，它可以表达成下面的式子L＝(m+e)· (λs)/2 (1)其中m是合成波长的整数级次，e是合成波长的小数级次，λs是合成波长，而且有λ2= ｜ (λ1λ2)/(λ1- λ2) ｜(2)通过理论分析，如果被测长度可以以一个△表示的精度预先估计时，那么只要这个△满足这样一个数值，m就可以唯一确定
即△＜ (λS)/4 (3)这样只要用合适的方法初测出L，通过拍波干涉仪测量出(1)式的小数级次e，那么被测长度L，就唯一地被确定。
目前已有许多运用该原理进行绝对距离测量的方法例如利用CO2激光器，He-Xe、激光器以及He-Ne3.39μm波段激光器实现绝对距离测量。中国计量科学院则采用了横向塞曼分裂633纳米He-Ne激光器，利用拍波法测量出合成波长的小数级次实现绝对距离测量。所谓拍波法就是将激光发出的两个波长的波，入射到拍波干涉仪中，那么在拍波干涉仪的输出端就获得一个两个波长的拍波-合成波，通过改变拍波干涉仪的参考臂的长度，找到合成波的拍波零点，这时，拍波干涉仪参考臂的长度改变值就是合成波长的小数级次。
由于拍波法是通过改变拍干涉仪的空间光程来实现小数级次测量的，因此，其测量时间长，在测量过程中易受外界环境变化的影响，而且用该种方法构成的干涉测量系统结构复杂。
本发明提出了一种新型的绝对距离外差干涉仪，它利用具有两波长可以分离的激光光源，用声光调制器实现光学外差干涉，直接测量出合成波长的小数级次。因此，具有测量时间短，测量精度高，不易受环境的影响，抗干扰能力强，而且干涉仪结构简单。
本发明的内容是用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统，该系统是从激光头发出的两束偏振方向相互垂直的线偏振光经过声光调制后被衍射，该衍射光通过扩束镜后被扩束准直，经声光调制器衍射后的零级光作为测量光束入射到测量靶镜，经测量靶镜反射后入射到分光镜上，经声光调制器衍射后的+1级光作为参考光，经反射镜反射后入射到上述分光镜上，并与上述参考光汇合形成外差干涉;从分光镜上出射的两束光，一束光通过一具有偏振选择光电接收系统后获得一个波长λ1的外差干涉信号，另一束光通过另一具有偏振选择光电接收系统后，获得波长为λ2的外差干涉信号，这二个外差干涉信号进入信号处理单元，即可获得被测距距离值。
图1是本发明的测距系统框图。
图2是本发明中信号处理单元原理框图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
如图1所示，从激光头1发出的光是稳频的，而且是偏振方向相互垂直的两线偏振光，这两光经过声光调制器2后被衍射，在通过扩束镜3扩束准直。经声光调制器2衍射后的零级光作为测量光束入射到测量靶镜4，靶镜4是一个四面体棱镜，靶镜4反射回来的光入射到分光镜5上;经声光调制器2衍射后的+1级光作为参考光，它经过反射镜6反射后入射到分光镜5上，与测量光束汇合形成外差干涉。从分光镜5上出射两束光，一束光通过具有偏振选择光电接收系统7后，获得一个波长λ1的外差干涉信号;另一束光则通过具有偏振选择光电接收系统8后，获得波长为λ2光波的外差干涉信号，这两个信号可以用下列两式表示i1＝I01cos(2πf0t-k1x) (4)i2＝I02cos(2πf0t-k2x) (5)式中I01、I02是光电信号的振幅，f0是声光调制器的驱动频率，k1、k2分别是两个波长的波数，x是两干涉臂间的光程差。
从(4)式和(5)式看出，这两个信号是频率相同而相位不同的正弦信号，将这两信号进行相位比较，那么其相位差△ψ为△ψ＝k1x-k2x
= x( (2π)/(λ1) - (2π)/(λ2) )=2πxλ1λ2λ1-λ2]]>= (2πx)/(λ1) (6)由于相位差测量只能测量出一个周期内的相位差，显然上式为合成波长的小数级次，即小数级次e为e = ｜ (x)/(λs) ｜模＝ (△ψ)/(2π) (7)从(7)式可见，只要测量出(4)式、(5)式表示的两信号的相位差，即可测量出合成波长的小数级次。根据前述的合成波长理论就能获得被测距离的数值。
因此，从7、8输出的光电信号，通过信号处理单元9，进行相位测量处理，测量出合成波长的小数级次，再根据被测长度的初估值经过数据处理获得被测距离值。
图2所示是信号处理单元9的框图。因为声光调制器的驱动频率比较高，本发明使用的是一个40MHz的声光调制器，因此为了获得一个高的测量相位差精度，将7、8输出的光电信号经过电子混频电路10、11与一个接近声光调制器驱动频率的信号的本振信号12进行混频，这样经过混频后的低频信号再经过相位比较单元13获得两波长外差干涉信号的相位差，该相位差与输入的初估值一起经数据处理单元14作用获得被测距离值。
本发明的一个实施例中，激光器1采用了633纳米的He-Ne双纵模激光器，2是一个上海硅酸盐研究所产的40MHz声光调制器，光电接收系统7、8是由一个波长选择偏振片及一个高频光电接收器组成的。10、11是MC1496集成电路构成的，其作用是将7、8输出的信号分别与10输出的信号进行混频。13是一个用内插法实现的比相电路，将10、11的输出信号的相位差信号提取出来;14是用单片机8098构成的数据采集及处理单元，它一方面读取比较器13的相位差值，另一方面根据键盘输入的初估值，用前述算法，计算出要测的距离。
权利要求
1.用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统，其特征在于该系统是从激光头发出的两束偏振方向相互垂直的线偏振光经过声光调制后被衍射，该衍射光通过扩束镜后被扩束准直，经声光调制器衍射后的零级光作为测量光束入射到测量靶镜，经测量靶镜反射后入射到分光镜上，经声光调制器衍射后的+1级光作为参考光，经反射镜反射后入射到上述分光镜上，并与上述测量光汇合形成外差干涉；从分光镜上出射两束光，一束光通过一具有偏振选择光电接收系统后获得一个波长的外差干涉信号，另一束光通过另一具有偏振选择光电接收系统后，获得另一波长的外差干涉信号，这二个外差干涉信号进入信号处理单元，即可获得被测距距离值。
2.如权利要求1所述的测量绝对距离系统，其特征在于其中所述的信号处理单元是用电子混频电路将光电信号与一个接近声光调制器驱动频率信号的本振信号进行混频，经混频后的低频信号经相位比较单元获得上述两光电信号的相位差，该相位差与输入的初估值一起经数据处理单元，获得被测距离值。
全文摘要
本发明涉及一种用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离的系统，属精密测量技术领域。该测距系统包括产生偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。本发明的测距系统具有测量时间短、测量精度高、不易受环境影响、抗干扰能力强以及干涉仪结构简单等优点。
文档编号G01B9/02GK1099128SQ9410149
公开日1995年2月22日 申请日期1994年3月4日 优先权日1994年3月4日
发明者赵洋, 任伟明, 梁晋文 申请人:清华大学