专利名称：双正弦相位调制实时干涉测距仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及测距仪，特别是一种双正弦相位调制实时干涉测距仪。
背景技术：
由于半导体激光器(以下简称LD)波长的温度稳定性得到较好的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用电省、价格低等优点外，另一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。比如台湾National Central University的Li-Wuu Chang先生提出的用于测量距离的干涉仪(在先技术1Lin-Wuu Chang，Pie-Yau Chien and Ching-tingLee，“Measurement of absolute displacement by a double-modulation techniquebased on a Michelson interferometer，”App Opt 1999，38(13)，2843-2847)中，通过对用作光源的半导体激光器的光频和干涉仪的光程差作正弦调制实现了对位移和距离的测量。
在先技术1中，光电探测器得到的干涉信号为Iout＝(I0/16){cos(t-r)[J0(m)+2J2(m)cos(2ωmt)+… (1)+sin(t-r)[2J1(m)sin(ωmt)+2J3(m)sin(3ωmt)+…]}其中φt＝2πν0Lt/c是物光的相位，φr＝2πν0Lr/c是参考光的相位，φm＝2πνm(Lt-Lr)/c是调制引起的相位差，Jn(φ)是n阶贝塞尔函数。I0是激光器的出射光强。利用锁相放大技术和低通滤波技术得到I3ω＝(I0/8)J3[2πνm/c(L0+Lmsinωpt)]sin[2πνc/c(L0+Lmsinωpt)](2)L0＝Lt-Lr是干涉仪的静止光程差。(2)式可视作角频率是ωp、振幅是(I0/8)J3[2πνm/c(L0+Lmsinωpt)]的正弦信号，通过闸门电路和自混合电路得到该信号的振幅，通过检测该振幅和光强的比值，即3阶贝塞尔函数J3(2πνm/cL0)的大小，就可得到L0的数值。
该在先技术1的缺点(1)在先技术1中，当半导体激光器的波长随调制电流的变化而改变时，其光强I0也同时被调制，即在式(1)和式(2)中光强I0不是一个常数，而是随时间不停的变化，这样测得的3阶贝塞尔函数始终存在一个误差，影响了测量精度；并且在先技术1中在测量过程中没有采取抗干扰措施，干涉信号受到外界振动、空气扰动等环境因素的影响，这些影响同样传递，给最后测量结果带来不可避免的误差。
(2)如式(2)所示，在先技术1是通过检测3阶贝塞尔函数J3(2πνm/cL0)来得到距离的，其最大测量范围受到3阶贝塞尔函数性质和半导体激光器调制频差的限制，最大量程仅为4.186cm。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种双正弦相位调制实时干涉测距仪，它应具有测量精度高和测量范围大的优点。
本发明的技术解决方案如下一种双正弦相位调制实时干涉测距仪，包括<1>光源与带直流电源和第一证弦信号发生器的第一驱动器相连，在该光源发射光束的前进方向上同光轴地依次置有准直透镜、分束器和被测物体，其中被测物体置于机壳外，其特征在于<2>在分束器的反射光路上置有反射镜、第二驱动器和第二正弦信号发生器；<3>沿分束器相对被测物体的反射面上的反射光路上置有光电转换器件和信号处理系统；<4>该信号处理系统包含两个输入端口和一个输出端口，其第一输入端口与光电转换器件的输出端相连，第二输入端口与第一正弦信号发生器相连，输出端口与示波器相连接。
所述的信号处理系统的结构包括鉴相电路、低通滤波电路、锁相环电路、减法电路、加法电路和除法电路，该信号处理系统的第一输入端口同时与其鉴相电路和低通滤波电路相连，该鉴相电路和低通滤波电路的输出接锁相环电路，锁相环电路的两路输出分别输入到减法电路和加法电路，减法电路和加法电路的输出端接除法电路，该除法电路的输出端，即输出端口接示波器，该信号处理系统的第二输入端口与锁相环电路相连。
所述的光源是一半导体激光器。
所述的反射镜能够在第二驱动器和第二正弦信号发生器驱动下产生正弦振动。
所述的光电转换器件可以为光电二极管或光电倍增管。
本发明的优点克服了在先技术1中由于光强被调制和干涉信号容易受到外界干扰等因素对测量结果的影响，提高了测量精度，测量范围从4.2cm扩大到12cm。
图1是本发明双正弦相位调制实时干涉测距仪具体实施例的结构框图。
图2是本发明双正弦相位调制实时干涉测距仪的信号处理系统的结构框图。
具体实施例方式请先参阅图1和图2，图1是本发明双正弦相位调制实时干涉测距仪具体实施例结构框图，图2是本发明双正弦相位调制实时干涉测距仪的信号处理系统的结构框图。由图可见，本发明双正弦相位调制实时干涉测距仪，包括<1>半导体激光器1与带直流电源10和第一正弦信号发生器11的第一驱动器9相连，在该半导体激光器1的发射光束前进的方向上同光轴地依次置有准直透镜2、分束器3和被测物体5，其中被测物体5置于机壳19外，其特点是<2>在分束器3的反射光路上置有反射镜4、第二驱动器12和第二正弦信号发生器13，该反射镜4能够在第二正弦信号发生器13和第二驱动器12的驱动下产生正弦振动；<3>沿分束器3相对被测物体5的反射面上的反射光路上置有与光电转换器件6和信号处理系统7；<4>该信号处理系统7包含两个输入端口7a、7b和一个输出端口7c，其第一输入端口7a与光电转换器件6的输出端相连，第二输入端口7b与第一正弦信号发生器11相连，输出端口7c与示波器8相连接。该光电转换器件6的输出信号输入到信号处理系统7，经信号处理系统7处理的结果由示波器8显示。
所述的信号处理系统7的结构如图2所示，包括鉴相电路71、低通滤波电路72、锁相环电路73、减法电路74、加法电路75和除法电路76，该信号处理系统7的第一输入端口7a同时与鉴相电路71和低通滤波电路72相连，该鉴相电路71和低通滤波电路72的输出接锁相环电路73，锁相环电路73的两路输出分别输入到减法电路74和加法电路75，该减法电路74和加法电路75的输出端接除法电路76，该除法电路76的输出端，即输出端口7c接示波器8，该信号处理系统7的第二输入端口7b直接与锁相环电路73相连。该信号处理系统7可以把物体的绝对距离信息从干涉信号中高精度的实时提取出来。
所说的鉴相电路13是指利用相敏检波技术和低通滤波技术提取出所需的周期性的信号的幅值和相位的单元电路或是其他提取干涉信号随时间变化相位的电路。
所说的低通滤波电路14为四阶以上的低通滤波器。
所说的锁相环电路15是指利用锁相放大原理探测出周期性的信号的幅值和相位的单元电路。
所说的分束器3是指能够将入射光按一定的分光比分成两束光的元件，如分光棱镜，或者是两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板等。
所说的反射镜4是指镀有高反射膜的平行平板或角椎棱镜等光束反射元件，其反射率满足在测量时与分束器3配合后，光电转换器件6接收到的物体光和参考光的光强比接近于1∶1。
所说的光电转换器件6包括光电二极管或光电倍增管等光电转换器件。
所说的驱动器13是指能够在外加信号的驱动下产生振动的元件，如压电陶瓷，或者是扬声器的振动元件等。
本发明的工作过程大致如下半导体激光器1的出射光波长被带有第一正弦信号发生器11和直流电源10的第一驱动器9正弦调制，反射镜4在带有正弦信号发生器13的驱动器12驱动下产生正弦振动。所述的半导体激光器1的波长为785nm，最大输出功率为20mw，波长被正弦电流调制后的激光束，经过分束器3后分成两束，其中透射光被测物体5反射的探测光束与被反射镜4反射的参考光束再经分束器3相遇后产生干涉，用光电探测器6将干涉信号转换成电信号，输入到信号处理系统7的第一输入端口7a。在信号处理系统7中，将信号处理系统7的第一输入端口7a输入的电信号分为两路，一路经过鉴相电路71，得到
P1(t)＝S1(t)J1[2πνm/cL0]sin[4π(L0+Lpsinωpt)/λ0] (3)另一路经过低通滤波电路72，得到P2(t)＝S1(t)J0(2πνm/cL0)cos[4π(L0+Lpsinωpt)/λ0] (4)正弦信号发生器11发出的调制信号经过与之相连的信号处理系统7的第二输入端口7b以及两路输出信号P1(t)、P2(t)同时输入到锁相环电路73，该锁相环电路73输出有两个直流信号P1dc＝S1(t)J1[2πνm/cL0] (5)P2dc＝S1(t)J0[2πνm/cL0] (6)将上述两个直流信号P1dc、P2dc分别输入到减法电路74和加法电路75，其结果送入除法器76，除法器76的输出为P(t)=S1(t)[K,J1(2πvm/cL0)-KlJ0(2πvm/cL0)S1(t)[K,J1(2πvm/cL0)+KlJ0(2πvm/cL0)]]>=K,J1(2πvm/cL0)-KlJ0(2πvm/cL0)K,J1(2πvm/cL0)+KlJ0(2πvm/cL0)---(7)]]>式中Ks和Kl为两路信号经各个电路后的增益。把除法器76的输出经信号处理系统7的输出端口7c输入到示波器8中。由于(7)式中各个电路的增益和调制信号的调制频率νM已知，光速c为常量，所以由除法器最后输出结果的大小可得到物体的距离L0。
从式(7)可以看出，我们在信号处理系统7中通过将测得的分别含有1阶贝塞尔函数和0阶贝塞尔函数两路信号作归一化处理，消除了光源光强波动和外界干扰带来的影响，从而提高了系统的测量精度。并且由于是同时对两路相关信号处理，可以极大的降低对半导体激光器的调制频差的要求，从而扩大了测量范围。实施例中已将范围扩大到约12cm。由于整个信号处理系统(7)全部由各电路组成，可以实现实时在线测量。
测量时，首先打开半导体激光器1与第一正弦信号发生器11，对半导体激光器1出射光束的波长进行正弦调制；然后打开第二正弦信号发生器13并经由驱动器12驱动反射镜4振动。光电二极管6输出的信号输入信号处理系统7，其结果由示波器8显示。根据上述式(7)可以求出物体的绝对距离。当调制电流的振幅为0.5mA时，经实验证明本发明测得的最大距离为12.1cm。
权利要求
1.一种双正弦相位调制实时干涉测距仪，包括<1>光源(1)与带直流电源(10)和第一正弦信号发生器(11)的第一驱动器(9)相连，在该光源(1)的发射光束前进的方向上同光轴地依次置有准直透镜(2)、分束器(3)和被测物体(5)，其中被测物体(5)置于机壳(19)外，其特征在于<2>在分束器(3)的反射光路上置有反射镜(4)、第二驱动器(12)和第二正弦信号发生器(13)；<3>沿分束器(3)相对被测物体(5)的反射面上的反射光路上置有光电转换器件(6)和信号处理系统(7)；<4>该信号处理系统(7)包含两个输入端口(7a、7b)和一个输出端口(7c)，其第一输入端口(7a)与光电转换器件(6)的输出端相连，第二输入端口(7b)与第一正弦信号发生器(11)相连，输出端口(7c)与示波器(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的双正弦相位调制实时干涉测距仪，其特征在于所述的信号处理系统(7)的结构包括鉴相电路(71)、低通滤波电路(72)、锁相环电路(73)、减法电路(74)、加法电路(75)和除法电路(76)，该信号处理系统(7)的第一输入端口(7a)与鉴相电路(71)和低通滤波电路(72)相连，该鉴相电路(71)和低通滤波电路(72)的输出接锁相环电路(73)，锁相环电路(73)的两路输出分别输入到减法电路(74)和加法电路(75)，该减法电路(74)和加法电路(75)的输出端接除法电路(76)，该除法电路(76)的输出端，即输出端口(7c)接示波器(8)，该信号处理系统(7)的第二输入端口(7b)直接与锁相环电路(73)相连。
3.根据权利要求1所述的双正弦相位调制实时干涉测距仪，其特征在于所述的光源(1)是半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的双正弦相位调制实时干涉测距仪，其特征在于所述的反射镜(4)能够在第二驱动器(12)和第二正弦信号发生器(13)驱动下产生正弦振动。
5.根据权利要求1所述的双正弦相位调制实时干涉测距仪，其特征在于所述的光电转换器件(6)可以为光电二极管或光电倍增管。
全文摘要
一种双正弦相位调制实时干涉测距仪，包括光源与带直流电源和第一正弦信号发生器的第一驱动器相连，在该光源发射光束的前进方向上同光轴地依次置有准直透镜、分束器和被测物体，其中被测物体置于机壳外，其特征在于在分束器的反射光路上置有反射镜、第二驱动器和第二正弦信号发生器；沿分束器相对被测物体的反射面上的反射光路上置有光电转换器件和信号处理系统；该信号处理系统包含两个输入端口和一个输出端口，其第一输入端口与光电转换器件的输出端相连，第二输入端口与第一正弦信号发生器相连，输出端口与示波器相连接。本发明具有实时测量、抗干扰能力强、测量精度高、测量范围大的特点。
文档编号G01C3/00GK1563890SQ200410017310
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月30日 优先权日2004年3月30日
发明者李代林, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所