一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测 量系统。
【背景技术】
[0002] 现有的与此技术相接近的文献有以下两个：
[0003] [ I ] D. P. Hand, T. A. Caro lan, J. S. Barton and J. D. C. Jones. ^Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry'，，Opt. Lett.，Vol. 18, No. 16, 1993, P. 1361-1363. (Optics Letters (光学快报），第 18 卷，第 16 期，Ρ· 1361-1363)
[0004] 文献[1]的技术原理如图1所示。
[0005] 半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB_耦合器后，到达测量头，测 量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透 镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉 信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的 驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干 涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个 干涉信号的相位差η /2,通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：
[0007] In(η = 1，2, 3, 4)是第η次干涉信号的强度，c是光速，V是入射光频率。
[0008] 步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。
[0009] [2]Dejiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion. "High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolute displacement measurement and on-line surface metrology"，Optics Express，Vol.l2，Issue 23,2004，P. 5729-5734. (Optics Express (光学特快），2004 年，第 12 卷，第 23 期，P. 5729-573)
[0010] 文献[2]的技术原理图如图2所示。
[0011] 此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测 量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪 是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共 用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合， 所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。
[0012] 由半导体激光器发出波长为λ。的光经过两个3dB_耦合器后被分为两路，一路被 光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB_耦合器后再次相遇并且发 生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器 探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考 臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态（相位差为JT/2)，从而实现稳定 该干涉仪的目的。
[0013] 可调谐激光器发出的波长Xni可变的光经过两个光纤3dB_耦合器后被分为两路， 一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透 镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB_耦合器后相遇，形成干涉信号， 此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的 位移。
[0014] 上述两个现有技术存在的问题和不足是：
[0015] 1.测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，仅为λ/2,不能对跨距大 于λ/2的位移进行测量。
[0016] 2.不能进行绝对距离测量。
[0017] 3.光源的光谱漂移将影响测量结果的精度。
【发明内容】
[0018] 本发明一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统。利用低相干干涉信 号对被测量进行测量，衍射光栅将低相干干涉信号色散成波长在横向（垂直于光波传播方 向）连续分布的光片，线阵探测器同时探测各个波长的干涉信号，并将各个波长的干涉信 号转换成波数干涉信号，解调出被测量值。测量量程不受光波波长限制，并能够绝对测量； 利用反馈控制系统使干涉仪保持在正交状态，从而提高干涉仪的抗干扰能力，使测量系统 适合在线测量。
[0019] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0020] -种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统，由宽带光源S1、光纤隔离器 GL、3dB-耦合器Ν、自准直镜G3、自准直镜G4、自准直镜G5、光纤光栅FBG、测量镜G1、参考镜 G2、探测器HX环行器H、衍射光栅DG、透镜L、线阵探测器(XD、压电陶瓷PZT、反馈控制电路 B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出M组成。宽带光源Sl发出的光经过光纤隔离器 GL、3dB-親合器N后被分成两路，这两路光分别被自准直镜G3和自准直镜G4准直后，分别 垂直入射到测量镜Gl和参考镜G2上，并分别由测量镜Gl和参考镜G2反射再次返回系统， 两束反射光在3dB-耦合器N再次相遇，其中一路合光到达光纤隔离器GL，由于光纤隔离器 GL的作用，此光不会到达宽带光源Sl，因此不会对宽带光源Sl产生影响。另一路合光经过 环形器H后到达光纤光栅FBG，合光中满足此光纤光栅FBG布拉格条件的波长的光被光纤光 栅FBG反射，反射光再次经过环形器H，由探测器ro探测，探测器ro探测到的信号输入反馈 控制电路B1，经过反馈控制电路Bl处理后，其输出信号加在位于光纤干涉仪参考臂的压电 陶瓷PZT上，光纤干涉仪参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷PZT上，反馈控制电路Bl输出信号 驱动压电陶瓷PZT调节干涉仪的光程差，使光纤干涉仪保持在正交状态（两个干涉臂的相 位差为π /2);透过光纤光栅FBG的光被自准直镜G5准直后，被衍射光栅DG色散成波长在 横向（垂直于光波的传播方向）连续分布的扇形光片，再经过透镜L准直成波长在横向连 续分布的平行光片，由线阵探测器CCD探测，得到的信号经过A/D转换卡Β2后输入计算机 Β3,由计算机Β3中的程序作数据处理后，得到绝对距离测量结果，由结果输出M输出。
[0021] 进一步，作为一种优先方案，本测量系统利用宽带光源作为光源，将干涉仪产生的 低相干干涉信号色散成波长在横向（垂直于光波传播方向）连续分布的光片，由线阵探测 器CCD探测，线阵探测器CCD的各个像元分别探测到不同波长的干涉信号，将不同波长的干 涉信号转换成波数干涉信号，解调出绝对距离。
[0022] 进一步，作为一种优先方案，利用探测器探测到的光纤光栅FBG反射满足布拉 格条件的波长的光经过反馈控制电路Bl处理后驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程 差，使光纤干涉仪保持在正交状态，从而提高测量系统的抗干扰能力，使测量系统适合在线 测量。
[0023] 本发明的有益效果主要有三个：
[0024] 1.本发明将波长干涉信号变换成波数干涉信号，实现绝对距离测量，无需对干涉 仪的光程进行扫描。
[0025] 2.本发明利用低相干干涉信号对被测量进行测量，使测量量程不受光波波长λ 的限制，能对跨距大于λ/2的位移进行测量。
[0026] 3.本发明利用反馈控制系统将干涉仪稳定在正交状态，从而提高干涉仪的抗干扰 能力，使测量系统适合在线测量。
[0027] 4.本发明中的光源光谱漂移不影