專利名稱：一種測量寬帶光源雙光束干涉零光程差位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電傳感檢測技術(shù)的方法。
背景技術(shù)：
干涉測量方法是光電傳感檢測技術(shù)中采用的重要手段，它通過使用測相技術(shù)來實(shí)現(xiàn)以位移為基本量的物理量測量。雖然在干涉測量中使用差分方法可以得到幾分之一干涉光波長的測量靈敏度，但對于零光程差位置的絕對測量，目前所使用的方法其精度相對比較低。近幾年發(fā)展起來的采用寬帶光源的干涉測量方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)零光程差位置的絕對測量，而且具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受到各國同行的重視。在寬帶光源干涉中，組成寬帶光源光譜的各個(gè)單色光的干涉同激光干涉相同，不同單色光的干涉光強(qiáng)分別疊加后，在有限小區(qū)域形成干涉條紋，由干涉條紋的調(diào)制度可確定雙光束的零光程差位置。如何準(zhǔn)確快速地測量干涉條紋的調(diào)制度，從而實(shí)現(xiàn)定位測量是本專利所要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速準(zhǔn)確測量雙光束寬帶光源干涉零光程差位置的方法。
測量寬帶光源雙光束干涉零光程差位置的方法，具有LED光源(1)，LD光源(2)，單向偶合器(3)，雙向偶合器(4)，光傳感器(5)，匹配臂(6)等。由LED光源(1)和LD光源(2)構(gòu)成寬帶光入射到單向偶合器(3)中，雙向偶合器(4)將單向偶合器(3)出射的光分別偶合到光傳感器(5)和匹配臂(6)，并將光傳感器(5)和匹配臂(6)的反射光偶合輸出至干涉檢測儀，經(jīng)兩個(gè)反射面A、B反射后，由干涉光輸出處輸出，在干涉光輸出位置光電轉(zhuǎn)換器(7)進(jìn)行干涉光強(qiáng)測量。通過以干涉光波長1/4為采樣步長，等間隔檢測采樣點(diǎn)的干涉光強(qiáng)，由計(jì)算式B(z)=P2P-2-P1P-1]]>得到干涉調(diào)制度分布，干涉調(diào)制度的最大位置，即為雙光束干涉零光程差位置。
本發(fā)明通過以下技術(shù)及計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。雙光束干涉時(shí)產(chǎn)生的干涉條紋空間分布可表示為I(x，y，z)＝I0(x，y，z){1+γ(x，y，z)·cos[Φ(x，y，z)]} (a)γ(x，y，z)稱為干涉條紋的調(diào)制度或稱為光源相干度，Φ(x，y，z)為雙光束相位差分布，I0(x，y，z)為直流光強(qiáng)，(x，y，z)表示是空間坐標(biāo)的函數(shù)。確定上述方程(a)的三個(gè)參數(shù)至少要作三次測量，并通過求解相應(yīng)方程組實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明在費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布的基礎(chǔ)上提出一種新的假設(shè)，即采用寬帶光源的雙光束干涉強(qiáng)度分布為I(x,y,z)=I(x,y,z){1+γ0exp[-αΔL(x,y,z)Lc]·cos[Φ(ΔL(x,y,z))]}---(b)]]>設(shè)干涉儀已調(diào)整成為理想狀態(tài)，則在被測干涉區(qū)域的干涉光強(qiáng)僅與z有關(guān)。使用本發(fā)明給出的數(shù)據(jù)采集和處理方法就可實(shí)現(xiàn)零光程差位置的測量。數(shù)據(jù)采集位置如下圖所示，其中z方向?yàn)楦缮婀鈴?qiáng)采集測量位移方向。本發(fā)明進(jìn)行等間隔采樣，采樣間隔為干涉光波長的1/4。
數(shù)據(jù)處理的方法為如果在相臨位置由光電轉(zhuǎn)換器(7)采集到干涉光的強(qiáng)度為I(-2)、I(-1)、I(0)、I(1)、I(2)，可采用下面公式得到中心點(diǎn)的干涉調(diào)制度B(z)=P2P-2-P1P-1]]>其中參數(shù)為 A=I(-2)I(2)-I(0)I(0)I(-2)+I(2)-2I(0)]]>P是采樣點(diǎn)干涉光強(qiáng)與干涉光強(qiáng)的平均值A(chǔ)之差。
根據(jù)干涉條紋的調(diào)制度定義，可得在特定掃描位置的調(diào)制度為γ(z)=Imax-IminImax+Imin]]>=B(z)A]]>由于γ(z)與B(z)的分布成正比，且比例系數(shù)不影響相對分布，所以兩者具有相同的意義，在此只考慮B(z)的分布。
由于B(z)的分布的極大值位置具有唯一性，所以由B(z)分布的最大值即可確定零光程差的位置。
本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明給出了一種零光程差位置的測量方法，該方法不僅可以精確地確定使用相干長度分布與費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布相類似的光源干涉調(diào)制度，而且對于使用其他光源的干涉調(diào)制度的最大值位置測量也適用。本發(fā)明采用一次等間隔順序采樣的測量方法，可快速確定干涉條紋的調(diào)制度分布和零光程差位置，而不需要煩瑣的位移微調(diào)來確定干涉光強(qiáng)分布的局部最大和最小數(shù)值及其對應(yīng)位置。本方法具有的測量速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于自動(dòng)化測量的數(shù)據(jù)處理，可廣泛地用于以絕對位置為基本量的光學(xué)傳感測量及相關(guān)的應(yīng)用場合。


附圖1為干涉型光纖傳感系統(tǒng)光路框圖。其中1-LED光源，2-LD光源，3-單向偶合器，4-雙向偶合器，5-光傳感器，6-匹配臂，7-光電轉(zhuǎn)換器。光傳播方向?yàn)榧^所示。附圖2為麥克爾遜干涉儀光路示意圖。
具體實(shí)施例將光學(xué)部件按照附圖1所示的位置調(diào)整好。設(shè)某測量采用光源的中心波長為1.2μm，位移為波長的1/4，則采樣的位移為0.3μm。雙光束的光強(qiáng)比為10∶8；干涉光強(qiáng)的測量誤差為0.5％；機(jī)械定位誤差為0.05μm，依據(jù)上述測量及計(jì)算方法得到測量數(shù)據(jù)見表1。
表1 測量數(shù)據(jù)

由于調(diào)制度的數(shù)值由測量位置附近的5個(gè)干涉光強(qiáng)的大小決定，所以本實(shí)施例測量數(shù)據(jù)表中對應(yīng)的調(diào)制度數(shù)據(jù)的首尾各缺少兩個(gè)調(diào)制度數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中測量的初始位置為0，利用上述數(shù)據(jù)得出零光程差位置為10.03個(gè)位移單位，即3.009μm的位置。
權(quán)利要求
1.一種測量寬帶光源雙光束干涉零光程差位置的方法，具有LED光源(1)，LD光源(2)，單向偶合器(3)，雙向偶合器(4)，光傳感器(5)，匹配臂(6)，其特征在于由LED光源(1)和LD光源(2)構(gòu)成寬帶光入射到單向偶合器(3)中，雙向偶合器(4)將單向偶合器(3)出射的光分別偶合到光傳感器(5)和匹配臂(6)，并將光傳感器(5)和匹配臂(6)的反射光偶合輸出至干涉檢測儀，經(jīng)兩個(gè)反射面A、B反射后，由干涉光輸出處輸出，在干涉光輸出位置由光電轉(zhuǎn)換器(7)進(jìn)行干涉光強(qiáng)測量。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種測量寬帶光源雙光束干涉零光程差位置的方法，其特征在于通過以干涉光波長1/4為采樣步長，等間隔檢測采樣點(diǎn)的干涉光強(qiáng)，由計(jì)算式B(z)=P2P-2-P1P-1]]>得到干涉調(diào)制度分布，干涉調(diào)制度的最大位置，即為雙光束干涉零光程差位置。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種快速準(zhǔn)確測量雙光束寬帶光源干涉零光程差位置的方法。由LED(1)和LED(2)光源構(gòu)成寬帶光入射到單向耦合器(3)中，雙向耦合器(4)將單向耦合器出射的光分別耦合到光傳感器(5)和匹配臂(6)，并將光傳感器和匹配臂的反射光耦合輸出至干涉檢測儀(7)。以干涉光波長1/4為采樣步長，等間隔檢測采樣點(diǎn)的干涉光強(qiáng)，再由計(jì)算式得到干涉調(diào)制度分布，該分布的最大位置，即為雙光束干涉零光程差位置。本發(fā)明可以精確地確定使用相干長度分布與費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布相類似的光源干涉調(diào)制度，而且對于其它光源干涉調(diào)制度的最大值位置測量也適用，可廣泛地用于以絕對位置為基本量的光學(xué)傳感測量及相關(guān)的應(yīng)用場合。
文檔編號G01B9/02GK1540282SQ20031010689
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月3日
發(fā)明者劉鐵根, 孫杰, 張以謨, 江俊峰 申請人:天津大學(xué)