用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法制造方法及图纸

技术编号:17484175 阅读:49 留言:0更新日期:2018-03-17 08:21
本发明专利技术公开了一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。含有干涉单元和检测单元,在参考臂上加入光电相位调制器;检测单元包括四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器,用于检测测量和参考光束的干涉条纹并产生四路干涉信号;光电相位调制器施加高频正弦波调制电压,使干涉信号成含有待测相位信息的相位生成载波干涉信号;PGC解调得四组正交信号经计算得四路干涉信号的相位,计算差分相位变化来测量位移、偏摆角和俯仰角并进行补偿。本发明专利技术降低了测量方法的非线性误差,消除了由于光学元件性能不理想或安装误差引入的光强干扰影响,提高了相位的测量精度和稳定性,提高了角度的测量精度和测量范围,提高了位移的测量精度。

Differential single frequency interference signal processing device and method with integrated four photodetectors

The invention discloses a differential single frequency interference signal processing device and method using an integrated four photodetector. With the interference unit and a detection unit, with photoelectric phase modulator in the reference arm; the detection unit comprises four wave plate and polarizers, beam expander and the integration of the four photoelectric detector for detection and measurement of interference fringes and the reference beam to generate four interference signals; high frequency sine wave modulated voltage optical phase modulator, the interference a signal containing the phase generated carrier phase information of the measured interference signal; PGC demodulation to four orthogonal signal by the calculation of four path interference signal phase difference calculation of phase variation to measure displacement, yaw angle and pitching angle and compensation. The invention reduces the nonlinear measurement error, eliminate the interference intensity of optical element performance is not ideal or installation error, improve the accuracy and stability of phase, improve the angle measuring range and measuring precision, improve the measurement accuracy of displacement.

【技术实现步骤摘要】
用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法
本专利技术涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备及方法,尤其是涉及一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。
技术介绍
激光单频干涉仪具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好以及测量范围大的优点,被广泛应用于超精密测量领域。但在实际的位移测量过程中,不可避免地受到因被测对象的横向偏移与倾斜造成的光束未准直影响。单频干涉仪通常使用正交检测、相位生成载波(PGC)单频相位检测等方法来检测相位,这些相位检测方法虽然都有各自的优点,但都不能补偿因被测对象倾斜测量光束光程变化而产生的位移测量误差。被测对象的倾斜角度同时测量是补偿这位移测量误差的前提条件。目前除了在位移测量干涉仪的基础上增加角度干涉仪或者准直仪等光学方法改进外,干涉条纹分析和差分感测方法同样可以实现位移和角度的同时测量。干涉条纹分析方法使用CCD图像传感器作为检测器,但其信号处理速度无法满足快速位移测量的需要。与干涉条纹分析方法相比,差分感测方法更适合大范围位移和小角度测量。差分感测方法通常使用四象限探测器作为检测器,根据四象限探测器产生的差分功率感测信号或差分波前感测信号来实现位移与角度的同时测量。差分功率感测方法的角度测量与准直测量方法类似,其测量分辨率与精度受限于四象限探测器的性能。差分波前感测方法通过四象限探测器产生的差分波前感测信号关系测量位移、偏摆角和俯仰角三个自由度。目前差分波前感测方法被应用于外差干涉仪,但其存在毫弧级的非线性影响,同时光束剪切也会影响差分波前感测方法的非线性。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。构建含有干涉单元和检测单元的装置结构,干涉单元为单频偏振干涉仪,在其参考臂上加入光电相位调制器用于光束相位调制;检测单元是由四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器组成,用于检测测量和参考光束的干涉条纹并产生四路干涉信号;对光电相位调制器施加高频正弦波调制电压,干涉信号被调制成含有待测相位信息的相位生成载波(PGC)干涉信号;进行PGC解调得到四组正交信号,再经归一化和反正切计算得到四路干涉信号的相位;通过计算四路干涉信号的差分相位变化来实现位移、偏摆角和俯仰角的同时测量,并根据测得的角度对位移测量结果进行了补偿,提高了位移的测量精度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一、一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置:包括单频激光器、干涉单元和检测单元;单频激光器输出线偏振光束进入干涉单元,经干涉单元处理后形成参考光束和测量光束,参考光束和测量光束进入检测单元,获得四路干涉信号。所述的干涉单元包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片、光电相位调制器、参考平面反射镜、第二四分之一波片和测量平面反射镜;干涉单元中,线偏振光束被偏振分光棱镜发生反射和透射分别分为s偏振光束和p偏振光束的两束正交线偏振光束;经偏振分光棱镜反射的s偏振光束作为参考光束,经过第一四分之一波片变为圆偏振光,接着经过光电相位调制器后到达参考平面反射镜,被参考平面反射镜反射后逆反再次经过光电相位调制器和第一四分之一波片后变为和原偏振方向垂直的p偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜发生透射;经偏振分光棱镜透射的p偏振光束作为测量光束,经过第二四分之一波片变为圆偏振光,接着被测量平面反射镜反射后逆反再次经过第二四分之一波片变成和原偏振方向垂直的s偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜发生反射;参考光束和测量光束各自逆反回到偏振分光棱镜中汇合形成合束后进入检测单元,所述检测单元包括第三四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器,合束依次经过第三四分之一波片后和偏振片后变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉,然后经扩束器放大后入射到集成四光电探测器被接收,获得四路差分干涉信号。所述的测量平面反射镜安装在被测对象移动平台上,跟随被测对象一起移动。对所述光电相位调制器施加高频正弦波调制电压,使得四路差分干涉信号被调制成含有待测相位信息的PGC干涉信号,进而通过对四路差分干涉信号的处理获得被测对象的位移、偏摆角和俯仰角的测量。所述的单频激光器输出线偏振光,经半波片后偏振方向被调整成相对于纸面成45°。所述集成四光电探测器经信号处理板后连接计算机。本专利技术的位移测量是以单频偏振干涉仪为感测单元,正交的测量光束和参考光束在干涉单元引入测量和参考相位后,在检测单元被转换为两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉,经扩束器放大后到达集成四光电探测器,产生四路干涉信号。二、一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理方法,其特征在于,所述方法步骤如下:1)将测量平面反射镜安装在被测对象的移动平台上;2)单频激光器输出线偏振光束,线偏振光束被偏振分光棱镜发生反射和透射分别分为s偏振光束和p偏振光束的两束正交线偏振光束;经偏振分光棱镜反射的s偏振光束作为参考光束,经过第一四分之一波片变为圆偏振光,接着经过光电相位调制器后到达参考平面反射镜,被参考平面反射镜反射后逆反再次经过被施加高频正弦波调制电压的光电相位调制器和第一四分之一波片后变为和原偏振方向垂直的p偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜发生透射;经偏振分光棱镜透射的p偏振光束作为测量光束,经过第二四分之一波片变为圆偏振光,接着被测量平面反射镜反射后逆反再次经过第二四分之一波片变成和原偏振方向垂直的s偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜发生反射;参考光束和测量光束各自逆反回到偏振分光棱镜中汇合形成合束后进入检测单元,所述检测单元包括第三四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器,合束(正交的参考光束和测量光束)依次经过第三四分之一波片后和偏振片后变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉,然后经扩束器放大后入射到集成四光电探测器被接收,获得四路差分干涉信号;3)对四路差分干涉信号进行PGC解调分别得到四路差分干涉信号的相位,处理获得四路差分干涉信号的相位变化量和4)采用以下公式计算被测对象的补偿前的位移s':式中,λ为线偏振光束的激光在空气中的波长;3)偏摆角和俯仰角是以四路干涉信号的差分相位变化量和两束干涉光束的角度关系模型实现测量,差分相位变化量受测量光束的方向变化影响,该方向由被测对象的偏转角和俯仰角决定,通过相位解调分别检测被测对象倾斜前后差分相位变化,得到被测对象运动过程中的偏摆角和俯仰角,采用以下公式分别计算偏摆角和俯仰角:偏摆角:俯仰角:式中:m为光束放大倍数,k为经扩束器放大后的光程增益系数,d为集成四光电探测器四个光电二极管之间水平和垂直间距;4)根据被测对象的偏摆角和俯仰角对补偿前的位移s'按以下公式进行补偿:补偿后位移:式中:s'表示补偿前的位移,s0为初始位置测量平面反射镜到集成四光电探测器的光程,L和H分别是测量平面反射镜上的光束入射点和测量镜支架到移动平台的连接点之间的垂直于纸面方向距离和纸面垂直方向距离。所述步骤3)中,对四路差分干涉信号处理获得相位变化量的处理方式相同,以第一路差分干涉信号I1为例,以下说明处理过程:在被测对象沿光轴移动过程中,实时通过PGC解调第一路差分干涉信号I1的相位,移动一段距离后到达当前位置,此时解调得到的相位为采用以下公式计算获得当前时刻被测对象所在位置本文档来自技高网...
用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法

【技术保护点】
一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:包括单频激光器(1)、干涉单元和检测单元;单频激光器(1)输出线偏振光束进入干涉单元,经干涉单元处理后形成参考光束和测量光束,参考光束和测量光束进入检测单元,获得四路干涉信号。

【技术特征摘要】
1.一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:包括单频激光器(1)、干涉单元和检测单元;单频激光器(1)输出线偏振光束进入干涉单元,经干涉单元处理后形成参考光束和测量光束,参考光束和测量光束进入检测单元,获得四路干涉信号。2.根据权利要求1所述的一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:所述的干涉单元包括偏振分光棱镜(3)、第一四分之一波片(4)、光电相位调制器(5)、参考平面反射镜(6)、第二四分之一波片(7)和测量平面反射镜(8);干涉单元中,线偏振光束被偏振分光棱镜(3)发生反射和透射分别分为s偏振光束和p偏振光束的两束正交线偏振光束;经偏振分光棱镜(3)反射的s偏振光束作为参考光束,经过第一四分之一波片(4)变为圆偏振光,接着经过光电相位调制器(5)后到达参考平面反射镜(6),被参考平面反射镜(6)反射后逆反再次经过光电相位调制器(5)和第一四分之一波片(4)后变为和原偏振方向垂直的p偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜(3)发生透射;经偏振分光棱镜(3)透射的p偏振光束作为测量光束,经过第二四分之一波片(7)变为圆偏振光,接着被测量平面反射镜(8)反射后逆反再次经过第二四分之一波片(7)变成和原偏振方向垂直的s偏振光束,然后入射回到偏振分光棱镜(3)发生反射;参考光束和测量光束各自逆反回到偏振分光棱镜(3)中汇合形成合束后进入检测单元,所述检测单元包括第三四分之一波片(11)、偏振片(12)、扩束器(13)和集成四光电探测器(14),合束依次经过第三四分之一波片(11)后和偏振片(12)后变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉,然后经扩束器(13)放大后入射到集成四光电探测器(14)被接收,获得四路差分干涉信号。3.根据权利要求2所述的一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:所述的测量平面反射镜(8)安装在被测对象移动平台上,跟随被测对象一起移动。4.根据权利要求2所述的一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:对所述光电相位调制器(5)施加高频正弦波调制电压,使得四路差分干涉信号被调制成含有待测相位信息的PGC干涉信号,进而通过对四路差分干涉信号的处理获得被测对象的位移、偏摆角和俯仰角的测量。5.根据权利要求2所述的一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置,其特征在于:所述的单频激光器(1)输出线偏振光,经半波片(2)后偏振方向被调整成相对于纸面成45°。6.应用于权利要求1所述装置的一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理方法,其特征在于,所述方法步骤如下:1)将测量平面反射镜(8)安装在被测对象的移动平台上;2)单频激光器(1)输出线偏振光束,线偏振光束被偏振分光棱镜(3)发生反射和透射分别分为s偏振光束和p偏振光束的两束正交线偏振光束;经偏振分光棱镜(3...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈本永楼盈天严利平
申请(专利权)人:浙江理工大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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