正弦相位调制干涉仪PGC解调实时归一化修正装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种正弦相位调制干涉仪PGC解调实时归一化修正装置及方法。构建含有测量干涉仪和监测干涉仪的光路结构，在两干涉仪的公共参考臂中放置电光相位调制器并同时施加高频正弦波调制和低频三角波调制；正弦调制用于产生相位载波，进行PGC解调得到含有待测相位信息的正交信号；三角波调制使正交信号周期性变化，对正交信号对应的李萨如图形进行椭圆拟合，实现PGC解调正交信号的实时归一化修正；通过计算两路干涉信号的相位差变化量算得被测位移，实现纳米级位移测量。本发明专利技术消除了PGC解调中相位调制深度、相位延迟、乘法器和滤波器增益等的变化引起的非线性误差，具有亚纳米级测量精度，适用于高端装备制造与加工领域中的精密位移测量。

Real time normalization correction device and method for PGC demodulation in sinusoidal phase modulation interferometer

The invention discloses a real-time normalization correction device and method for PGC demodulation of sinusoidal phase modulation interferometer. Construction of optical structure includes measuring interferometer and monitoring interferometer, interference in the two public reference arm instrument placed in the electro-optic phase modulator and high frequency sine wave modulation and low frequency triangular wave modulation; sine wave modulation for phase generated carrier demodulation, PGC containing orthogonal signal measured phase information; the orthogonal triangle wave modulation signal periodic change of ellipse fitting of orthogonal signal corresponding to the Lissajous graphics, to achieve real-time normalized PGC demodulation orthogonal signal correction; by computing the phase difference of two interfering signal is calculated by measured displacement, realize nanometer displacement measurement. The invention eliminates the nonlinear errors caused by the change of phase modulation depth, phase delay, multiplier and filter gain in the PGC demodulation, and has the accuracy of sub nanometer level measurement, which is suitable for the precise displacement measurement in the field of high-end equipment manufacturing and processing.

【技术实现步骤摘要】
正弦相位调制干涉仪PGC解调实时归一化修正装置及方法
本专利技术属于激光干涉精密测量
，具体涉及到一种正弦相位调制干涉仪PGC解调实时归一化修正装置及方法。
技术介绍
正弦相位调制干涉法通过对干涉仪的光程差进行正弦调制，并利用相位生成载波(PGC)解调技术对干涉信号进行解调，具有相位调制简单、测量精度高、抗干扰能力强等优点，已成为位移、振动、表面形貌、微角度等测量领域的一项重要的高精度测量技术。PGC解调技术具有高灵敏度、大动态范围和良好的线性度等优点，其相位载波可通过内调制和外调制两种方式生成。内调制是通过改变激光二极管的电流来调制输出波长，间接实现对光程差的调制，无需增加额外的调制器，结构紧凑，但是激光二极管的输出光强也被调制，从而带来伴生调幅，引起相位解调误差；外调制是通过压电陶瓷或者电光相位调制器等外调制器直接调制干涉仪的光程差。由于基于电光相位调制器的正弦相位调制干涉法具有调制频率高、无机械振动等优点，被广泛应用于光纤干涉仪、光学反馈干涉仪和自混合干涉仪。PGC解调中，高频相位载波将待测信号转化为高频载波及其谐频信号的边带，干涉信号中含有携带待测相位信息的载波基频和各阶谐频，一般选用强度较大的基频和二倍频解调待测信号。将干涉信号分别与载波信号的基频和二倍频相乘并低通滤波，可得到一对含有待测相位信息的正交信号，进一步通过微分交叉相乘(DCM)或反正切(Arctan)法得到待测相位。DCM法算法较复杂，且易受光强变化和干涉条纹对比度影响，Arctan法是PGC解调的改进算法，具有算法简单、抗干扰能力强、易实现等优点。然而，在PGC解调中，光路传输引起的相位延迟、相位调制深度的漂移、乘法器或滤波器增益的变化等都会导致PGC-Arctan解调存在非线性误差。对正交信号进行归一化处理可消除这些因素带来的非线性误差。通常需要在实验开始之前，被测目标运动几个干涉条纹周期，根据正交信号的峰峰值等参数离线求得归一化系数，但这种方法不适用于静态目标，比如绝对距离测量。此外，在测量过程中，归一化系数会因为相位调制深度的漂移或被测位移的变化等发生改变，使得离线估计得到的系数不再精确，从而降低测量精度。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提供了一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置及方法。本专利技术是构建含有一个测量干涉仪和一个监测干涉仪的光路结构，在两干涉仪的公共参考臂中放置电光相位调制器并对其同时施加高频正弦波调制和低频三角波调制；正弦调制用于产生相位载波，进行PGC解调得到含有待测相位信息的正交信号；三角波调制使正交信号周期性变化，对正交信号对应的李萨如图形进行椭圆拟合，实现PGC解调正交信号的实时归一化修正；通过计算两路干涉信号的相位差变化量算得被测位移，实现纳米级位移测量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一、一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置：包括单频激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、电光相位调制器、第一光电探测器和第二光电探测器；单频激光器输出波长为λ的线偏振光射向第一分光镜发生透射和反射，第一分光镜的反射输出光束经电光相位调制器调制后射向参考角锥棱镜，经参考角锥棱镜反射后射向第二分光镜发生透射和反射；第一分光镜的透射输出光束射向第三分光镜发生透射和反射，第三分光镜的透射输出光束射向测量角锥棱镜，经测量角锥棱镜反射与第二分光镜的透射输出光束在第一分光镜处合束形成测量干涉信号，并由第一光电探测器接收；第三分光镜的反射输出光束与第二分光镜的反射输出光束在第四分光镜处汇合形成监测干涉信号，并由第二光电探测器接收；参考角锥棱镜固定，测量角锥棱镜安装到待测物体，测量角锥棱镜和待测物体一起移动，用测量角锥棱镜的位移代表待测物体的位移。所述的电光相位调制器是置于第一分光镜和参考角锥棱镜之间，调制的是射向参考角锥棱镜的第一分光镜反射输出光束。还包括高压放大器和信号发生器，所述的电光相位调制器经高压放大器与信号发生器连接，信号发生器输出的高频正弦波和低频三角波电压经高压放大器放大后施加于电光相位调制器，且单频激光器输出的线偏振光的偏振方向与电光相位调制器的电场施加方向一致。由第一分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜组成的测量干涉仪，由第一分光镜、参考角锥棱镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜组成的监测干涉仪，由第一分光镜、电光相位调制、参考角锥棱镜和第二分光镜构成为测量干涉仪和参考干涉仪的公共参考臂；所述的信号发生器输出周期性的高频正弦波和低频三角波电压经高压放大器放大后施加于电光相位调制器，通过改变电光相位调制器中电光调制晶体的折射率来调制公共参考臂的光程差，实现测量干涉仪和监测干涉仪的高频正弦相位调制和低频三角波相位调制。二、一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化处理的位移检测方法：1)针对所述装置检测获得的测量干涉信号和监测干涉信号均进行相同的PGC解调实时归一化处理，分别解调获得测量干涉信号和监测干涉信号中的相位值；所述装置中，采用以下方式获得测量干涉信号和监测干涉信号：单频激光器输出波长为λ的线偏振光，射向由第一分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜组成的测量干涉仪和由第一分光镜、参考角锥棱镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜组成的监测干涉仪，分别形成测量干涉信号和参考干涉信号，并分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收。2)测量角锥棱镜运动时，计算实时检测获得的测量干涉信号和监测干涉信号相位差变化量Δφ(t)，再采用以下公式得到被测位移ΔL为：其中，λ为单频激光器输出的线偏振光的波长；至此以被测位移ΔL作为测量角锥棱镜的运动位移。所述步骤1)中，PGC解调实时归一化处理具体为：通过高频正弦相位调制产生相位载波信号，进行PGC解调：1.1)将干涉信号分别与高频正弦调制信号、高频正弦调制信号的二倍频相乘，相乘后通过低通滤波，再除以相位调制深度的理论值z′对应的贝塞尔函数值，得到一对含有干涉相位信息的正交信号；1.2)低频三角波相位调制使得测量(监测)干涉仪的正交信号发生周期性变化，通过对与一对含有干涉相位信息的正交信号对应的李萨如图形进行椭圆拟合，实时测得椭圆的长轴和短轴的值，作为一对正交信号的两个归一化系数，实现PGC解调正交信号的实时归一化修正；1.3)用步骤1.2)获得的两个归一化系数对步骤1.2)获得的一对正交信号进行归一化修正处理，对归一化后的正交信号相除后进行反正切运算，获得干涉仪对应的相位。所述步骤1.2)是在如图2所示的椭圆拟合归一化系数求取模块中完成。所述步骤1.3)中的归一化修正处理是在如图2所示的正交信号实时归一化模块中完成。本专利技术具有的有益效果是：(1)本专利技术实现了PGC解调的实时归一化修正，消除了测量过程中由于相位调制深度和相位延迟的变化，或乘法器、滤波器的增益变化等因素引起的非线性相位解调误差，具有纳米级测量精度。(2)无论测量目标是静止状态还是运动状态，都可以实现PGC解调的实时归一化，故本专利技术同时适用于相对位移测量和绝对距离测量。(3)本专利技术光路中没有采用偏振器件，避免了偏振光非正交、偏振泄漏等偏振误差引起的一阶非线性误差。(4)光路结构简单，使用方便。本专利技术主要适本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、第一分光镜(2)、第二分光镜(3)、第三分光镜(4)、第四分光镜(5)、参考角锥棱镜(6)、测量角锥棱镜(7)、电光相位调制器(8)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；单频激光器(1)输出线偏振光射向第一分光镜(2)发生透射和反射，第一分光镜(2)的反射输出光束经电光相位调制器(8)调制后射向参考角锥棱镜(6)，经参考角锥棱镜(6)反射后射向第二分光镜(3)发生透射和反射；第一分光镜(2)的透射输出光束射向第三分光镜(4)发生透射和反射，第三分光镜(4)的透射输出光束射向测量角锥棱镜(7)，经测量角锥棱镜(7)反射与第二分光镜(3)的透射输出光束在第一分光镜(2)处合束形成测量干涉信号，并由第一光电探测器(11)接收；第三分光镜(4)的反射输出光束与第二分光镜(3)的反射输出光束在第四分光镜(5)处汇合形成监测干涉信号，并由第二光电探测器(12)接收；参考角锥棱镜(6)固定，测量角锥棱镜(7)安装到待测物体。

【技术特征摘要】
1.一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、第一分光镜(2)、第二分光镜(3)、第三分光镜(4)、第四分光镜(5)、参考角锥棱镜(6)、测量角锥棱镜(7)、电光相位调制器(8)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；单频激光器(1)输出线偏振光射向第一分光镜(2)发生透射和反射，第一分光镜(2)的反射输出光束经电光相位调制器(8)调制后射向参考角锥棱镜(6)，经参考角锥棱镜(6)反射后射向第二分光镜(3)发生透射和反射；第一分光镜(2)的透射输出光束射向第三分光镜(4)发生透射和反射，第三分光镜(4)的透射输出光束射向测量角锥棱镜(7)，经测量角锥棱镜(7)反射与第二分光镜(3)的透射输出光束在第一分光镜(2)处合束形成测量干涉信号，并由第一光电探测器(11)接收；第三分光镜(4)的反射输出光束与第二分光镜(3)的反射输出光束在第四分光镜(5)处汇合形成监测干涉信号，并由第二光电探测器(12)接收；参考角锥棱镜(6)固定，测量角锥棱镜(7)安装到待测物体。2.根据权利要求1所述的一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(8)是置于第一分光镜(2)和参考角锥棱镜(6)之间，调制的是射向参考角锥棱镜(6)的第一分光镜(2)反射输出光束。3.根据权利要求1所述的一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置，其特征在于：还包括高压放大器(9)和信号发生器(10)，所述的电光相位调制器(8)经高压放大器(9)与信号发生器(10)连接，信号发生器(10)输出的高频正弦波和低频三角波电压经高压放大器(9)放大后施加于电光相位调制器(8)，且单频激光器输出的线偏振光的偏振方向与电光相位调制器(8)的电场施加方向一致。4.根据权利要求1所述的一种正弦相位调制干涉仪中PGC解调实时归一化修正装置，其特征在于：由第一分光镜(2)、参考角锥棱镜(6)、测量角锥棱镜(7)组成的测量干涉仪，由第一分光镜(2)、参考角锥棱镜(6)、第...

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