物体位移的纳米精度的测量方法技术

一种物体位移的纳米精度的测量方法，是采用光热正弦相位调制激光束波长的干涉测量方法。波长被光热正弦相位调制的激光束经过迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号输入计算机内进行傅立叶变换，求出正弦相位调制深度以及被测物体在ｔ时刻干涉信号的相位α（ｔ），采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于π的修正方法获取相位的修正值α（ｔ），以相位的修正值α（ｔ）求出被测物体的位移。位移的测量范围扩大到厘米量级。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到，主要适用于物体位移的变化范围在分米内。在激光干涉测量方法中，正弦相位调制干涉测量法是一种高精度干涉测量方法，半导体激光器的引入使得正弦相位调制干涉仪结构更加紧凑简单。在此基础上，为降低测量误差，提高测量精度，王向朝等专利技术人提出了光频光热调制半导体激光波长用于正弦相位调制干涉仪的方法(在先技术，Wang XF，Wang XZ，Qian F，Chen G，Chen G，Fang Z，“Photothermal modulation oflaser diode wavelengthapplication to sinusoidal phase-modulating interferometer for displacementmeasurements,”Optics & Laser Technology，Vol．31，No．8，pp．559-564，2000)。在在先技术中，先用光电探测器得到干涉信号S(t)=S0cos，(1)式中z=2πβα／λ02，(2)α(t)=4πr(t)／λ0，(3)S0为干涉信号交流成分的振动振幅，ωc为正弦相位调制的频率，t为时间，α0为被测物体静止时干涉信号的相位，α(t)为t时刻干涉信号的相位，z为正弦相位调制的调制深度，β为波长的调制系数，α为半导体激光器正弦驱动电流的幅度，ι为被测物体静止时干涉仪两臂的光程差，r(t)为被测物体的位移，λ0为用作光源的半导体激光器的中心波长。被测物体的位移r(t)是根据干涉信号式(1)付立叶变换后，先求出z值，然后利用反正切函数求出其相位α(t)后得到的。在先技术的缺点由于α(t)的值域为，因此对于任意大小的位移，根据式(3)，它的求出值均在范围内，这就不能正确测量超过范围的位移。作为一种高精度的位移测量方法，一种使用法—珀干涉仪的位移测量方法(在先技术，李柱等专利技术人提供的定标或检定用的纳米级位移发生器，公告号CN2097392Y，)被提出，它虽然能够以纳米精度测量位移，但是测量范围小于2微米，且只能用于测量准静态位移，仪器的调校要求很高。本专利技术的目的就是为了克服上述在先技术中的不足，提供一种，位移的测量范围在分米内。本专利技术的，是采用光热正弦相位调制激光束波长的干涉测量方法，其测量的步骤为1．取波长λ0被光热正弦相位调制的激光束。2．将上述激光束导入迈克尔逊干涉仪，使其经过被测物体反射的探测光束与参考光束产生干涉，用光电探测器将干涉光信号转换成电信号，经数据采集卡输入到计算机内。3．对采集的干涉信号进行傅立叶变换，求出正弦相位调制深度z，求出t时刻干涉信号的相位α′(t)的正弦函数sin和余弦函数cos。4．先根据sin和cos求出α′(t)，然后采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于π的修正方法对α′(t)进行修正，求得修正值α(t)。5．根据上述式(3)α(t)=4πr(t)/λ0和上述步骤求出的修正值α(t)求出被测物体的位移r(t)。其中λ0为被光热正弦相位调制的中心波长上述步骤如图1的流程图所示。上述第四步对α′(t)的修正原理如下为了能够测量超过的位移，其中λ0为被光热正弦相位调制的中心波长，首先考虑物体在某一时刻t1的位移r(t1)=λ04πa(t1),------(4)]]>其中α(t1)=2nπ+αt1，(5)上式中，n为整数，-π≤αt1≤π。对于α(t1)＞π或α(t1)＜-π，如果能够确定n的数值，则物体的位移就可以正确地求出。由于α(t)是根据干涉信号付立叶变换后逐点求出的，因此可以逐点考虑。首先考虑大于和小于π(或-π)的两个点A和B，如图3，它们的相位分别为αA和αB，假设3．1＜αA＜π，π＜αB＜3．2，则根据反正切函数求出的相位值α＇A=αA，而α＇B=αB-2π。如果相邻两点的相位差的绝对值小于π，在的边界，我们可以将相邻两点相位差超过π作为判断相位超越的依据。对于相邻的A、B两点，由于α＇B-αA＜-π，因此α＇B对应的实际的相位值αB超出了这个范围，对它进行修正后，得到αB=α＇B+2π。同理，对于C，D两点，αC=α＇C+2π，αD=α＇D+2π。对于F点和G点，α＇G-αF＜-3π，相应的修正式为αG=α＇G+4π。更一般地说，对于相邻的两点αt1和αt2若有α＇t2-αt1＜-nπ(n为奇数)，则αt2=αt1+(n+1)π。相反地，若有α＇t2-αt1＞nπ，则αt2=αt1-(n+1)π。根据以上推导，只要正弦相位调制频率ωc和数据采集的采样频率满足相邻两个采样点的相位差绝对值小于π，式(5)中的n就可以正确地求出，物体位移就可以根据式(3)求出。本专利技术的，其测量范围仅受到数据采集速率和计算机可以处理数据量的限制。若物体的位移时间曲线的最大斜率为a，则数据采集速率为f需满足f≥4α／λ0。(6)物体的最大位移rmzx=ftλ0／4，(7)其中数据采集速率f与时间t的乘积为数据量，设为500k，光源波长λ0为785nm，则可测的最大位移为9．8cm。所说的获取光热正弦相位调制激光束波长λ0的干涉信号所用的装置，也就是本专利技术的测量方法中所用的装置含有两个光源，一个是仅带有直流驱动器9的原光源8，另一个是除带有直流电源1外，还带有正弦信号发生器2和驱动器3的调制光源4。调制光源4的光强是由正弦信号发生器2与驱动器3控制正弦变化的。调制光源4输出光强正弦变化的激光束经过第一透镜5，偏振分束器6和第二透镜7加在原光源8上，利用光热效应对原光源8的输出波长进行正弦相位调制的。原光源8输出的波长经过光热正弦相位调制的激光束通过偏振分束器6后，进入由分束器10、参考反射镜11、和被测物体12所构成的迈克尔逊干涉仪至光电探测器13。光电探测器13接收到的干涉光信号转换成电信号后输出，再经过数据采集卡14输入到计算机15内。如图2所示。本专利技术的优点是克服了在先技术中位移的测量范围不大于半个波长的缺陷，将位移的测量范围扩大到厘米量级，也就是在分米内，同时，测量精度保持纳米量级。本专利技术的，可以测量物体随时间缓慢或迅速变化的位移。 附图说明图1是本专利技术的的流程图。图2是本专利技术的的所用的测量装置示意图。图3是本专利技术的的位移扩大原理的示意图。实施例本测量方法采用装置如图2所示，用作原光源8的半导体激光器的波长λ0为785nm，原光源8(半导体激光器)的波长是通过正弦信号发生器2与驱动器3控制调制光源4输出光强正弦变化加于原光源8上，利用光热效应进行正弦相位调制的。波长λ0经过光热正弦相位调制的原光源8的输出光束经过偏振分束器6后，进入由分束器10、参考反射镜11、和被测物体12所构成的迈克尔逊干涉仪至光电探测器13。光电探测器13接收到由被测物体12反射的探测光束和由参考反射镜11反射的参考光束经分束器6产生的干涉光信号转换成电信号，经过数据采集卡14后输入到计算机15内进行数据处理。测量步骤如图1的流程图所示。先对采集到的数据进行傅立叶变换，求出正弦相位调制深度z=2．35rad。再求出sin为…0．4434，0．0894，—0．0275，—0．6029，…，对应的cos为…，0．8244，0．9187，0．8761，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物体位移的纳米精度的测量方法，是采用光热正弦相位调制激光束波长的干涉测量方法，具体步骤是：〈１〉取波长λ↓［０］被光热正弦相位调制的激光束；〈２〉将上述激光束导入迈克尔逊干涉仪，经过被测物体反射的探测光束与参考光束产生干涉信号， 用光电探测器将干涉光信号转换成电信号，经数据采集卡输入到计算机内；〈３〉对采集的干涉信号进行傅立叶变换，求出正弦相位调制深度Ｚ，求出被测物体在ｔ时刻干涉信号的相位α′（ｔ）的正弦函数ｓｉｎ［α（ｔ）］和余弦函数ｃｏｓ［α（ｔ）］；其 特征在于〈４〉根据上述步骤的ｓｉｎ［α（ｔ）］和ｃｏｓ［α（ｔ）］求出α′（ｔ）后，采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于π的修正方法对α′（ｔ）进行修正，获取修正值α（ｔ）；〈５〉根据上述求得的修正值α（ｔ）和公式α（ｔ）＝４πｒ（ ｔ）／λ↓［０］求出被测物体的位移ｒ（ｔ），其中λ↓［０］为被光热正弦相位调制的中心波长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：王向朝，王学锋，钱锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]