[發明專利]用集成四光電探測器的差分單頻干涉信號處理裝置及方法

有效

• 申請號: 201711045229.7
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107806821B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 陳本永;樓盈天;嚴利平
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種用集成四光電探測器的差分單頻干涉信號處理裝置及方法。含有干涉單元和檢測單元，在參考臂上加入光電相位調制器；檢測單元包括四分之一波片、偏振片、擴束器和集成四光電探測器，用于檢測測量和參考光束的干涉條紋并產生四路干涉信號；光電相位調制器施加高頻正弦波調制電壓，使干涉信號成含有待測相位信息的相位生成載波干涉信號；PGC解調得四組正交信號經計算得四路干涉信號的相位，計算差分相位變化來測量位移、偏擺角和俯仰角并進行補償。本發明降低了測量方法的非線性誤差，消除了由于光學元件性能不理想或安裝誤差引入的光強干擾影響，提高了相位的測量精度和穩定性，提高了角度的測量精度和測量范圍，提高了位移的測量精度。

技術領域

本發明涉及一種以采用光學方法為特征的計量設備及方法，尤其是涉及一種用集成四光電探測器的差分單頻干涉信號處理裝置及方法。

背景技術

激光單頻干涉儀具有測量精度高、靈敏度高、穩定性好以及測量范圍大的優點，被廣泛應用于超精密測量領域。但在實際的位移測量過程中，不可避免地受到因被測對象的橫向偏移與傾斜造成的光束未準直影響。單頻干涉儀通常使用正交檢測、相位生成載波(PGC)單頻相位檢測等方法來檢測相位，這些相位檢測方法雖然都有各自的優點，但都不能補償因被測對象傾斜測量光束光程變化而產生的位移測量誤差。

被測對象的傾斜角度同時測量是補償這位移測量誤差的前提條件。目前除了在位移測量干涉儀的基礎上增加角度干涉儀或者準直儀等光學方法改進外，干涉條紋分析和差分感測方法同樣可以實現位移和角度的同時測量。干涉條紋分析方法使用CCD圖像傳感器作為檢測器，但其信號處理速度無法滿足快速位移測量的需要。與干涉條紋分析方法相比，差分感測方法更適合大范圍位移和小角度測量。差分感測方法通常使用四象限探測器作為檢測器，根據四象限探測器產生的差分功率感測信號或差分波前感測信號來實現位移與角度的同時測量。差分功率感測方法的角度測量與準直測量方法類似，其測量分辨率與精度受限于四象限探測器的性能。差分波前感測方法通過四象限探測器產生的差分波前感測信號關系測量位移、偏擺角和俯仰角三個自由度。目前差分波前感測方法被應用于外差干涉儀，但其存在毫弧級的非線性影響，同時光束剪切也會影響差分波前感測方法的非線性。

發明內容

本發明公開了一種用集成四光電探測器的差分單頻干涉信號處理裝置及方法。構建含有干涉單元和檢測單元的裝置結構，干涉單元為單頻偏振干涉儀，在其參考臂上加入光電相位調制器用于光束相位調制；檢測單元是由四分之一波片、偏振片、擴束器和集成四光電探測器組成，用于檢測測量和參考光束的干涉條紋并產生四路干涉信號；對光電相位調制器施加高頻正弦波調制電壓，干涉信號被調制成含有待測相位信息的相位生成載波(PGC)干涉信號；進行PGC解調得到四組正交信號，再經歸一化和反正切計算得到四路干涉信號的相位；通過計算四路干涉信號的差分相位變化來實現位移、偏擺角和俯仰角的同時測量，并根據測得的角度對位移測量結果進行了補償，提高了位移的測量精度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一、一種用集成四光電探測器的差分單頻干涉信號處理裝置：

包括單頻激光器、干涉單元和檢測單元；單頻激光器輸出線偏振光束進入干涉單元，經干涉單元處理后形成參考光束和測量光束，參考光束和測量光束進入檢測單元，獲得四路干涉信號。