專利名稱：利用光纖光柵的合成波干涉臺階高度在線測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用光纖光柵的合成波干涉臺階高度測量系統，特別是涉 及一種適用于在線測量的臺階高度測量系統，屬于光學測量技術領域。
技術背景[1] D. P. Hand, T. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones,光學快報 (Optics Letters) , 1993年，第18巻，第16期，1361-1363頁。現有技術文獻 [l]的工作原理如圖1所示，半導體激光器發出的光經過法拉第隔離器和光纖 50:50耦合器后，到達測量頭，測量頭是一個菲索干涉儀， 一部分光被光纖端 面反射作為參考光，另一部分光經過自聚焦透鏡聚焦后，投射到被測表面上， 由被測表面反射重新回到系統中并與參考光發生干涉，干涉信號由探測器Dl 探測，干涉信號的相位決定于被測表面被測點的縱向高度；改變該激光器的驅 動電流以改變激光器的發光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進行測量，得 到四個干涉信號，由于入射光波頻率不同，四個干涉信號的相位就不同，調節 驅動電流，使相鄰兩個干涉信號的相位差兀/2，通過以下式子，即可解調出該 點的光程差D，即完成單點的測量<formula>formula see original document page 4</formula>(w = 1,2,3,4)是第n次干涉信號的強度，c是光速，v是入射光頻率。步進電機再帶動測量頭橫向掃描被測表面，即完成對被測表面的測量。 [2] Dejiao Lin， Xiangqian Jiang, Fang Xie， Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion，光學特快(Optics Express) , 2004年,第12巻，第23期，5729-5734頁。現有技術文獻[2]的工作原理如圖2所示，由半導體激光器發出波長為^ 的光經過兩個3dB-耦合器后被分為兩路， 一路被光纖光柵反射，另一路被參 考反射鏡反射。兩路反射光經過3dB-耦合器后再次相遇并且發生干涉，干涉 信號經過回旋器后，被另一個光纖光柵反射，再次經過回旋器，然后被PIN 探測器探測，此探測器探測到的信號經過伺服電路處理后驅動壓電陶瓷管調節 光纖干涉儀的參考臂的長度，使穩定干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態 (相位差為Tl/2)，從而實現穩定該干涉儀的目的。可調諧激光器發出的波長^可變的光經過兩個光纖3dB-耦合器后被分為 兩路， 一路經過光纖自準直透鏡后再由測量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路 經過光纖自準直透鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經過3dB-耦合器后相遇，形成干涉信號，此干涉信號經過回旋器及光纖光柵后，被PIN 探測器探測，再經過相位分析即測量出測量鏡的位移。上述兩個現有技術存在的問題和不足是1、 測量系統對環境振動和溫度漂移等干擾敏感，不適用于在線測量。2、 測量的臺階高度受入射光波波長X的限制，可測量的臺階高度小于 X/2，僅為幾百納米，無法對幾十至幾百微米的臺階高度進行測量。本發明的目的就是針對現有技術存在的問題和不足而提出一種利用光纖 光柵的合成波干涉臺階高度在線測量系統。發明內容本發明的目的是通過如下技術方案實現的。
一種利用光纖光柵的合成波干涉臺階高度在線測量系統，該系統是由DFB激光器、3X1耦合器、回旋器、3dB-耦合器、光纖光柵FBG、光纖自準 直透鏡GRIN、壓電陶瓷PZT、測量反射鏡、參考反射鏡、探測器PD、信號 電路處理、相位測量、反饋控制電路、A/D轉換卡、信號發生器、計算機、輸 出結果組成。利用三個波長均在1550nm波段，但波長各不相同分別為^、 X2、 、的DFB激光器作為光源，三個激光器發出的光經過3X 1耦合器耦合進測量 系統。利用光纖光柵反射布拉格波長的特性，在用于測量的光纖邁克爾遜干涉 儀的兩個干涉臂的末端分別寫入一個參數相同的光纖光柵，以這兩個光纖光柵 為反射鏡又構成另一個用于穩定的光纖邁克爾遜干涉儀;測量光纖邁克爾遜干 涉儀和穩定光纖邁克爾遜干涉儀有各自獨立的反射鏡，兩個干涉儀的測量臂和 參考臂的光路幾乎重合，將作為參考臂的光纖纏繞在壓電陶瓷管PZT1上，反 饋控制電路驅動壓電陶瓷管PZT1，調節參考臂的長度，補償由于溫度漂移和 環境振動對穩定光纖邁克爾遜干涉儀的影響，使穩定光纖邁克爾遜干涉儀的兩 個干涉臂始終處于正交狀態(兩個干涉臂的相位差71/2)，這樣穩定光纖邁克 爾遜干涉儀就穩定了 ，由于測量光纖邁克爾遜千涉儀的光路與穩定光纖邁克爾 遜干涉儀的光路幾乎重合，測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩定了，反饋控制電路 的頻率響應范圍為0 5kHz,也就是說反饋控制電路可以修正補償頻率為 0-5kHz的干擾信號對測量系統的影響，使得測量系統適用于在線測量。由于 光纖光柵反射布拉格波長的特性和啁啾光纖光柵反射特定光譜的特性，使三個 DFB激光器發出的光中波長為、的光作用于穩定光纖邁克爾遜干涉儀中，完 成穩定工作，另外二個波長為入2、 ^的光作用于測量光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，完成測量工作。合成波長為義,^V，遠遠大于M、 M，
使本系統可以對臺階高度進行測量。調節參考反射鏡的位置，使測量光纖邁克 爾遜干涉儀的兩個臂的初始相位差為零，當測量臂的光程由于臺階高度的變化引起Ad變化時，兩個臂的初始相位差將變為A^-^2;r。所以初始相位差的 變化量與臺階高度的變化量成正比，通過測量初始相位差的變化量實現對臺階本發明的有益效果主要有兩個1、 本測量系統適用于在線測量。系統利用光纖光柵反射布拉格波長的特 性構成兩個復合在一起的穩定光纖邁克爾遜干涉儀和測量光纖邁克爾遜千涉 儀，通過反饋控制電路使穩定光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交 狀態，使穩定光纖邁克爾遜干涉儀穩定，從而使測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩 定，使系統適用于在線測量。2、 本測量系統能夠對臺階高度進行測量。用合成波干涉的方法擴大干涉測量量程，合成波長/l,^V，遠遠大于光波波長^和A3，可以測量的臺階的最大高度為人/2 ，可通過調節光波波長^和;i3的大小得到不同大小的合成波長，實現對不同高度的臺階測量。
圖1是現有技術文獻[l]的工作原理圖； 圖2是現有技術文獻[2]的工作原理圖； 圖3是本發明的工作原理圖。圖中標注DFB—激光器，FBG^光纖光柵，CFBG4—啁啾光纖光柵，PZT1 一壓電陶瓷管，PZT2—疊片式壓電陶瓷，GRIN—光纖準直透鏡，PD—探測器。
具體實施方式
下面結合附圖3和具體實施方式
對本發明作進一步描述。如圖3所示，光纖光柵FBG1、 FBG2和FBG3的參數相同，反射的布拉 格波長相同，均為、；啁啾光纖光柵CFBG4的反射譜包含、、、，但不包含 、。光纖光柵FBG1和FBG2分別寫在測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂 的末端，這樣，以光纖光柵FBG1和FBG2為反射鏡又構成穩定光纖邁克爾遜 千涉儀，而且穩定光纖邁克爾遜干涉儀和測量光纖邁克爾遜干涉儀的光路幾乎 重合。波長均在1550nm波段但波長不同，分別為、、、、^三個DFB激光 器發出的光經3X 1耦合器耦合進測量系統，經過回旋器1和3dB-耦合器后分 為兩路，當兩路光到達光纖光柵FBG1和FBG2時，波長為、的光被反射， 波長為？l2、 ^的光透射；被反射的兩路波長^的光再次經過3dB-耦合器，在 3dB-耦合器處相遇并發生干涉， 一路干涉信號經過回旋器1和2、以及啁啾光 纖光柵CFBG4，由探測器PD1探測，另一路干涉信號經過回旋器3后被光纖 光柵FBG3反射，再次經過回旋器3，由探測器PD2探領!j。探測器PD1和PD2 探測到的信號經過反饋控制電路處理，作為反饋信號作用在壓電陶瓷管PZT1 上，光纖干涉儀的參考臂纏繞在PZT1上，反饋信號驅動PZT1調節光纖的長 度，以此調節參考臂的光程，使得穩定光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂始終 處于正交狀態(兩個干涉臂的相位差始終為;r/2)，這就補償和修正了溫度漂 移和環境振動等干擾對穩定光纖邁克爾遜干涉儀的影響，實現了對穩定光纖邁 克爾遜干涉儀的穩定。由于測量光纖邁克爾遜干涉儀的光路與穩定光纖邁克爾 遜干涉儀的光路幾乎重合，所以測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩定了。該反饋控 制電路的工作頻率范圍為0 5kHz，也就是說該反饋控制電路可以對0 5kHz的
干擾信號進行修正和補償，使測量光纖邁克爾遜干涉儀能精確地進行測量工作，使測量系統適用于在線測量。透過光纖光柵FBG1和FBG2波長為人2和X3 的兩路光分別經過兩個光纖準直透鏡GRIN，被準直成平行光束，分別被參考 反射鏡和測量反射鏡反射回系統，再次經過光纖光柵FBG1和FBG2，并在3dB-耦合器相遇，發生合成波干涉，合成波長為義5=^~， 一路合成波干涉信號4 一A經過回旋器1和2，由啁啾光纖光柵CFBG4反射，再次經過回旋器2后被導 出系統，另一路干涉信號經過回旋器3和光纖光柵FBG3后，由探測器PD3 探測。當臺階高度變化時，合成波干涉信號的相位將變化。當臺階高度變化Ad 時，合成波干涉信號的相位變化量為△P = 2;r^" (1)式中A,為合成波長。由方程(1)可知只要解調出干涉信號的相位變化量 Ap，經過數據處理，即可測出臺階高度的變化Ad。為此，系統對參考光路中 的壓電陶瓷PZT2加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調節參考光路的光 程。調節鋸齒波電壓的幅值及參考光路光程，使得周期性的鋸齒波電壓與干涉 信號同周期同相位。當臺階高度變化Ad時，鋸齒波電壓的相位和該干涉信號 的相位就不同，測出二者之間的相位差，經過數據處理后，即得到被測位移變 化量Ad值。為了舉例說明本發明的實現，描述了上述的具體實例。但本發明的其他 變化和修改，對本領域技術人員是顯而易見的，在本發明所公開內容的實質和 基本原則范圍內的任何修改/變化或仿效變換都屬于本發明的權利要求保護范 圍。
權利要求
1、一種利用光纖光柵的合成波干涉臺階高度在線測量系統，其特征在于它包含復合在一起而且光路幾乎重合的二個光纖邁克爾遜干涉儀，分別對應于測量回路和反饋控制回路；它是由激光器DFB、3×1耦合器、3dB-耦合器、光纖回旋器、光纖光柵(FBG)、啁啾光纖光柵(CFBG)、探測器(PD)、光纖自準直透鏡(GRIN)、測量反射鏡和參考反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、反饋控制電路、信號電路處理、相位測量、A/D轉換卡、信號發生器、計算機、輸出結果組成；在用于測量的光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂的末端分別寫入一個參數相同的光纖光柵，以這兩個光纖光柵為反射鏡又構成了另一個用于穩定的光纖邁克爾遜干涉儀；這兩個干涉儀復合在一起、有獨立反射鏡、光路幾乎重合；通過反饋控制電路驅動壓電陶瓷調節光纖邁克爾遜干涉儀的參考臂的長度，使以光纖光柵為反射鏡的光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂處于正交狀態(兩個干涉臂的相位差為π/2)，這樣，就補償和修正了環境振動和溫度漂移對以光纖光柵為反射鏡的光纖邁克爾遜干涉儀的影響，達到了穩定該干涉儀的目的；因為兩個干涉儀的光路幾乎重合，所以另一個用于測量的光纖邁克爾遜干涉儀也穩定了，從而使該系統適用于在線測量；三個波長各不相同的激光器發出的光通過3×1耦合器耦合進測量系統，由于光纖光柵反射布拉格波長和啁啾光纖光柵反射特定光譜的特性，使一個激光器發出的光作用于穩定光纖邁克爾遜干涉儀中，用于穩定測量系統，另外二個激光器發出的光作用于測量光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，完成測量工作；調節參考反射鏡的位置，使測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個臂的初始相位差為零，通過壓電陶瓷對其參考臂的光程進行調制，使測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個臂的相位差由零線性的增加到2π，；當測量臂的光程由于臺階高度的變化引起Δd的變化時，兩個臂的初始相位差變化為(λs為合成波長，<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>λ</mi> <mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="A2007101224030003C2.gif" wi="88" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->)，初始相位差的變化量與臺階高度的變化量成正比，通過測量初始相位差的變化量實現對臺階高度的測量。
2、 根據權利要求1所說的一種利用光纖光柵的臺階高度在線測量系統，其特 征在于:在一個光纖邁克耳遜干涉儀的兩個干涉臂的末端分別寫入一個參數相同的光纖光柵，利用光纖光柵反射布拉格波長的特性構成兩個復合在一起光路 幾乎重合的二個光纖邁克爾遜干涉儀，其中一個干涉儀完成穩定工作，另一個 干涉儀完成測量工作，從而使測量系統適用于在線測量。
3、 根據權利要求1所說的一種利用光纖光柵的臺階高度在線測量系統，其特 征在于三個激光器發出的光的波長均在1550nm波段，并且波長各不相同， 分別為A、義2和義3，由于光纖光柵反射布拉格波長和啁啾光纖光柵反射特定光 譜的作用，使波長A作用于穩定光纖邁克爾遜干涉儀中，穩定測量系統，使測 量系統適用于在線測量；波長^和A作用于測量光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，實現對臺階高度的測量；合成波長4=1^，可測量的臺階高<formula>formula see original document page 3</formula>度的最大值為對A^ ;通過調節義2和義3得到不同大小的合成波長，實現對不 同高度臺階的測量。
全文摘要
本發明公開了一種利用光纖光柵的合成波干涉臺階高度在線測量系統。利用光纖光柵反射布拉格波長特性構成復合光纖干涉儀，該干涉儀含二個光路幾乎重合的光纖邁克爾遜干涉儀。一個干涉儀用于測量；另一個干涉儀用于穩定系統，經反饋控制補償修正環境干擾對測量系統的影響，從而使系統適用于在線測量。波長均在1550nm波段但波長各不同的三個激光器發出的光，由于光纖光柵反射布拉格波長和啁啾光纖光柵反射特定光譜的作用，使一個波長作用于穩定干涉儀中，穩定測量系統；另二個波長作用于測量干涉儀中，產生合成波干涉，實現測量。調節作用于測量干涉儀的二個波長的大小，可得不同大小的合成波長，實現對不同高度臺階的測量。
文檔編號G01D5/38GK101126629SQ20071012240
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者琳 張, 芳 謝 申請人:北京交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
