專利名稱：：物體位移的納米精度的測量方法
技術領域：
：本發明涉及到物體位移的納米精度的測量方法，主要適用于物體位移的變化范圍在分米內。在激光干涉測量方法中，正弦相位調制干涉測量法是一種高精度干涉測量方法，半導體激光器的引入使得正弦相位調制干涉儀結構更加緊湊簡單。在此基礎上，為降低測量誤差，提高測量精度，王向朝等發明人提出了光頻光熱調制半導體激光波長用于正弦相位調制干涉儀的方法(在先技術[1]，WangXF，WangXZ，QianF，ChenG，ChenG，FangZ，“Photothermalmodulationoflaserdiodewavelengthapplicationtosinusoidalphase-modulatinginterferometerfordisplacementmeasurements,”Optics&LaserTechnology，Vol．31，No．8，pp．559-564，2000)。在在先技術[1]中，先用光電探測器得到干涉信號S(t)=S0cos[zcos(ωct)+α0+α(t)]，(1)式中z=2πβα[ι+2r(t)]／λ02，(2)α(t)=4πr(t)／λ0，(3)S0為干涉信號交流成分的振動振幅，ωc為正弦相位調制的頻率，t為時間，α0為被測物體靜止時干涉信號的相位，α(t)為t時刻干涉信號的相位，z為正弦相位調制的調制深度，β為波長的調制系數，α為半導體激光器正弦驅動電流的幅度，ι為被測物體靜止時干涉儀兩臂的光程差，r(t)為被測物體的位移，λ0為用作光源的半導體激光器的中心波長。被測物體的位移r(t)是根據干涉信號式(1)付立葉變換后，先求出z值，然后利用反正切函數求出其相位α(t)后得到的。在先技術[1]的缺點由于α(t)的值域為[-π，π]，因此對于任意大小的位移，根據式(3)，它的求出值均在范圍[-λ0／4，λ0／4]內，這就不能正確測量超過[-λ0／4，λ0／4]范圍的位移。作為一種高精度的位移測量方法，一種使用法—珀干涉儀的位移測量方法(在先技術[2]，李柱等發明人提供的定標或檢定用的納米級位移發生器，公告號CN2097392Y，)被提出，它雖然能夠以納米精度測量位移，但是測量范圍小于2微米，且只能用于測量準靜態位移，儀器的調校要求很高。本發明的目的就是為了克服上述在先技術中的不足，提供一種物體位移的納米精度的測量方法，位移的測量范圍在分米內。本發明的物體位移的納米精度的測量方法，是采用光熱正弦相位調制激光束波長的干涉測量方法，其測量的步驟為1．取波長λ0被光熱正弦相位調制的激光束。2．將上述激光束導入邁克爾遜干涉儀，使其經過被測物體反射的探測光束與參考光束產生干涉，用光電探測器將干涉光信號轉換成電信號，經數據采集卡輸入到計算機內。3．對采集的干涉信號進行傅立葉變換，求出正弦相位調制深度z，求出t時刻干涉信號的相位α′(t)的正弦函數sin[α(t)]和余弦函數cos[α(t)]。4．先根據sin[α(t)]和cos[α(t)]求出α′(t)，然后采用相鄰兩個采樣點的相位差絕對值小于π的修正方法對α′(t)進行修正，求得修正值α(t)。5．根據上述式(3)α(t)=4πr(t)/λ0和上述步驟求出的修正值α(t)求出被測物體的位移r(t)。其中λ0為被光熱正弦相位調制的中心波長上述步驟如圖1的流程圖所示。上述第四步對α′(t)的修正原理如下為了能夠測量超過[-λ0／4，λ0／4]的位移，其中λ0為被光熱正弦相位調制的中心波長，首先考慮物體在某一時刻t1的位移r(t1)=λ04πa(t1),------(4)]]>其中α(t1)=2nπ+αt1，(5)上式中，n為整數，-π≤αt1≤π。對于α(t1)＞π或α(t1)＜-π，如果能夠確定n的數值，則物體的位移就可以正確地求出。由于α(t)是根據干涉信號付立葉變換后逐點求出的，因此可以逐點考慮。首先考慮大于和小于π(或-π)的兩個點A和B，如圖3，它們的相位分別為αA和αB，假設3．1＜αA＜π，π＜αB＜3．2，則根據反正切函數求出的相位值α＇A=αA，而α＇B=αB-2π。如果相鄰兩點的相位差的絕對值小于π，在[-π，π]的邊界，我們可以將相鄰兩點相位差超過π作為判斷相位超越[-π，π]的依據。對于相鄰的A、B兩點，由于α＇B-αA＜-π，因此α＇B對應的實際的相位值αB超出了[-π，π]這個范圍，對它進行修正后，得到αB=α＇B+2π。同理，對于C，D兩點，αC=α＇C+2π，αD=α＇D+2π。對于F點和G點，α＇G-αF＜-3π，相應的修正式為αG=α＇G+4π。更一般地說，對于相鄰的兩點αt1和αt2若有α＇t2-αt1＜-nπ(n為奇數)，則αt2=αt1+(n+1)π。相反地，若有α＇t2-αt1＞nπ，則αt2=αt1-(n+1)π。根據以上推導，只要正弦相位調制頻率ωc和數據采集的采樣頻率滿足相鄰兩個采樣點的相位差絕對值小于π，式(5)中的n就可以正確地求出，物體位移就可以根據式(3)求出。本發明的物體位移的納米精度的測量方法，其測量范圍僅受到數據采集速率和計算機可以處理數據量的限制。若物體的位移時間曲線的最大斜率為a，則數據采集速率為f需滿足f≥4α／λ0。(6)物體的最大位移rmzx=ftλ0／4，(7)其中數據采集速率f與時間t的乘積為數據量，設為500k，光源波長λ0為785nm，則可測的最大位移為9．8cm。所說的獲取光熱正弦相位調制激光束波長λ0的干涉信號所用的裝置，也就是本發明的測量方法中所用的裝置含有兩個光源，一個是僅帶有直流驅動器9的原光源8，另一個是除帶有直流電源1外，還帶有正弦信號發生器2和驅動器3的調制光源4。調制光源4的光強是由正弦信號發生器2與驅動器3控制正弦變化的。調制光源4輸出光強正弦變化的激光束經過第一透鏡5，偏振分束器6和第二透鏡7加在原光源8上，利用光熱效應對原光源8的輸出波長進行正弦相位調制的。原光源8輸出的波長經過光熱正弦相位調制的激光束通過偏振分束器6后，進入由分束器10、參考反射鏡11、和被測物體12所構成的邁克爾遜干涉儀至光電探測器13。光電探測器13接收到的干涉光信號轉換成電信號后輸出，再經過數據采集卡14輸入到計算機15內。如圖2所示。本發明的優點是克服了在先技術中位移的測量范圍不大于半個波長的缺陷，將位移的測量范圍擴大到厘米量級，也就是在分米內，同時，測量精度保持納米量級。本發明的物體位移的納米精度的測量方法，可以測量物體隨時間緩慢或迅速變化的位移。圖1是本發明的物體位移的納米精度的測量方法的流程圖。圖2是本發明的物體位移的納米精度的測量方法的所用的測量裝置示意圖。圖3是本發明的物體位移的納米精度的測量方法的位移擴大原理的示意圖。實施例本測量方法采用裝置如圖2所示，用作原光源8的半導體激光器的波長λ0為785nm，原光源8(半導體激光器)的波長是通過正弦信號發生器2與驅動器3控制調制光源4輸出光強正弦變化加于原光源8上，利用光熱效應進行正弦相位調制的。波長λ0經過光熱正弦相位調制的原光源8的輸出光束經過偏振分束器6后，進入由分束器10、參考反射鏡11、和被測物體12所構成的邁克爾遜干涉儀至光電探測器13。光電探測器13接收到由被測物體12反射的探測光束和由參考反射鏡11反射的參考光束經分束器6產生的干涉光信號轉換成電信號，經過數據采集卡14后輸入到計算機15內進行數據處理。測量步驟如圖1的流程圖所示。先對采集到的數據進行傅立葉變換，求出正弦相位調制深度z=2．35rad。再求出sin[α(t)]為…0．4434，0．0894，—0．0275，—0．6029，…，對應的cos[α(t)]為…，0．8244，0．9187，0．8761，0．7067，…，求出對應的α′(t)為…，2．6574，3．0467，—2．8412，—2．4463，…，將α′(t)修正為α(t)，等于…，2．6574，3．0467，3．4419，3．8369，…，根據上述公式(3)r(t)=α(t)λ0／4π求出物體位移r(t)為…，166．0043nm，190．3194nm，215．0111nm，239．6810nm，…，r(t)的最大值為1dm，位移測量的均方根誤差為0．98nm。如僅采用在先技術中的測量方法，雖同為納米精度，但僅能測量最大值不超過392．5nm的位移。本發明的測量方法在保持納米精度的前提下，大大擴大了位移r(t)的測量范圍。本實施例的測量結果與在先技術的測量范圍的比較如表1所示。本發明的可測位移的最大值是在先技術可測位移最大值的255100倍。表1、本發明實施例可測的最大位移與在先技術可測位移的最大值的比較。<tablesid="table1"num="001"><table>光源波長λ0正弦相位調制的調制深度Z在先技術可以測量的位移r(t)最大值本發明測得位移的r(t)最大值本發明位移測量的均方根誤差785nm～2．35rad392．5nm1dm0．98nm</table></tables>權利要求1．一種物體位移的納米精度的測量方法，是采用光熱正弦相位調制激光束波長的干涉測量方法，具體步驟是<1>取波長λ0被光熱正弦相位調制的激光束；<2>將上述激光束導入邁克爾遜干涉儀，經過被測物體反射的探測光束與參考光束產生干涉信號，用光電探測器將干涉光信號轉換成電信號，經數據采集卡輸入到計算機內；<3>對采集的干涉信號進行傅立葉變換，求出正弦相位調制深度Z，求出被測物體在t時刻干涉信號的相位α′(t)的正弦函數sin[a(t)]和余弦函數cos[a(t)]，；其特征在于<4>根據上述步驟的sin[a(t)]和cos[a(t)求出α′(t)后，采用相鄰兩個采樣點的相位差絕對值小于π的修正方法對α′(t)進行修正，獲取修正值α(t)；<5>根據上述求得的修正值α(t)和公式α(t)=4πr(t)/λ0求出被測物體的位移r(t)，其中λ0為被光熱正弦相位調制的中心波長。2．根據權利要求1所述的物體位移的納米精度的測量方法，其特征在于所說的獲取光熱正弦相位調制激光束波長λ0的干涉信號所用的裝置主要有兩個光源，一個是原光源(8)，另一個是由正弦信號發生器(2)與驅動器(3)控制的光強是正弦變化的調制光源(4)，調制光源(4)利用光熱效應對原光源(8)輸出的波長進行正弦調制，原光源(8)輸出正弦相位調制波長的激光束通過偏振分束器(6)后，進入由分束器(10)，參考反射鏡(11)和被測物體(12)構成的邁克爾遜干涉儀至光電探測器(13)，光電探測器(13)的輸出經數據采集卡(14)輸入到計算機(15)內。全文摘要一種物體位移的納米精度的測量方法,是采用光熱正弦相位調制激光束波長的干涉測量方法。波長被光熱正弦相位調制的激光束經過邁克爾遜干涉儀產生的干涉信號輸入計算機內進行傅立葉變換,求出正弦相位調制深度以及被測物體在t時刻干涉信號的相位α(t),采用相鄰兩個采樣點的相位差絕對值小于π的修正方法獲取相位的修正值α(t),以相位的修正值α(t)求出被測物體的位移。位移的測量范圍擴大到厘米量級。文檔編號G01B9/02GK1280293SQ0011955公開日2001年1月17日申請日期2000年8月3日優先權日2000年8月3日發明者王向朝,王學鋒,錢鋒申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所
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