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CN102322801A - 高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置及其解调方法 - Google Patents

高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置及其解调方法 Download PDF

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CN102322801A
CN102322801A CN201110226963A CN201110226963A CN102322801A CN 102322801 A CN102322801 A CN 102322801A CN 201110226963 A CN201110226963 A CN 201110226963A CN 201110226963 A CN201110226963 A CN 201110226963A CN 102322801 A CN102322801 A CN 102322801A
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刘琨
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Abstract

本发明提出一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调方法和两种解调装置。位移传感方法是利用参考面反射光与待测物反射光形成一定光程差，当待测物存在位移时，光程差改变。解调方法是将反射光信号传到白光偏振干涉系统，白光偏振干涉系统中双折射光楔可实现光程差空间分布，以匹配出反射信号光程差。扫描方式是将反射光信号准直后，入射到由转镜和f-θ透镜组成的时间扫描装置，实现细光束沿双折射光楔长度方向扫描。两种解调装置接收干涉条纹方法不同，一种用线阵相机，另一种用微孔阵列和单个PIN光电探测器。由于扫描光束能量集中，所以低相干干涉信号信噪比非常高，同时利用线阵相机和微孔阵列的保持光斑接收空间位置不变特性，获取高精度位置解调。

Description

高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置及其解调方法
【技术领域】：
本发明涉及位移信息解调领域，该位移传感解调方法可以用于位移高精度检测，或者其他可转化为位移的应变、温度、厚度、群折射率和压力等传感器的解调。
【背景技术】：
低相干干涉技术用作位移解调方式主要有时间扫描式和空间扫描式。时间扫描式如Miho Song等(Minho Song，Byoungho Lee，An effective optical evaluation technique using visible low-coherenceinterferometry，Optics and Lasers in Engineering，1997，27：441-449)通过对Michelson干涉仪的其中一臂进行光程差扫描，从而匹配出待测位移。空间扫描式是将光程差在空间作一线性分布，从而利用线阵CCD接收实现光程差的空间扫描。如Chen等(Chen，S.，et al.，Study of electronically-scannedoptical-fibre white-light Fizeau interferometer.Electronics letters，1991.27(12)：1032-1034.)在1991年提出Fizeau干涉仪结构，利用Fizeau干涉仪构成的光楔实现光程差空间分布，Marshall等(Marshall，R.，etal.，A novel electronically scanned white-light interferometer using a Mach-Zehnder approach.LightwaveTechnology，Journal of，1996.14(3)：397-402)在1996年提出采用Mach-Zehnder干涉仪结构实现光程差的空间分布。
时间扫描式可以测量很大的范围，但其长期可靠性和稳定性较差，测量精度只在微米量级。空间扫描式采用线阵CCD器件进行电扫描，其长期可靠性高，但由于光扩束覆盖到整个CCD感光面，光能量比较分散，信噪比差。
【发明内容】：
本发明目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置及其解调方法。该解调方法综合了以往时间扫描式和空间扫描式的优点，并提出了两种相应的解调装置。该装置利用准直后能量高度集中的细光束沿窄带条形双折射光楔进行光程差扫描，能够得到高信噪比的干涉条纹和高的测量精度。
本发明提供的高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置的第一种装置包括12个部分：
1)光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源和卤素灯；
2)光环行器：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大时，可采用光纤耦合器替代；
3)自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过所镀反射膜实现光的部分反射；
4)固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；所述的固定反射镜是具有反射作用的器件，可以是平面镜或者角锥棱镜；
5)准直装置：将光环行器收集的反射信号光准直成细光束，并将该细光束入射到转镜上；
6)转镜：将准直装置形成的细光束反射到后续偏振干涉系统中，并且通过转镜的转动，实现细光束沿光楔厚度变化方向的扫描，扫描范围覆盖整个线阵CCD像敏元；
7)f-θ透镜：实现细光束平行沿窄带条形双折射光楔长度方向的扫描，转镜的光反射点必须与f-θ透镜的焦点重合；
8)起偏器：用来对f-θ透镜的输入信号光进行起偏，偏振方向与窄带条形双折射光楔光轴成45度角；
9)双折射光楔：用来对两束正交的线偏振光产生具有沿光楔厚度变化方向呈空间线性分布的光程差；
10)检偏器：用来对经过双折射光楔相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉，偏振方向与起偏器相同或垂直；
11)线阵相机：采用线阵CCD或者线阵CMOS对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；
12)处理单元：包括通用计算机和嵌入式计算系统，用于对线阵相机接收的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。
本发明提供的高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置的第二种装置包括14个部分：
1)光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源和卤素灯；
2)光环行器：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大时，可采用光纤耦合器替代；
3)自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过所镀反射膜实现光的部分反射；
4)固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；所述的固定反射镜是具有反射作用的器件，可以是平面镜或者角锥棱镜；
5)准直装置：将光环行器收集的反射信号光准直成细光束，并将该细光束入射到转镜上；
6)转镜：将准直装置形成的细光束反射到后续偏振干涉系统中，并且通过转镜的转动，实现细光束沿光楔厚度变化方向的扫描，扫描范围覆盖整个线阵CCD像敏元；
7)f-θ透镜：实现细光束平行沿窄带条形双折射光楔长度方向的扫描，转镜的光反射点必须与f-θ透镜的焦点重合；
8)起偏器：用来对f-θ透镜的输入信号光进行起偏，偏振方向与窄带条形双折射光楔光轴成45度角；
9)双折射光楔：用来对两束正交的线偏振光产生具有沿光楔厚度变化方向呈空间线性分布的光程差；
10)检偏器：用来对经过双折射光楔相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉，偏振方向与起偏器相同或垂直；
11)线阵微孔阵列：用来限定光束扫描时的光束采样位置。
12)聚焦透镜：将透过线阵微孔阵列的光会聚到焦点。
13)PIN探测器：接收聚焦透镜会聚的光信号，并将光信号转化为电信号。
14)处理单元：包括通用计算机和嵌入式计算系统，用于对PIN探测器接收的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。
上面所述系统的光学器件可以全部采用空间光学对应的器件来代替。
本发明同时提供了一种基于上述装置的高信噪比摆动式低相干干涉位移解调方法，该方法的具体过程如下：
第1、宽带光源发出的光通过光环行器到达传感一侧的自聚焦准直透镜，一部分光被自聚焦准直透镜端面的反射面反射，另一部分光透过自聚焦准直透镜入射到固定在待检测物体上的固定反射镜上，被反射后这部分反射光再次耦合进入到光纤中；两部分反射光具有与待检测物体位移相关的一个光程差ds，ds为两倍于自聚焦准直透镜和固定在待检测物体上的固定反射镜之间的距离；
第2、反射的两束光通过环行器入射到准直装置，形成能量集中的细光束出射。该细光束入射到由转镜和f-θ透镜组成的扫描装置上，转镜的光反射点与f-θ透镜的焦点始终保持重合。当转镜以ω的角速度在±θ范围内摆动时，反射细光束将在±2θ的范围内扫描，透过f-θ透镜后，细光束变为扫描速度为v的平行扫描。扫描宽度为L＝2f·tan(2θ)，可以通过选择f-θ透镜的焦距f和转镜的摆动角度θ来控制扫描宽度。
第3、信号光由扫描装置入射到起偏器，形成线偏振光，然后入射到窄带条形双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与双折射光楔的光轴方向成45度放置，线偏光入射到双折射光楔后被均分为偏振方向沿双折射光楔光轴和垂直于双折射光楔光轴的两个偏振分量，两个分量在双折射光楔中产生光程差dr＝(ne-no)d，其中ne为双折射晶体的非常光折射率，no为双折射晶体的寻常光折射率，光楔厚度d在空间呈线性分布，即d(x)＝x tanα，x为入射光点离窄带条形双折射光楔顶点的横向距离，α为楔角。
第4、准直后的细光束沿窄带条形双折射光楔的长度方向扫描，配合双折射光楔实现光程差的依次扫描，从而匹配出待检测的位移信息。从双折射光楔出射的光再通过偏振方向与光楔光轴呈45度放置的检偏器后产生低相干干涉条纹。由于准直后的细光束能量集中，受外界噪声的影响有限，所以能够得到高信噪比的干涉条纹。
第5、第一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置采用线阵相机(如线阵CCD)接收干涉条纹，设计的扫描范围能够覆盖整个线阵相机的像敏元。并通过计算机或嵌入式系统进行数字处理。在对干涉条纹进行处理后通过干涉条纹峰值出现在线阵相机的像元位置来判断匹配情况，并获取位移信息。该装置主要应用于宽带光源为可见光或近红外波段的场合。
第6、第二种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置采用PIN光电探测器接收干涉信号。检偏器出射的光束透过一个线阵微孔阵列后通过聚焦透镜，聚焦透镜能够将所有的扫描细光束会聚于其焦点处。同时将PIN光电探测器放置在聚焦透处，所以PIN光电探测器能够接收所有的扫描信号光束。并通过计算机或嵌入式系统进行数字处理。在对干涉条纹进行处理后通过干涉条纹峰值出现的对应的微孔位置来判断匹配情况，并获取位移信息。该装置主要应用于光源光谱为线阵相机无法探测的近红外波段的场合。
本发明的优点和积极效果：
1、本发明采用细光束空间扫描的方式进行低相干干涉位移解调。将细光束沿窄带条形双折射光楔长度方向进行光程差扫描，利用微孔或线阵相机的保持光斑接收空间位置不变特性，使得系统能够获得高的光程差分辨率。同时由于细光束能量集中，外界噪声对其影响相对小，所以能够获得高信噪比信号。
2、本发明中对干涉信号的接收方面提出了两种装置。第一种装置是利用线阵相机，例如线阵CCD和线阵CMOS，接收干涉信号。这种接收方法适合于宽带光源的光谱处于线阵相机能够感应的光谱范围以内，比如可见光波段或者小于1100nm的光波段。第二种装置是利用PIN光电探测器接收干涉信号，该装置的优点在于能够适用于近红外宽带光源的场合。
【附图说明】：
图1是本发明中第一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置示意图；
图2是本发明中第二种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置示意图；
图3是细光束沿条形双折射光楔长度方向扫描装置示意图。
图4是PIN光电探测器接收干涉条纹示意图。
图中，1宽带光源，2光环行器，3自聚焦准直透镜，4固定反射镜，5准直装置，6转镜，7f-θ透镜，8起偏器，9窄带条形双折射光楔，10检偏器，11线阵相机，12计算机，13线阵微孔阵列，14聚焦透镜，15 PIN光电探测器。
【具体实施方式】：
实施例1：第一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置
如图1所示，宽带光源1发出的光经过光环行器2到达传感一侧的自聚焦准直透镜3，一部分光被自聚焦准直透镜3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦准直透镜3准直出射到固定在待检测物体上的固定反射镜4上，被反射后这两部分光再次耦合进入到光纤中形成一束光。反射的部分光通过光环行器2入射到准直装置5后输出一束细光束，细光束再入射到转镜6，经反射后入射到f-θ透镜7，转镜6的光反射点与f-θ透镜7的焦点重合，当转镜6摆动时，能够实现f-θ透镜7输出光沿着窄带条形双折射光楔9长度方向扫描。f-θ透镜7的出射光入射到起偏器8形成与光楔光轴成45度角的线偏光，线偏光通过窄带条形双折射光楔9后，再入射到检偏器10进行投影干涉，采用线阵相机11接收检偏器10输出的干涉信号，并输入到计算机12中。
实施例2：第二种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置
如图2所示，宽带光源1发出的光经过光环行器2到达传感一侧的自聚焦准直透镜3，一部分光被自聚焦准直透镜3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦准直透镜3准直出射到固定在待检测物体上的固定反射镜4上，被反射后这两部分光再次耦合进入到光纤中形成一束光。反射的两部分光通过光环行器2入射到准直装置5后输出一束细光束，细光束再入射到转镜6，经反射后入射到f-θ透镜7，转镜6的光反射点与f-θ透镜7的焦点重合，当转镜6摆动时，能够实现f-θ透镜7输出光沿着窄带条形双折射光楔9长度方向扫描。f-θ透镜7的出射光入射到起偏器8形成与光楔光轴成45度角的线偏光，线偏光通过窄带条形双折射光楔9后，再入射到检偏器10进行投影干涉，投影后从检偏器10输出干涉信号光，干涉信号光透过一个线阵微孔阵列13入射到聚焦透镜14，经聚焦透镜14聚焦于焦点处，再由位于聚焦透镜14焦点处的PIN光电探测器15接收，再输入到计算机12中。
对于实施例1和2中的两种装置，当光源功率较大时，也可以采用光纤耦合器替代光环行器。
实施例3：高信噪比摆动式低相干干涉位移解调方法
上述实施例1中的低相干干涉位移解调装置的解调过程如下：
图1中的宽带光源1的光经过光环行器2到达传感一侧的自聚焦准直透镜3，一部分光被自聚焦准直透镜3的端面反射面反射，另外一部分光被自聚焦准直透镜3准直出射到待检测物体的固定反射镜4上，被反射后这部分光再次耦合进入到光纤中，两部分光具有与待检测物体位移相关的一个光程差ds，ds为两倍于自聚焦准直透镜3和待检测物体的固定反射镜4之间的距离。
如图3所示，反射的两束光通过环行器2入射到准直装置5，形成能量集中的细光束出射。该细光束入射到由转镜6和f-θ透镜7组成的扫描装置上，转镜6的光反射点与f-θ透镜7的焦点始终保持重合(即焦点与转动轴重合)。当转镜6以ω的角速度在±θ范围内摆动时，反射细光束将在±2θ的范围内扫描。透过f-θ透镜7后，细光束变以扫描速度v的进行平行扫描。扫描长度为L＝2f·tan(2θ)，其中，f为f-θ透镜7的焦距，θ为转镜6的最大摆动角度。可以通过选择合适的f和θ来控制扫描宽度，使扫描宽度覆盖整个线阵相机的像敏元或者线阵微孔阵列的所有孔。
f-θ透镜7输出的光经起偏器8起偏成线偏振光，起偏器的偏振轴方向与窄带条形双折射光楔的光轴方向成45度放置，因此起偏后的偏振光可以均分为偏振方向沿双折射晶体光轴和垂直于双折射晶体光轴的两个偏振分量，两个分量在双折射晶体光程差为dr＝(ne-no)d，ne为双折射晶体的非常光折射率，no为双折射晶体的寻常光折射率，d为双折射晶体沿光传输方向的几何距离。制作的窄带条形双折射光楔9使d在空间呈线性分布，即d(x)＝x tanθ，x为光点离光楔顶点的横向距离，θ为楔角，光楔的结构示意图如图3所示。
光程差扫描的过程是当转镜摆动时，细光束从窄带条形双折射光楔的一端沿着光楔的长度方向，即光程差线性变化的方向，逐渐扫描到另一端，从而实现了光程差的扫描。而细光束中存在有与待测量相关的光程差信息，所以光程差扫描也就是一个信号匹配检测的过程。同时由于细光束能量集中，外界噪声影响有限，所以再经过检偏器10投影后，能够得到高信噪比的低相干干涉信号。
本发明所设计的两种装置对低相干干涉信号的采集方法不同。
上述实施例1中的第一种装置是利用线阵相机11(如线阵CCD)对信号进行采集，通过设置线阵相机11的采样频率，使得采集一帧的时间与光从光楔一端扫描到另一端的时间相等，即实现扫描后信号向线阵相机11的逐点写入。所以在线阵相机11的一帧图像中能够显示出整个一次扫描的干涉信号。最后，将线阵相机11采集的信号输入到计算机12中进行数字处理，提取峰值，计算位移距离。
对上述实施例2中的第二种装置利用PIN光电探测器15接收干涉信号，干涉信号首先透射一个线阵微孔阵列13入射到聚焦透镜14上，然后聚焦到位于聚焦透镜14焦点处的PIN光电探测器15上。PIN光电探测器15采集的数据传输到计算机12进行分析处理。当完成一次扫描时，PIN光电探测器15接收一组完整的干涉信号。而通过控制扫描起止时刻，则能够建立起采集信号点与微孔阵列一一对应的关系，通过查询干涉信号出现的时刻能够反映出干涉信号对应的微孔阵列位置，从而解调出位移信息。
实施例4：应用举例
如果将自聚焦准直透镜3和固定反射镜4作为光纤法珀的两个反射面，则本解调装置和解调方法可以用于光纤法珀的绝对腔长解调。以光纤法珀压力传感器为例，将固定反射镜4固定在压力膜片上，当法珀腔腔长足够小时，自聚焦准直透镜3可以省掉，直接采用光纤替代即可，即固定反射镜4和光纤端面构成法珀腔。当外界压力作用在膜片时，膜片发生变形，带动反射镜4轴向移动，解调装置通过光程差扫描可匹配出当前法珀腔长，从而感知出膜片变形量，进而可根据公式或标定系数计算出待测压力。

Claims (5)

1.一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置，其特征在于该装置包括：
光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源和卤素灯；
光环行器：用来将光源发出的光发送到待检测物体并收集反射信号光；
自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过端面所镀反射膜实现光的部分反射；
固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；
准直装置：将光环行器收集的反射信号光准直成细光束，并将该细光束入射到转镜上；
转镜：将准直装置形成的细光束反射到后续偏振干涉系统中，并且通过转镜的转动，实现细光束沿光楔厚度变化方向的扫描，扫描范围覆盖整个线阵CCD像敏元；
f-θ透镜：实现细光束平行沿窄带条形双折射光楔长度方向的扫描，转镜的光反射点必须与f-θ透镜的焦点重合；
起偏器：用来对f-θ透镜的输出信号光进行起偏，偏振方向与窄带条形双折射光楔光轴成45度角；
窄带条形双折射光楔：用来将起偏器产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，并且这两束正交的线偏振光具有沿光楔厚度变化方向呈线性分布的空间光程差；
检偏器：用来对经过双折射光楔相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉，偏振方向与起偏器相同或垂直；
线阵相机：采用线阵CCD或者线阵CMOS对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；
处理单元：采用通用计算机或嵌入式计算系统，用于对线阵相机接收的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。
2.根据权利要求1所述的高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置，其特征在于，当光源功率较大时，采用光纤耦合器替代光环行器。
3.一种高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置，其特征在于该装置包括：
光源：采用具有宽光谱的宽带光源，包括LED光源、SLD光源和卤素灯；
光环行器：用来将光源发出的光发送到待检测物体并收集反射信号光；
自聚焦准直透镜：用来将光环行器发送的光束进行准直输出，并通过所镀反射膜实现光的部分反射；
固定反射镜：固定在待检测物体上，用来反射自聚焦准直透镜输出的光信号；
准直装置：将光环行器收集的反射信号光准直成细光束，并将该细光束入射到转镜上；
转镜：将准直装置形成的细光束反射到后续偏振干涉系统中，并且通过转镜的转动，实现细光束沿光楔厚度变化方向的扫描，扫描范围覆盖整个线阵CCD像敏元；
f-θ透镜：实现细光束平行沿窄带条形双折射光楔长度方向的扫描，转镜的光反射点必须与f-θ透镜的焦点重合；
起偏器：用来对f-θ透镜的输入信号光进行起偏，偏振方向与窄带条形双折射光楔光轴成45度角；
窄带条形双折射光楔：用来将起偏器产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，并且这两束正交的线偏振光具有沿光楔厚度变化方向呈线性分布的空间光程差；
检偏器：用来对经过双折射光楔相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉，偏振方向与起偏器相同或垂直；
线阵微孔阵列：用来限定光束扫描时的光束采样位置；
聚焦透镜：将透过线阵微孔阵列的光会聚到焦点；
PIN探测器：接收聚焦透镜会聚的光信号，并将光信号转化为电信号；
处理单元：采用通用计算机或嵌入式计算系统，用于对PIN探测器接收的干涉条纹进行处理，最终获取位移信息。
4.根据权利要求2所述的高信噪比摆动式低相干干涉位移解调装置，其特征在于，当光源功率较大时，采用光纤耦合器替代光环行器。
5.一种依据权利要求1或3所述装置的高精度大量程低相干干涉位移解调方法，其特征在于该方法的具体过程如下：
第1、宽带光源发出的光通过光环行器到达传感一侧的自聚焦准直透镜，一部分光被自聚焦准直透镜端面的反射面反射，另一部分光透过自聚焦准直透镜入射到固定在待检测物体上的固定反射镜上；
第2、由于自聚焦准直透镜和固定在待检测物体上的固定反射镜之间的位移使得两部分反射光存在一个光程差，上述的两部分反射光再次耦合到光纤中并通过环行器到达准直装置，形成细光束输出；
第3、准直装置输出的细光束入射到由转镜和f-θ透镜组成的扫描装置，转镜的光反射点与f-θ透镜的焦点始终保持重合；当转镜以ω的角速度在±θ范围内摆动时，反射细光束将在±2θ的范围内扫描，透过f-θ透镜后，细光束变为以扫描速度v沿窄带条形双折射光楔长度方向上的平行扫描；扫描宽度为L＝2f·tan(2θ)，可以通过选择f-θ透镜的焦距f和转镜的摆动角度θ来控制扫描宽度；由于细光束的能量非常集中，所以在扫描后能够接收到高信噪比的干涉条纹信号；
第4、f-θ透镜出射的光经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到窄带条形双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与双折射光楔的光轴方向成45度放置，起偏后的线偏振光入射到窄带条形双折射光楔后，均分为偏振方向沿双折射光楔光轴和垂直于双折射光楔光轴的两个偏振分量，即寻常光与非常光；这两个分量在窄带条形双折射光楔中产生光程差dr＝(ne-no)d，ne为双折射晶体的非常光折射率，no为双折射晶体的寻常光折射率，光楔厚度d在空间呈线性分布，即d(x)＝x tanα，x为入射光点离双折射光楔顶点的横向距离，α为楔角，配合细光束在空间的依次扫描，实现光程差的空间扫描，从而匹配出待检测的位移信息；
第5、最后经过与窄带条形双折射光楔的光轴方向成45度放置的检偏器后产生干涉条纹；对权利要求1所述第一种装置采用线阵相机接收干涉条纹，再将线阵相机信号传输到处理单元，这种装置主要针对可见光波段的宽带光源产生的干涉条纹；对权利要求3所述第二种装置首先让光透过一个线阵微孔阵列，将从微孔中透过的光会聚到PIN光电探测器上，最后将PIN光电探测器信号传输到处理单元，这种装置能够接收近红外宽带光源产生的干涉条纹。
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License type: Common License

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