[发明专利]物体位移的纳米精度的测量方法

说明书

本发明涉及到物体位移的纳米精度的测量方法，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，王向朝等发明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[1]，Wang XF，Wang XZ，Qian F，Chen G，Chen G，Fang Z，“Photothermal modulation oflaser diode wavelength：application to sinusoidal phase-modulating interferometer for displacementmeasurements,”Optics & Laser Technology，Vol．31，No．8，pp．559-564，2000)。

在在先技术[1]中，先用光电探测器得到干涉信号：

S(t)=S₀cos[zcos(ω_ct)+α₀+α(t)]，    (1)式中

z=2πβα[ι+2r(t)]／λ₀²，    (2)

α(t)=4πr(t)／λ₀，    (3)S₀为干涉信号交流成分的振动振幅，ω_c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[1]的缺点：由于α(t)的值域为[-π，π]，因此对于任意大小的位移，根据式(3)，它的求出值均在范围[-λ₀／4，λ₀／4]内，这就不能正确测量超过[-λ₀／4，λ₀／4]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[2]，李柱等发明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。

本发明的目的就是为了克服上述在先技术中的不足，提供一种物体位移的纳米精度的测量方法，位移的测量范围在分米内。

本发明的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，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[α(t)]和余弦函数cos[α(t)]。

4．先根据sin[α(t)]和cos[α(t)]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：