[发明专利]基于双折射色散的皮米量级位移测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学非接触式微位移测量装置，特别是涉及一种基于双折射色散的皮米量级测量装置及测量方法。

背景技术

微位移测量方法分为机械接触式和光学非接触式。机械接触式测量方法测量范围大，纵向分辨率最高为0.1nm，但由于触针要在一定的压力下与被测物表面接触，当测量铝、铜等软金属物或涂有光刻胶等镀膜表面时，往往会再被测表面上形成划痕，产生较大的测量误差，并影响被测物表面质量。

光学非接触式测量方法以光学成像的方式测量物体位移量，实现非接触及全场各点的同时测量，系统结构简单、成本较低。光学非接触式测量方法包括结构三角形测量法、条纹投影法、全息测量术、光学探针及相位测量法，纵向分辨率最高为0.1nm，只能达到亚纳米量级。

上述传统微位移测量方法纵向分辨率普遍处于亚纳米量级，难以满足测量精度要求在皮米量级的领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于双折射色散的皮米量级位移测量装置及测量方法，用于表面形貌测量和可转化为位移的压力、应变、温度量的皮米量级的位移测量。

本发明提出的一种基于双折射色散的皮米量级位移测量装置，从输入到输出端依序设置ASE光源1、光纤迈克尔逊干涉仪2、第一自聚焦准直透镜31、起偏器4、双折射晶体块5、检偏器6、第二自聚焦准直透镜32、光谱仪7以及信号处理单元8，其中：

ASE光源1，用于提供传感检测宽带光源；

光纤迈克尔逊干涉仪2，包括光纤耦合器9、参考臂10和传感臂11，光纤耦合器9用于将ASE光源1发出的光引入到参考臂10和传感臂11，并将参考臂10和传感臂11返回的光引出，用于感受被测物位移引起的距离变化；

第一自聚焦准直透镜31，与第二自聚焦准直透镜32成对使用，其中第一自聚焦准直透镜31用于将耦合器9发送的光束进行准直输出，输出的准直光束经过双折射晶体块5后，通过第二自聚焦准直透镜32耦合进光纤；

起偏器4，用于对第一自聚焦准直透镜31输出的信号光进行起偏；

双折射晶体块5，用于将起偏器4产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，并且由于双折射晶体的色散效应，不同波数对应不同的光程差；

检偏器6，用于对经过双折射晶体块的两个线偏振光进行投影产生干涉；

光谱仪7，用于检测被测光的光谱信号；

信号处理单元8，基于嵌入式系统或计算机，用于从光谱信号中提取出距离信息，并对应成被测物13位移信息；

所述信号处理单元8包括以下处理：

步骤一、将检测到的光谱信号的单位从波长转换到波数；

步骤二、对单位转换后的光谱信号进行离散Fourier变换；

步骤三、对离散Fourier变换后的低频对应的幅值和相位设置为0，其余频率对应的幅值和相位不变；

步骤四、进行离散Fourier反变换，反变换后得到的复数的实部即为Fourier高通滤波后的滤波信号，滤波后的信号将光源光谱形状从被测光光谱信号中滤除；

步骤五、对滤波信号进行循环卷积，得到循环卷积结果中最大值对应的波数值；

步骤六、根据被测物13到基准面12的距离与循环卷积最大值所对应波数之间的关系，得到被测物13到基准面12的距离，从而得到被测物位移信息；

步骤七、在垂直于光纤迈克尔逊干涉仪测量臂11的平面内，移动被测物，重复步骤一至步骤六，可测得被测物不同位置的位移信息。

步骤六所述的被测物13到基准面12的距离与循环卷积最大值所对应波数之间的关系的获取过程包括以下处理：