[发明专利]用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法

说明书

本发明公开了一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。含有干涉单元和检测单元，在参考臂上加入光电相位调制器；检测单元包括四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器，用于检测测量和参考光束的干涉条纹并产生四路干涉信号；光电相位调制器施加高频正弦波调制电压，使干涉信号成含有待测相位信息的相位生成载波干涉信号；PGC解调得四组正交信号经计算得四路干涉信号的相位，计算差分相位变化来测量位移、偏摆角和俯仰角并进行补偿。本发明降低了测量方法的非线性误差，消除了由于光学元件性能不理想或安装误差引入的光强干扰影响，提高了相位的测量精度和稳定性，提高了角度的测量精度和测量范围，提高了位移的测量精度。

技术领域

本发明涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备及方法，尤其是涉及一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。

背景技术

激光单频干涉仪具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好以及测量范围大的优点，被广泛应用于超精密测量领域。但在实际的位移测量过程中，不可避免地受到因被测对象的横向偏移与倾斜造成的光束未准直影响。单频干涉仪通常使用正交检测、相位生成载波(PGC)单频相位检测等方法来检测相位，这些相位检测方法虽然都有各自的优点，但都不能补偿因被测对象倾斜测量光束光程变化而产生的位移测量误差。

被测对象的倾斜角度同时测量是补偿这位移测量误差的前提条件。目前除了在位移测量干涉仪的基础上增加角度干涉仪或者准直仪等光学方法改进外，干涉条纹分析和差分感测方法同样可以实现位移和角度的同时测量。干涉条纹分析方法使用CCD图像传感器作为检测器，但其信号处理速度无法满足快速位移测量的需要。与干涉条纹分析方法相比，差分感测方法更适合大范围位移和小角度测量。差分感测方法通常使用四象限探测器作为检测器，根据四象限探测器产生的差分功率感测信号或差分波前感测信号来实现位移与角度的同时测量。差分功率感测方法的角度测量与准直测量方法类似，其测量分辨率与精度受限于四象限探测器的性能。差分波前感测方法通过四象限探测器产生的差分波前感测信号关系测量位移、偏摆角和俯仰角三个自由度。目前差分波前感测方法被应用于外差干涉仪，但其存在毫弧级的非线性影响，同时光束剪切也会影响差分波前感测方法的非线性。

发明内容

本发明公开了一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置及方法。构建含有干涉单元和检测单元的装置结构，干涉单元为单频偏振干涉仪，在其参考臂上加入光电相位调制器用于光束相位调制；检测单元是由四分之一波片、偏振片、扩束器和集成四光电探测器组成，用于检测测量和参考光束的干涉条纹并产生四路干涉信号；对光电相位调制器施加高频正弦波调制电压，干涉信号被调制成含有待测相位信息的相位生成载波(PGC)干涉信号；进行PGC解调得到四组正交信号，再经归一化和反正切计算得到四路干涉信号的相位；通过计算四路干涉信号的差分相位变化来实现位移、偏摆角和俯仰角的同时测量，并根据测得的角度对位移测量结果进行了补偿，提高了位移的测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种用集成四光电探测器的差分单频干涉信号处理装置：

包括单频激光器、干涉单元和检测单元；单频激光器输出线偏振光束进入干涉单元，经干涉单元处理后形成参考光束和测量光束，参考光束和测量光束进入检测单元，获得四路干涉信号。