[发明专利]自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测量长度的方法及测长仪

说明书

本发明涉及长度测量方法及仪器。

激光干涉测长仪器由于它的测量精度高、速度快、测量范围大，适用性广而得到迅速的发展和应用。以激光干涉技术做为长度测量的方法目前主要有两类，一类是用单频稳频激光器的单频激光干频系统，一类是用双频激光器的双频激光干涉系统。

单频激光干涉仪的工作原理如下：其常用的迈克尔逊干涉光路见图1。从激光器（1）发出频率为f₀的光束经析光镜（2）分成两路。一路射向参考镜（3），一路射向测量镜（4），两路光束经反射后在D处会合，形成固定不动的干涉条纹。测量镜（4）安置在运动物体上，当运动物体以一定速度v移动时，由于多普勒效应，从测量镜（4）反射回来的光其频率有一增值±Δf。频率为fo及fo±Δf的两束光在D处会合时，会产生“拍”的现象，Δf为拍频，要使干涉条纹移动，光电管（5）接收到干涉条纹的移动信号，通过计算移动条纹的数量即可换算获得运动物体移动距离（长度）。v＝0时干涉场光强分布不变，光电管接到直流信号。按这一原理制成的测长仪，由于光电管输出的幅值是主要信息量，所以受直流放大漂移，及光强衰减等因素的影响，使干涉系统的抗干扰能力较差。

双频激光干涉仪的工作原理如下：

图2为双频激光干涉仪原理图。激光器（6）上加上由永久磁铁（7）产生的磁场，由于塞曼效应和牵引效应，发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，其频率为f₁和f₂。这束光通过1/4波片（8）后成为两个互相垂直的线偏振光再经过平行光管（9）扩束和准直。

从平行光管出来的这束光经过析光镜（10）反射出一小部分作为参考光束通过45°置的检偏器（11），由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光，产生拍频。这个拍的频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f₁-f₂）。经光电元件（12）接收进入前置放大器（13）和计算机（21）。

其余的透过部分沿原方向射向偏振分光棱镜（15）。互相垂直的线偏振光f₁和f₂被分开。f₂射向立体棱镜（14）后返回，f₁频率的光透过偏振棱镜（15）到测量立体棱镜（16），这时如果测量立体棱镜（16）以速度v运动，f₁的返回光便有了变化成为（f₁+Δf₂）。这束光返回后重新通过偏振分光镜（15）并与f₂的返回光会合，然后被直角棱镜（17）反射到45°放置的检偏器（18）上产生拍频被光电原件（19）接收，进入前置放大器（20）和计算机（21）。

计算机对两路信号进行比较，计算出它们之间的差值±Δf（即多普勒频差）。进而便求得被测长度值。

在双频激光干涉仪中，“双频”起了调制作用。它在被测物体相对于干涉仪静止时，仍然保留一个交流信号，被测物体的运动只是使这个信号的频率增加或减少，因而前置放大器可采用较高倍数的交流放大器;避免了直流放大器的零点漂移问题。这就是双频激光干涉仪抗干扰能力较强的原因。

从上面的叙述可以看出单频激光干涉仪虽然设备较简单，但由于受直流放大漂移，光强衰减等因素的影响，其抗干扰能力差。双频激光干涉仪是利用频差来测得移动物体的移动距离，其抗干扰能力强，但其设备较复杂，价格较昂贵。

本发明的目的是研制一种抗干扰性强、精度高、测量范围较大、成本低的激光干涉仪。

本发明的构成是用自扫描光电二极管列阵（SSPDA）对迈克尔逊干涉系统的干涉条纹进行扫描，使固定不动的干涉条纹信号转变成一定频率的视频信号。当干涉条纹移动时，SSPDA输出的视频信号频率即发生变化，从而产生频差，再利用频差的数值，来求得移动物体的移动距离（长度）。

说明附图如下：

图1为迈克尔逊干涉光路图

图2为双频激光干涉仪原理图

图3为本发明单频激光干涉测长仪光路原理图

图4为自扫描光电二极管列阵外形图

图5为自扫描光电二极管列阵扫描电路框图

图6为自扫描光电二极管列阵对固定不动的干涉条纹扫描时输出的波形图

图7为自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测长仪结构示意图（俯视）

图8为自扫描光电二极管列阵单频激光干涉测长仪结构示意图（正视）

图9为信号处理电路框图

结合附图说明工作原理如下：