一种测量宽带光源双光束干涉零光程差位置的方法 技术领域
本发明涉及一种光电传感检测技术的方法。
技术背景
干涉测量方法是光电传感检测技术中采用的重要手段，它通过使用测相技术来实现以位移为基本量的物理量测量。虽然在干涉测量中使用差分方法可以得到几分之一干涉光波长的测量灵敏度，但对于零光程差位置的绝对测量，目前所使用的方法其精度相对比较低。近几年发展起来的采用宽带光源的干涉测量方法，不仅可以实现零光程差位置的绝对测量，而且具有分辨率高、抗干扰能力强、精度高、操作方便等优点，因而越来越受到各国同行的重视。在宽带光源干涉中，组成宽带光源光谱的各个单色光的干涉同激光干涉相同，不同单色光的干涉光强分别叠加后，在有限小区域形成干涉条纹，由干涉条纹的调制度可确定双光束的零光程差位置。如何准确快速地测量干涉条纹的调制度，从而实现定位测量是本专利所要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速准确测量双光束宽带光源干涉零光程差位置地方法。
测量宽带光源双光束干涉零光程差位置的方法，具有LED光源(1)，LD光源(2)，单向偶合器(3)，双向偶合器(4)，光传感器(5)，匹配臂(6)等。由LED光源(1)和LD光源(2)构成宽带光入射到单向偶合器(3)中，双向偶合器(4)将单向偶合器(3)出射的光分别偶合到光传感器(5)和匹配臂(6)，并将光传感器(5)和匹配臂(6)的反射光偶合输出至干涉检测仪，经两个反射面A、B反射后，由干涉光输出处输出，在干涉光输出位置光电转换器(7)进行干涉光强测量。通过以干涉光波长1/4为采样步长，等间隔检测采样点的干涉光强，由计算式B(z)=P2P-2-P1P-1]]>得到干涉调制度分布，干涉调制度的最大位置，即为双光束干涉零光程差位置。
本发明通过以下技术及计算方法实现。双光束干涉时产生的干涉条纹空间分布可表示为：
I(x，y，z)＝I0(x，y，z){1+γ(x，y，z)·cos[Φ(x，y，z)]} (a)
γ(x，y，z)称为干涉条纹的调制度或称为光源相干度，Φ(x，y，z)为双光束相位差分布，I0(x，y，z)为直流光强，(x，y，z)表示是空间坐标的函数。确定上述方程(a)的三个参数至少要作三次测量，并通过求解相应方程组实现。
本发明在费米-狄拉克统计分布的基础上提出一种新的假设，即采用宽带光源的双光束干涉强度分布为：
I(x,y,z)=I(x,y,z){1+γ0exp[-αΔL(x,y,z)Lc]·cos[Φ(ΔL(x,y,z))]}---(b)]]>
设干涉仪已调整成为理想状态，则在被测干涉区域的干涉光强仅与z有关。使用本发明给出的数据采集和处理方法就可实现零光程差位置的测量。数据采集位置如下图所示，其中z方向为干涉光强采集测量位移方向。本发明进行等间隔采样，采样间隔为干涉光波长的1/4。
数据处理的方法为：如果在相临位置由光电转换器(7)采集到干涉光的强度为：I(-2)、I(-1)、I(0)、I(1)、I(2)，可采用下面公式得到中心点的干涉调制度：
B(z)=P2P-2-P1P-1]]>
其中参数为：
A=I(-2)I(2)-I(0)I(0)I(-2)+I(2)-2I(0)]]>
P是采样点干涉光强与干涉光强的平均值A之差。
根据干涉条纹的调制度定义，可得在特定扫描位置的调制度为：
γ(z)=Imax-IminImax+Imin]]>
=B(z)A]]>
由于γ(z)与B(z)的分布成正比，且比例系数不影响相对分布，所以两者具有相同的意义，在此只考虑B(z)的分布。
由于B(z)的分布的极大值位置具有唯一性，所以由B(z)分布的最大值即可确定零光程差的位置。
本发明的有益效果及优点在于：本发明给出了一种零光程差位置的测量方法，该方法不仅可以精确地确定使用相干长度分布与费米-狄拉克统计分布相类似的光源干涉调制度，而且对于使用其他光源的干涉调制度的最大值位置测量也适用。本发明采用一次等间隔顺序采样的测量方法，可快速确定干涉条纹的调制度分布和零光程差位置，而不需要烦琐的位移微调来确定干涉光强分布的局部最大和最小数值及其对应位置。本方法具有的测量速度快、测量精度高等优点，特别适用于自动化测量的数据处理，可广泛地用于以绝对位置为基本量的光学传感测量及相关的应用场合。
附图说明
附图1为干涉型光纤传感系统光路框图。其中：1-LED光源，2-LD光源，3-单向偶合器，4-双向偶合器，5-光传感器，6-匹配臂，7-光电转换器。光传播方向为箭头所示。附图2为麦克尔逊干涉仪光路示意图。
具体实施例
将光学部件按照附图1所示的位置调整好。设某测量采用光源的中心波长为：1.2μm，位移为波长的1/4，则采样的位移为0.3μm。双光束的光强比为：10∶8；干涉光强的测量误差为：0.5％；机械定位误差为：0.05μm，依据上述测量及计算方法得到测量数据见表1。
表1 测量数据测量位置顺序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9干涉光强 180 181 181 181 175 181 217 182 61 181调制度 0.034 0.103 0.142 0.218 0.398 0.510 0.260 0.657测量位置顺序 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19干涉光强 360 181 60 180 217 181 176 181 181 181调制度 0.998 0.662 0.248 0.506 0.402 0.224 0.130 0.094
由于调制度的数值由测量位置附近的5个干涉光强的大小决定，所以本实施例测量数据表中对应的调制度数据的首尾各缺少两个调制度数据。本实施例中测量的初始位置为0，利用上述数据得出零光程差位置为：10.03个位移单位，即：3.009μm的位置。