一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置

1.本发明涉及外差激光干涉仪探测误差测量技术领域，是一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置。


背景技术：

2.在超精密测量、微纳加工等领域，外差激光干涉测量的应用十分广泛。而随着这些领域的迅猛发展，对外差激光干涉信号测量的精度和动态性能的要求在断提升。分辨力从亚纳米级向深亚纳米甚至皮米级迈进。
3.在外差激光干涉测量过程中，测量光信号会随着待测目标的偏摆而发生偏摆，这使得测量干涉光的对比度和光功率降低。而待测一体化相位计中前置信号处理模块的光电二极管对不同光功率和对比度干涉光信号的时延不同，其带来的探测误差直接影响探测精度与动态性能。对于深亚纳米级、皮米级外差激光干涉测量系统，测量干涉光的对比度和光功率降低带来的探测误差不容忽视。
4.国内学者针对不同光功率下光电二极管的时延特性的测量，提出利用快速光脉冲信号、方波光信号进行测量。发表的文献主要包括:《实验室研究与探索》的《锗-雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的测量》；《传感技术学报》的《基于光照强度的pin光电二极管响应时间分析》。该类测试方法采用非正弦光信号，无法进行光电二极管在不同对比度与光功率的正弦光信号下的时延测量。难以满足双频激光干涉信号测量中正弦干涉光光功率与对比度变化引起的探测误差测量需求。
5.国外学者针对不同光功率下光电二极管的时延不同引起的探测误差问题，在《review of scientific instruments》发表了文献《examination to eliminate undesirable phase delay of an avalanche photodiode(apd) for intensity-modulated light》。该测试方法的激光光源采用正弦调制光，以合适的恒定光功率信号为基准，测量不同光功率下的光电二极管相对于测量基准的相位差。该测试方法仅能改变正弦光信号的光功率，不能改变其对比度，且无法在测量的同时对干涉光信号的光功率以及对比度进行实时检测。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术的不足，本发明为了针对外差激光干涉仪光功率和对比度变化引起的探测误差测量困难、干扰因素众多的问题。本发明的目的在于提供一种结构简单、能够灵活调节和检测干涉光的光功率和对比度、测量精度高的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置。
7.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
8.本发明提供了一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置，本发明提供了以下技术方案：
9.一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置，所述装置包括：参考信号和测量光产生模块、第一偏振器件、第二偏振器件、待测光电探测器、参考信号调理电路、相位解调与光功率和对比度检测电路；
10.所述参考信号和测量光产生模块分别连接偏振器件和参考信号调理电路；所述第一偏振器件连接第二偏振器件；所述第二偏振器件连接待测光电探测器，所述待测光电探测器连接相位解调与光功率和对比度检测电路，所述参考信号调理电路连接相位解调与光功率和对比度检测电路。
11.优选地，参考信号和测量光产生模块输出参考信号与两束同轴传输偏振方向垂直、频率不同的测量光；
12.第一偏振器件通过旋转其偏振方向使两束激光发生干涉并能够调节干涉光对比度；
13.第二偏振器件通过旋转其偏振方向能够调节干涉光的光功率；
14.待测光电探测器接收干涉光信号，转化成幅值合适的测量电信号。
15.参考信号调理电路接收参考信号，转化成幅值合适的参考电信号。
16.相位解调与光功率和对比度检测电路接收测量电信号与参考电信号解算两路信号的相位差，并能够进行干涉光信号光功率和对比度的检测。
17.优选地，参考信号和测量光产生模块是带参考信号的双频激光器。
18.优选地，所述的参考信号和测量光产生模块包括两个不同频率单频激光器、npbs、偏振片；两不同频率单频激光器输出的激光保证其偏振方向垂直，分别垂直输入到npbs相邻两面，输出两组同轴的偏振方向垂直的激光，其中一组作为测量光信号，另一组通过偏振片发生干涉作为参考光信号。
19.优选地，所述的参考信号和测量光产生模块包括不带参考信号的双频激光器、npbs、偏振片；双频激光器输出两束同轴传输偏振方向垂直、频率不同的激光，垂直输入到npbs分成两组光，其中一组作为测量光信号，另一组通过偏振片发生干涉作为参考信号。
20.优选地，第一和第二偏振器件均是格兰-汤普逊棱镜。
21.优选地，第一和第二偏振器件均是pbs，偏振分光棱镜。
22.一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法，所述方法包括以下步骤：
23.步骤1：进行初值选择，在激光干涉位移测量装置中，提前测量在每一个测量轴中参考光与测量光干涉后的最大光强及对比度作为初值；
24.步骤2：进行测量初始化，通过调节偏振器件调节干涉光的光功率与对比度，并进行光功率和对比度的检测，使输出光功率与对比度达到初值；
25.步骤3：进行测试点选取，利用激光干涉位移测量系统中光强衰减和对比度减小的映射关系，选取测试点；
26.步骤4：开始测量，调节偏振器件改变干涉光的对比度与光功率，并进行干涉光的光功率和对比度的检测，使光功率和对比度达到测试点，利用相位解调电路实时测量干涉光从初值到测试点的相位差。
27.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法。
28.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法。
29.本发明具有以下有益效果：
30.本发明提供一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置。可用于外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的测量，应用于光电二极管时延特性引起的探测误差的测量与补偿。此外，本发明还可用于需要对激光干涉信号的光功率与对比度进行调节与实时检测的领域。本发明基于基本的外差激光干涉结构进行设计，采用合适的光学元件，能够灵活调节和检测干涉光的光功率和对比度；由于在干涉仪中位移测量结果受振动、空气扰动等因素影响较大，位移测量结果通常包含多种误差，因此本发明为等效测试方法与装置，通过调节干涉光的光功率和对比度等效待测目标的偏摆造成的对比度和光功率降低，能够分离位移、振动、空气扰动等干扰因素的影响。
31.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置能够灵活的调节和检测测量干涉光的光功率和对比度。
32.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置从原理上能够抵抗振动等环境误差的影响，且干涉光在光纤中的传输路径不变，在调节过程中光程差不变，非线性误差源少。
33.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置有着光路简洁、元器件少的特点，利于工程实现，并且在实现难易度、测量精度等方面都具有优势。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置结构示意图；
36.图2是本发明的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置结构图；
37.图3是本发明的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置结构图。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
43.具体实施例一：
44.根据图1-图3所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置。
45.一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置，其特征在于：它包括参考信号和测量光产生模块1、第一偏振器件2、第二偏振器件3、待测光电探测器4、参考信号调理电路5、相位解调与光功率和对比度检测电路6。
46.所述装置中参考信号和测量光产生模块输出参考信号与两束同轴传输偏振方向垂直、频率不同的测量光；
47.所述装置中第一偏振器件2通过旋转其偏振方向使两束激光发生干涉并能够调节干涉光对比度；
48.所述装置中第二偏振器件3通过旋转其偏振方向能够调节干涉光的光功率；
49.所述装置中待测光电探测器4接收干涉光信号，将其转化成幅值合适的测量电信号。
50.所述装置中参考信号调理电路5接收参考信号，将其转化成幅值合适的参考电信号。
51.所述装置中相位解调与光功率和对比度检测电路6接收测量电信号与参考电信号解算两路信号的相位差，并能够进行干涉光信号光功率和对比度的检测。
52.所述的参考信号和测量光产生模块1是带参考信号的双频激光器。
53.所述的参考信号和测量光产生模块1包括两个不同频率单频激光器、npbs(消偏振分光棱镜)、偏振片。两不同频率单频激光器输出的激光保证其偏振方向垂直，分别垂直输入到npbs相邻两面，输出两组同轴的偏振方向垂直的激光，其中一组作为测量光信号，另一组通过偏振片发生干涉作为参考光信号。
54.所述的参考信号和测量光产生模块1包括不带参考信号的双频激光器、npbs(消偏振分光棱镜)、偏振片。双频激光器输出两束同轴传输偏振方向垂直、频率不同的激光，垂直输入到npbs分成两组光，其中一组作为测量光信号，另一组通过偏振片发生干涉作为参考信号。
55.所述第一偏振器件2、3均是格兰-汤普逊棱镜。
56.所述第一偏振器件2、3均是偏振片。
57.所述第一偏振器件2、3均是pbs(偏振分光棱镜)。
58.本发明提供一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
59.1)初值选择：在激光干涉位移测量系统中，提前测量在每一个测量轴中参考光与测量光干涉后的最大光强及对比度作为初值。
60.2)测量初始化：通过调节偏振器件调节干涉光的光功率与对比度，并进行光功率和对比度的检测，使输出光功率与对比度达到初值。
61.3)测试点选取：利用激光干涉位移测量系统中光强衰减和对比度减小的映射关系，选取测试点。
62.4)开始测量：调节偏振器件改变干涉光的对比度与光功率，并进行干涉光的光功率和对比度的检测，使光功率和对比度达到测试点。利用相位解调电路实时测量干涉光从初值到测试点的相位差。
63.具体实施例二：
64.本技术实施例二与实施例一的区别仅在于：
65.本发明提供一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法，包括以下步骤：
66.1)初值选择：在激光干涉位移测量系统中，提前测量在每一个测量轴中参考光与测量光干涉后的最大光强及对比度作为初值。
67.2)测量初始化：通过调节偏振片202调节干涉光对比度，通过调节偏振片203调节干涉光光功率，并通过相位解调与光功率和对比度检测电路206进行光功率和对比度的检测，使输出光功率与对比度达到初值。
68.3)测试点选取：利用激光干涉位移测量系统中光强衰减和对比度减小的映射关系，选取测试点。
69.4)开始测量：调节偏振片202，改变干涉光的对比度；调节偏振片203，改变干涉光的光功率，利用相位解调与光功率和对比度检测电路206进行干涉光的光功率和对比度的检测，使光功率和对比度达到测试点，并实时测量干涉光从初值到测试点的相位差。
70.根据图2为外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置作为本实施例结构图，该实施例采用偏振片作为偏振器件，采用参考信号的双频激光器作为参考信号和测量光产生模块。该实施例包括双频激光器201、偏振片202、偏振片203、待测光电探测器204、参考信号调理电路205、相位解调与光功率和对比度检测电路206。
71.该外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置工作原理如下：
72.所述实施例中双频激光器201输出参考信号与两束同轴传输偏振方向垂直、频率
不同的测量光；
73.所述实施例中偏振片202通过旋转其偏振方向使两束激光发生干涉并能够调节干涉光对比度；
74.所述实施例中偏振片203通过旋转其偏振方向能够调节干涉光的光功率；
75.所述实施例中待测光电探测器204接收干涉光信号，将其转化成幅值合适的测量电信号。
76.所述实施例中参考信号调理电路205接收参考信号，将其转化成幅值合适的参考电信号。
77.所述实施例中相位解调与光功率和对比度检测电路206接收测量电信号与参考电信号解算两路信号的相位差，并能够进行干涉光信号光功率和对比度的检测。
78.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置能够灵活的调节和检测测量干涉光的光功率和对比度。
79.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置从原理上能够抵抗振动等环境误差的影响，且干涉光在光纤中的传输路径不变，在调节过程中光程差不变，非线性误差源少。
80.本发明中，所提出的外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置有着光路简洁、元器件少的特点，利于工程实现，并且在实现难易度、测量精度等方面都具有优势。
81.具体实施例三：
82.本技术实施例三与实施例二的区别仅在于：
83.本发明提供一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法，包括以下步骤：
84.1)初值选择：在激光干涉位移测量系统中，提前测量在每一个测量轴中参考光与测量光干涉后的最大光强及对比度作为初值。
85.2)测量初始化：通过调节格兰-汤普逊棱镜305偏振方向调节干涉光对比度，通过调节格兰-汤普逊棱镜306偏振方向调节干涉光光功率，并通过相位解调与光功率和对比度检测电路309进行光功率和对比度的检测，使输出光功率与对比度达到初值。
86.3)测试点选取：利用激光干涉位移测量系统中光强衰减和对比度减小的映射关系，选取测试点。
87.4)开始测量：调节格兰-汤普逊棱镜305，改变干涉光的对比度；调节格兰-汤普逊棱镜306，改变干涉光的光功率，利用相位解调与光功率和对比度检测电路309进行干涉光的光功率和对比度的检测，使光功率和对比度达到测试点，并实时测量干涉光从初值到测试点的相位差。
88.根据图3为外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置为本实施例结构图，该实施例采用格兰-汤普逊作为偏振器件，采用两个单频激光器、npbs、偏振片作为参考信号和测量光产生模块。该实施例包括单频激光器301、单频激光器302、npbs(消偏振分光棱镜)303、偏振片304、格兰-汤普逊棱镜305、格兰-汤普逊棱镜306、待测光电探测器307、参考信号调理电路308、相位解调与光功率和对比度检测电路309。
89.该外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测量装置工作原理
如下：
90.所述实施例中单频激光器301、302输出的激光保证其偏振方向垂直，分别垂直输入到npbs303相邻两面，输出两组同轴的偏振方向垂直的激光，其中一组作为测量光信号，另一组通过偏振片304发生干涉作为参考光信号。
91.所述实施例中格兰-汤普逊棱镜305通过旋转其偏振方向使两束激光发生干涉并能够调节干涉光对比度；
92.所述实施例中格兰-汤普逊棱镜306通过旋转其偏振方向能够调节干涉光的光功率；
93.所述实施例中待测光电探测器307接收干涉光信号，将其转化成幅值合适的测量电信号。
94.所述实施例中参考信号调理电路308接收参考信号，将其转化成幅值合适的参考电信号。
95.所述实施例中相位解调与光功率和对比度检测电路309接收测量电信号与参考电信号解算两路信号的相位差，并能够进行干涉光信号光功率和对比度的检测。
96.本发明提供一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法与装置。可用于外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的测量，应用于光电二极管时延特性引起的探测误差的测量与补偿。此外，本发明还可用于需要对激光干涉信号的光功率与对比度进行调节与实时检测的领域。本发明基于基本的外差激光干涉结构进行设计，采用合适的光学元件，能够灵活调节和检测干涉光的光功率和对比度；由于在干涉仪中位移测量结果受振动、空气扰动等因素影响较大，位移测量结果通常包含多种误差，因此本发明为等效测试方法与装置，通过调节干涉光的光功率和对比度等效待测目标的偏摆造成的对比度和光功率降低，能够分离位移、振动、空气扰动等干扰因素的影响。
97.具体实施例四：
98.本技术实施例四与实施例三的区别仅在于：
99.本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法。
100.具体实施例五：
101.本技术实施例五与实施例四的区别仅在于：
102.本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试方法。
103.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要
性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或n个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
104.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
105.以上所述仅是一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置的优选实施方式，一种外差激光干涉仪光功率与对比度变化引起探测误差的等效测试装置的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。