一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

摘要

本发明提供了一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法，属于光电检测技术领域。该仪器包括激光光源、平行反光板、图像传感器、信号采集处理器和显示器，使用一个双面平行反光板作为空间相位调制器，空间发散激光斜入射到由低反射双面平行反光板，上下表面反射光在图像传感器表面形成由双光束干涉产生的相位调制分布。本发明的光学部分仅包括激光光源、双面平行反光板和图像传感器，相比于其他干涉仪，具有结构简单和成本低等显著优势。本发明为位移、激光波长、平板厚度和折射率的高精度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

权利要求

1.一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的空间相位调制型激光干涉测量仪器包括激光光源(1)、平行反光板(2)、图像传感器(3)、信号采集处理器(4)和显示器(5)；激光光源(1)与图像传感器(3)之间设置平行反光板(2)，激光光源(1)发射的光斜射到平行反光板(2)表面，经平行反光板(2)上、下表面反射后入射到图像传感器(3)，图像传感器(3)将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器(4)与图像传感器(3)相连，用于采集干涉图像并对其进行相位解调；显示器(5)与信号采集处理器(4)相连，用于显示数字信号处理的结果；

所述的激光光源(1)是一种空间发散光源，其空间发散角大于5度；

所述的激光光源(1)是一种相干光源，其相干长度大于10倍的平行反光板(2)的厚度；

所述的平行反光板(2)是一种低反射双面平行反光板，上、下表面的反射率为2％-

20％，厚度为1μm-10mm。

2.根据权利要求1所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的激光光源(1)上设置光纤(6)，激光光源(1)通过光纤(6)将光发射至平行反光板(2)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的平行反光板(2)为光学玻璃(402)或流通池(702)。

4.根据权利要求1或2所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的图像传感器(3)为线阵图像传感器(403)或面阵图像传感器。

5.根据权利要求3所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，其特征在于，所述的图像传感器(3)为线阵图像传感器(403)或面阵图像传感器。

6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的一种空间相位调制型激光干涉测量仪器的测量方法，其特征在于，采用低反射双面平行反光板(2)作为空间相位调制器，图像传感器(3)对空间相位调制光进行探测，实现高分辨率和低成本的光学干涉测量；具体步骤如下：首先激光光源(1)发射的相干光在空间发散后，斜射到低反射双面平行反光板(2)的上、下表面，经反射后的双面反射光射入图像传感器(3)；然后图像传感器(3)将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器(4)对图像传感器(3)形成的干涉图像进行采集，并对其进行相位解调；最后显示器(5)对数字信号处理的结果进行显示。

说明书

一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电检测技术领域，涉及一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法。

背景技术

[0002] 激光器的出现推动了光电检测技术领域的快速发展，利用激光干涉原理可实现高精度的光电检测。激光波长或者光程差的改变可引起干涉信号的相位调制，激光干涉仪是将波长、温度、应变、压力、折射率或者位移等物理量转换为对相位差的高精度测量仪器。常见的激光干涉测量仪主要包括迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。目前，各种形式的激光干涉仪已经广泛应用于物理化学参量测量、精密机械加工和结构健康监测等领域。

[0003] 光学干涉仪分为时间域相位调制干涉仪和空间域相位调制干涉仪。时间域相位调制利用了光的时间相干性；空间域相位调制则利用了光的空间相干性。时间域相位调制干涉仪形成的干涉场是一个空间均匀的强度随时间变化的分布；空间域相位调制干涉仪形成的干涉场则是一个不随时间变化的强度随空间位置变化的干涉条纹分布。在光探测方面，时间域相位调制干涉仪采用单面元光探测器；空间域相位调制干涉仪采用面阵或者线阵图像传感器。

[0004] 空间相位调制型激光干涉仪在测量过程中无需对测量臂的光程或者激光波长进行扫描，具有测量速度快、信噪比高和稳定性高等优势。文献“空间域相位调制干涉仪用于微位移测量.应用光学，1999，20(2)：40-44”首次提出了空间相位调制型干涉测量方案，采用光楔替代传统迈克尔逊干涉中的平板玻璃，空间相位调制激光干涉场被CCD探测。然而该方案易受光楔倾角不均匀的影响，无法在实际工程应用中得到应用。文献“空间相位调制表面等离子体共振检测蛋白质芯片.清华大学学报，2008，48(5)：792-795”和“基于SPR传感的空间相位调制蛋白质芯片检测方法.仪器仪表学报，2009，30(6)：1134-1139”提出了一种基于空间相位调制的SPR成像干涉检测法，该方案将s光作为参考光，测量p光的相位变化，将传感芯片表面的生物分子相互作用时所引起的反射光的相位变化转换成干涉条纹移动，干涉图像由面阵CCD采集。然而该方案的应用领域受限，目前的报道只能用于SPR传感。

[0005] 目前，在非接触光学玻璃测厚、光学折射率测量等领域，尚且缺乏低成本的高精度激光干涉测量方法。并且，各种常见的激光干涉仪使用较多的高精密光学元件，存在结构复杂和成本较高等问题，影响了激光干涉仪进一步地推广应用。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提出一种结构简单的无扫描激光干涉测量仪器及方法，旨在大幅度简化仪器结构、降低激光干涉仪的成本、提高检测精度，为激光干涉仪在工业检测与生产中的应用拓展更大的空间。

[0007] 本发明的技术方案：

[0008] 一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，空间相位调制型激光干涉测量仪器包括激光光源1、平行反光板2、图像传感器3、信号采集处理器4和显示器5；激光光源1与图像传感器3之间设置平行反光板2，激光光源1发射的光斜射到平行反光板2表面，经平行反光板2上、下表面反射后入射到光图像传感器3，光图像传感器3将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器4与图像传感器3相连，用于采集干涉图像并对其进行相位解调；显示器5与信号采集处理器4相连，用于显示数字信号处理的结果。

[0009] 所述的激光光源1是一种空间发散光源，其空间发散角大于5度。

[0010] 所述的激光光源1是一种相干光源，其相干长度大于10倍的平行反光板2的厚度。

[0011] 所述的平行反光板2是一种低反射双面平行反光板，上、下表面的反射率为2％-20％，厚度为1μm-10mm。

[0012] 所述的激光光源1上设置光纤6，激光光源1通过光纤6将光发射至平行反光板2上。

[0013] 所述的平行反光板2为光学玻璃402或流通池702。

[0014] 所述的图像传感器3为线阵图像传感器403或面阵图像传感器。

[0015] 一种空间相位调制型激光干涉测量方法，采用低反射双面平行反光板2作为空间相位调制器，图像传感器3对空间相位调制光进行探测，实现高分辨率和低成本的光学干涉测量；具体步骤如下：

[0016] 首先激光光源1发射的相干光在空间发散后，斜射到低反射双面平行反光板2的上、下表面；经反射后的双面反射光射入图像传感器3，然后图像传感器3将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器4对图像传感器3形成的干涉图像进行采集，并对其进行相位解调；最后显示器5对数字信号处理的结果进行显示。

[0017] 本发明有益效果：本发明属于一种空间相位调制型激光干涉测量方法，相比于普通的激光干涉测量技术，该方法不需要机械扫描部件，是一种无扫描测量法，具有高精度、高稳定性、高重复性和大动态测量范围等优势。本发明仪器的光学部分仅包括激光光源、双面平行反光板和图像传感器，相比于其他干涉仪，具有结构简单和成本低等显著优势。本发明为位移、激光波长、平板厚度和折射率的高精度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

附图说明

[0018] 图1是本发明的结构示意图。

[0019] 图2是本发明的激光干涉原理图。

[0020] 图3是线阵图像传感器表面的相位差空间分布图。

[0021] 图4是本发明实施例一的结构示意图。

[0022] 图5是本发明实施例一的干涉条纹图。

[0023] 图6是本发明实施例一的玻璃厚度与干涉信号空间频率的关系图。

[0024] 图7是本发明实施例二的结构示意图。

[0025] 图中：1激光光源；2平行反光板；3图像传感器；4信号采集与处理器；5显示器；6光纤；402光学玻璃；403线阵图像传感器；702流通池。

具体实施方式

[0026] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

[0027] 本发明的结构如图1所示，主要包括激光光源1、平行反光板2、图像传感器3、信号采集处理器4和显示器5。激光光源1发射的空间发散光，入射到平行反光板2；上表面和下表面的反射光分别入射到图像传感器3，在图像传感器3表面形成干涉图像；信号采集与处理器4对采集的干涉图像进行处理；计算结果显示在显示器5。

[0028] 图2是本发明的激光干涉原理图。平行反光板上表面和下表面的反射光到达图像传感器表面上同一点的两束光的光程不同，即图像传感器上不同点对应不同的光程差。图中，激光发射点与平行反光板上表面的垂直距离为a，平行反光板的厚度为b，折射率为n。激光出射光经平行反光板上表面反射，到达图像传感器表面点(x,y)，其光程为[0029]

[0030] 激光出射光经平行反光板下表面反射，到达同一点(x,y)，其光程为[0031]

[0032] 其中，α和β分别是光束在平行反光板外侧和内侧与法线的夹角。根据斯涅耳定律，可得

[0033] sinα＝nsinβ  (3)

[0034] 此外，根据几何关系，可得

[0035] atanα+2btanβ+(y-b)tanα＝x  (4)

[0036] 图像传感器上(x,y)处的光程差为

[0037] OPD1(x,y)＝OP12(x,y)-OP11(x,y)  (5)

[0038] 根据式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)即可计算出图像传感器表面的相位差空间分布值。

[0039] 附图3是线阵图像传感器表面的相位差空间分布图。计算条件为：入射光轴线与平行反光板的夹角为45°，线阵图像传感器与平行反光板的夹角为45°，线阵图像传感器中心与平行反光板的垂直距离h为50mm，线阵图像传感器的像素为3648，线阵图像传感器的光探测面元的长度为29.1mm，a为1mm，b为250μm，激光光源的波长为850nm。图3显示出线阵图像传感器表面的相位差空间分布具有很好的线性关系。

[0040] 实施例1：高精度光学玻璃厚度测量仪

[0041] 本发明提供了如图4所示的一种高精度光学玻璃厚度测量仪，主要包括激光光源1、光纤6、光学玻璃402，线阵图像传感器403，信号采集处理器4和显示器5。激光光源1经光纤6发射，空间发散光入射到光学玻璃402；光学玻璃402上表面和下表面的反射光分别入射到线阵图像传感器403，在线阵图像传感器403表面形成干涉图像；信号采集处理器4使用高速模数转换器采集线阵图像传感器403的输出图像，FPGA控制线阵图像传感器403的输入时序，并对采集的干涉图像信号进行去噪处理，计算出干涉信号的频率后，得到光学玻璃402的厚度；计算结果显示在显示器5。

[0042] 其中激光光源4是波长为850nm的窄线宽半导体激光光源。光纤6为9/125μm通信光纤。线阵图像传感器403为东芝公司的TCD1304DG型CCD，像素为3648。

[0043] 图5是本发明实施例一的干涉条纹图。由于平行反光板表面的反射率较低，干涉条纹图近似为双光束干涉图像。光纤出射的激光是高斯发散的，在附图5的干涉条纹图中包含了近似高斯分布的包络。

[0044] 图6是本发明实施例一的玻璃厚度与干涉信号空间频率的关系图，该结果是当线阵图像传感器中心与平行反光板的垂直距离为100mm时得到的。当干涉信号的空间频率范围为2-1860Hz时，对应玻璃厚度为10um–10mm。

[0045] 传统的激光玻璃测厚仪的测量精度/分辨率在100um量级，无法满足精密光学玻璃测厚的需求。本发明实施例1的方法采用与传统的激光玻璃测厚仪相近的结构，在不增加测量系统成本的情况下，采用空间相位调制型激光干涉测量技术，可将系统测量分辨率提高到10nm量级。

[0046] 实施例2：液体折射率测量仪

[0047] 本发明提供了如图7所示的一种液体折射率测量仪，主要包括激光光源1，光纤6，流通池702，线阵图像传感器403，信号采集处理器4和显示器5。激光光源1经光纤6发射，空间发散光入射到流通池702；流通池702上下内表面的反射光分别入射到线阵图像传感器403，在线阵图像传感器403表面形成干涉图像；信号采集处理器4采集并处理线阵图像传感器403的输出图像，并将计算出的折射率结果显示在显示器5。

[0048] 其中激光光源1是波长为850nm的窄线宽半导体激光光源。光纤6为9/125μm通信光纤。流通池702的上下表面为两个平行的光学镜片构成，且光学镜片的外表面镀增透膜。线阵图像传感器403为东芝公司的TCD1304DG型CCD，像素为3648。

[0049] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。