复合光源实时微振动干涉测量仪

　　1　引　言

　　随着高精度机械加工和机器人技术的发展,对机械运动部件相关参数的高精度实时检测变得越来越重要。光学干涉测量技术作为一种非接触式测量技术,具有高分辨率、高精度和高灵敏度等特点,因而得到了广泛的应用[1~4]。

　　相对于传统的外差干涉仪,由于使用激光二极管(LD)的正弦相位调制(SPM)干涉仪具有体积小、结构紧凑、相位调制简单、精确等优点,因此在近十几年来使用这种干涉仪的高精度测量技术得到了很大的发展。在LD-SPM干涉仪[5~9]中,通过对LD输入正弦电流信号来实现干涉信号的正弦相位调制。然而通过注入调制电流来改变光源波长的同时,光源的输出光强同时也被调制,从而带来了较大的测量误差。本文提出了一种新的LD-SPM微振动实时干涉测量仪,通过采用复合光源降低了伴随LD波长调制产生的光强变化的影响;通过加入反馈电路,有效地消除了外界干扰对测量精度的影响。

　　2　原　理

　　为了消除直接电流调制改变光源的波长时对光强波动的影响,采用了如图1所示的新的复合光源ALS作为干涉仪的光源。当半导体激光器LD2的出射光注入到LD1时,由于光热效应使LD1的结温发生变化导致其输出波长发生相应改变。LD2由直流I02和正弦电流Im2(t)通过LM驱动,发出的光经过准直透镜L2,偏振分束器PBS,透镜L1后,聚焦到LD1上。由LD1发出的光经过准直透镜L1及PBS后,由分束器BS分成两束平行光,分别照射到参考镜M和被测物体object上,LD1与LD2的出射光偏振方向互相垂直,PBS使LD1的光透过而不反射到LD2上,同时使LD2的光入射到LD1上,其中被LD1反射的部分光束不会通过PBS进入两干涉臂产生干扰。此干涉仪中,LD1被用作干涉仪光源、相位调节器和相位补偿器。

　　在电流I02与Im(t) = acos(ωct)的驱动下,LD2的输出光强正弦变化,照射到LD1上后,导致其波长变化为

　　λ0为LD1的中心波长,β1为LD1波长的光热调制效率,β2为LD2的光强调制效率。光电二极管PD接收到的干涉信号为

　　其中S0为信号的直流分量,S1为信号的交流分量的振幅,为正弦相位调制深度。α(t)=α0+αd(t),其中α0= (4π/λ0)D0是初始相位,由光程差2D0决定;αd(t) = (4π/λ0)d(t),是由被测物体的振动引起的相位变化。d(t)为压电陶瓷(PZT)驱动下物体的位移变化。用Δl表示由干涉仪的机械振动和空气扰动引起的光程变化,则它带来的相位误差为δ= (2π/λ0)Δl。将干涉信号S(t)和调制信号Vm(t)分别放大后通过由模拟乘法器和一个低通滤波器LPF组成的信号处理电路SPC,两个放大器的增益分别为K1和K2,模拟乘法器的增益为Km。低通滤波器LPF的增益为KL,截止频率<ωc/10。信号变为