利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统
专利汇可以提供利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统。利用光纤光栅反射布拉格 波长 特性和波分复用技术构成光纤复合干涉仪，该干涉仪含二个反射镜独立光路几乎重合的光纤迈克尔逊干涉仪。一个干涉仪用于测量；另一个干涉仪用于稳定，经反馈控制 电路 补偿环境干扰对测量系统的影响，从而使系统适用于在线测量。谱宽40nm的超 辐射 发光 二极管 发出的光被三个布拉格波长不同的光纤光栅反射包含三个波长的光进入系统，一个波长作用于稳定干涉仪中，稳定系统；另二个波长作用于测量干涉仪中，产生合成波干涉，实现测量。调节作用于测量干涉仪的二个波长的大小，可得不同大小的合成波长，实现对不同高度台阶测量。，下面是利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统专利的具体信息内容。
1、一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统，其特征在于： 该系统包含复合在一起而且光路几乎重合的二个光纤迈克尔逊干涉仪，分别用 于测量回路和反馈控制回路；该系统是由超辐射发光二极管(SLD)、回旋器、 光纤光栅(FBG)、啁啾光纤光栅(CFBG)、3dB-耦合器、探测器(PD)、光 纤自准直透镜(GRIN)、测量反射镜、参考反射镜、压电陶瓷管(PZT1)、叠 片式压电陶瓷(PZT2)、反馈控制电路、信号电路处理模块、相位测量模块、 A/D转换卡、信号发生器、计算机和输出结果组成；两个参数相同的光纤光栅 分别位于一个用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端，以这两个 光纤光栅为反射镜又构成了另一个用于稳定测量系统的光纤迈克尔逊干涉仪， 这两个光纤迈克尔逊干涉仪有各自独立的反射镜且光路几乎重合；以光纤光栅 为反射镜构成的光纤迈克尔逊干涉仪的其中一个作为参考臂的光纤缠绕在压 电陶瓷管上，通过反馈控制电路驱动压电陶瓷管，调节干涉仪的参考臂的长度， 使以光纤光栅为反射镜的光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂处于正交状态，即 两个干涉臂的相位差为π/2，这样，就补偿了环境振动和温度漂移给以光纤光 栅为反射镜的光纤迈克尔逊干涉仪带来的影响，达到了稳定该干涉仪的目的； 因为两个干涉仪的光路几乎重合，所以另一个用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪 也稳定了，从而使该系统适用于在线测量；超辐射发光二极管发出的光被三个 不同布拉格波长的光纤光栅反射，被反射后包含三种波长的光进入测量系统， 利用光纤光栅反射布拉格波长的特性和啁啾光纤光栅反射特定光谱的特性，使 其中一个波长的光作用于稳定光纤迈克尔逊干涉仪中，用于稳定测量系统，另 外二个波长的光作用于测量光纤迈克尔逊干涉仪中，形成合成波干涉，实现测 量；调节参考反射镜的位置使测量光纤迈克尔逊干涉仪的两个臂的初始相位差 为零，通过叠片式压电陶瓷对其参考臂的光程进行调制，使测量干涉仪的两个 臂的相位差由零线性的增加到2π；当测量臂的光程由于台阶高度的变化引起 Δd的变化时，两个臂的初始相位差的变化量为λs为合成波长，初 始相位差的变化量与台阶高度的变化量成正比，通过测量初始相位差的变化量 实现对台阶高度的测量。
2、根据权利要求1所说的一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线 测量系统，其特征在于：在一个光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端分别 写入一个参数相同的光纤光栅，利用光纤光栅反射布拉格波长的特性构成复合 在一起而且光路几乎重合的二个光纤迈克尔逊干涉仪，一个光纤迈克尔逊干涉 仪完成稳定工作，另一个光纤迈克尔逊干涉仪完成测量工作，从而使测量系统 适用于在线测量。
3、根据权利要求1所说的一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线 测量系统，其特征在于：超辐射发光二极管发出的光被三个不同布拉格波长的 光纤光栅反射，被反射后包含三种波长的光进入测量系统，三种波长分别为λ1、 λ2和λ3，再利用光纤光栅反射布拉格波长的特性和啁啾光纤光栅反射特定光谱 的特性，使波长λ1作用于稳定光纤迈克尔逊干涉仪中，完成稳定工作，使测量 系统适用于在线测量；波长λ2和λ3作用于测量光纤迈克尔逊干涉仪中，形成合 成波干涉，实现对台阶高度的测量；合成波长可测量的台阶高度 的最大值为λs/2；通过调节光纤光栅的参数，调节λ2和λ3的大小，得到不同大 小的合成波长，实现对不同高度台阶的测量，并由计算机输出结果。
技术领域
本发明涉及一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统， 特别是涉及一种适用于在线测量的台阶高度测量系统，属于光学测量技术领 域。
背景技术
In(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。
步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。
[2]Dejiao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and Ian Bennion，光学特快(Optics Express)，2004年，第12卷，第23期，5729-5734 页。现有技术文献[2]的工作原理如图2所示，由半导体激光器发出波长为λ0 的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参 考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉 信号经过回旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被PIN 探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节 光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态 (相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。
可调谐激光器发出的波长λm可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为 两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路 经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB- 耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被PIN 探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。
上述两个现有技术存在的问题和不足是：
1、测量系统对环境振动和温度漂移等干扰敏感，不适用于在线测量。
2、测量的台阶高度受入射光波波长λ的限制，可测量的台阶高度小于λ/2， 仅为几百纳米，无法对几十至几百微米的台阶高度进行测量。
本发明的目的就是针对现有技术存在的问题和不足而提出一种利用光纤 光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统。
发明内容
一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统，该系统是由 超辐射发光二管SLD、光纤光栅FBG、回旋器、3dB-耦合器、光纤自准直透 镜GRIN、压电陶瓷PZT、测量反射镜、参考反射镜、探测器PD、信号电路 处理、相位测量、反馈控制电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机、输出结 果组成。中心波长为1550nm谱宽40nm的超辐射发光二极管发出的光经布拉 格波长不同的三个光纤光栅反射波长为λ1、λ2和λ3的光进入测量系统。利用 光纤光栅反射布拉格波长的特性，在用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪的两个干 涉臂的末端分别写入一个参数相同的光纤光栅，以这两个光纤光栅为反射镜又 构成另一个用于稳定的光纤迈克尔逊干涉仪；测量迈克尔逊干涉仪和稳定迈克 尔逊干涉仪有各自独立的反射镜，两个干涉仪的测量臂和参考臂的光路几乎重 合，将作为参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷管PZT1上，反馈控制电路驱动压电 陶瓷PZT1，调节参考臂的长度，补偿由于温度漂移和环境振动对稳定光纤迈 克尔逊干涉仪的影响，使稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交 状态(两个干涉臂的相位差π/2)，这样稳定光纤迈克尔逊干涉仪就稳定了， 由于测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路与稳定光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎 重合，测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了。反馈控制电路的频率响应范围为 0～5kHz，也就是说反馈控制电路可以修正补偿频率为0～5kHz的干扰信号对测 量系统的影响，使得测量系统适用于在线测量。由于光纤光栅反射布拉格波长 的特性和啁啾光纤光栅反射特定光谱的特性，使波长为λ1的光作用于稳定光 纤迈克尔逊干涉仪中，完成稳定工作，另外二个波长λ2、λ3的光作用于测量 光纤迈克尔逊干涉仪中，形成合成波干涉，完成测量工作。合成波长为 远远大于λ2、λ3，使本系统可以对台阶高度进行测量。调节参考 反射镜的初始位置，使测量光纤迈克尔逊干涉仪的两个臂的初始相位差为零， 当测量臂的光程由于台阶高度的变化而引起Δd变化时，两个臂的初始相位差 将变为所以初始相位差的变化量与台阶高度的变化量成正比，通 过测量初始相位差的变化量实现对台阶高度的测量。
本发明的有益效果主要有两个：
1、本测量系统适用于在线测量。系统利用光纤光栅反射布拉格波长的特 性构成复合在一起的稳定光纤迈克尔逊干涉仪和测量光纤迈克尔逊干涉仪，通 过反馈控制电路使稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态， 使稳定光纤迈克尔逊干涉仪稳定，从而使测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定，使 测量系统适用于在线测量。
2、本测量系统能够对台阶高度进行测量。用合成波干涉的方法扩大干涉 测量量程，合成波长远远大于光波波长λ2和λ3，可以测量的台阶 的最大高度为λs/2，可通过调节光波波长λ2和λ3的大小得到不同大小的合成波 长，实现对不同高度的台阶测量。
附图说明
图1是现有技术文献[1]的工作原理图；
图2是现有技术文献[2]的工作原理图；
图3是本发明的工作原理图。
图中标注：SLD-超辐射发光二极管，FBG-光纤光栅，CFBG7-啁啾光 纤光栅，PZT1-压电陶瓷管，PZT2-叠片式压电陶瓷，GRIN-光纤准直透镜， PD-探测器。
具体实施方式
如图3所示，光纤光栅FBG1、FBG2和FBG3反射的布拉格波长分别为 λ1、λ2、λ3，FBG4、FBG5和FBG6反射的布拉格波长均为λ1，啁啾光纤光 栅CFBG7的反射谱包含λ2、λ3，但不包含λ1。光纤光栅FBG4和FBG5分别 写在测量光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端，这样，以光纤光栅FBG4 和FBG5为反射镜又构成稳定光纤迈克尔逊干涉仪，而且稳定光纤迈克尔逊干 涉仪和测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎重合。中心波长为1550nm谱宽 40nm的超辐射发光二极管发出的光经过回旋器1后到达光纤光栅FBG1、 FBG2和FBG3，被光纤光栅FBG1、FBG2和FBG3反射回λ1、λ2、λ3三个波 长的光，此光经过回旋器1、回旋器2、以及3dB-耦合器后分为两路，当两路 光到达光纤光栅FBG4和FBG5时，波长为λ1的光被反射，波长为λ2、λ3的 光透射；被反射的两路波长λ1的光再次经过3dB-耦合器，在3dB-耦合器处相 遇并发生干涉，一路干涉信号经过回旋器2、回旋器3、以及啁啾光纤光栅 CFBG4，由探测器PD1探测，另一路干涉信号经过回旋器4后被光纤光栅FBG6 反射，再次经过回旋器4，由探测器PD2探测。探测器PD1和PD2探测到的 信号经过反馈控制电路处理，作为反馈信号作用在压电陶瓷管PZT1上，光纤 干涉仪的参考臂缠绕在PZT1上，反馈信号驱动PZT1调节光纤的长度，以此 调节参考臂的光程，使得稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交 状态(两个干涉臂的相位差始终为π/2)，这就补偿和修正了温度漂移和环境 振动等干扰对稳定光纤迈克尔逊干涉仪的影响，实现了对稳定光纤迈克尔逊干 涉仪的稳定。由于测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路与稳定光纤迈克尔逊干涉仪 的光路几乎重合，所以测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了。该反馈控制电路的 工作频率范围为0～5kHz，也就是说该反馈控制电路可以对0～5kHz的干扰信号 进行修正和补偿，使测量光纤迈克尔逊干涉仪能精确地进行测量工作，使测量 系统适用于在线测量。透过光纤光栅FBG4和FBG5波长为λ2和λ3的两路光分 别经过两个光纤准直透镜GRIN，被准直成平行光束，分别被参考反射镜和测 量反射镜反射回系统，再次经过光纤光栅FBG4和FBG5，并在3dB-耦合器处 相遇发生合成波干涉，合成波长为一路合成波干涉信号经过回旋 器2和3，由啁啾光纤光栅CFBG7反射，再次经过回旋器3后被导出系统， 另一路干涉信号经过回旋器4和光纤光栅FBG6后，由探测器PD3探测。当 台阶高度变化时，合成波干涉信号的相位将变化。当台阶高度变化Δd时，合 成波干涉信号的相位变化量为：
式中λs为合成波长。由方程(1)可知只要解调出干涉信号的相位变化量 经过数据处理，即可测出台阶高度的变化Δd。为此，系统对参考光路中 的压电陶瓷PZT2加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光 程。调节锯齿波电压的幅值及参考光路光程，使得初始的周期性的锯齿波电压 与干涉信号同周期同相位。当台阶高度变化Δd时，锯齿波电压的相位和干涉 信号的相位就不同，测出二者之间的相位差，经过数据处理后，即得到被测位 移变化量Δd值。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变 化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基 本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范 围。
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