基于偏振相移的干涉条纹细分原理

　　高精密的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等制造领域产品质量保证和提高的基础.在这些方面发展得比较成熟、应用较广的主要是栅尺类位移传感器,如光栅位移传感器[1].在大量程、精度比栅尺更高的位移测量领域,则主要基于激光干涉,如双频激光干涉[2]和单频激光干涉位移测量系统[3].

　　无论栅尺类位移传感器,还是激光干涉类位移传感器,都是通过对位移引起的条纹移动的处理分析来实现位移测量,一个周期的条纹信号代表一个栅格间距或半个激光波长λ的位移.为取得更高精度和高分辨率的位移测量,条纹信号的放大、细分、辨向和计数,成为必要且关键的环节,且随着细分数的提高,细分方法的选择尤为重要.现有的条纹细分方法,多通过光电接收器及后续信号放大和处理电路,并辅以信号的软件分析计算来实现[4].这种方法要求条纹信号的幅值稳定、直流漂移少、信噪比高;而实际情况中,采用的光电接收器只探测有限几个点的条纹信号,且需要经过多步信号处理电路,使条纹信号稳定性和漂移、信噪比等受到影响,因而高细分数的细分可靠性难以保证[5~7].

　　本研究提出基于偏振相移的条纹细分原理,以期在激光干涉位移测量中,提供高分辨率、稳定可靠的条纹细分.

　　1　相移条纹细分原理

　　激光干涉位移测量是以激光波长为基准,利用光干涉原理来测量长度或位移的方法[3,4,6].激光干涉位移测量中,干涉条纹的细分精度是位移测量分辨率和精度的重要影响因素.现有的干涉条纹细分,主要采用条纹信号处理电路和软件来实现,理论上可以达到很高的分辨率,但可靠性较差[4,5].

　　激光干涉位移测量中,干涉条纹移动实际是强度分布变化,源于位移引起的光程差即干涉相位变化.那么,引起条纹强度分布变化的相位调制或相移,应与产生等量的条纹强度分布变化的测量镜位移相对应.于是,如果采用高分辨率的可控已知的相移操作,驱动干涉条纹产生与测量镜位移引起的等量条纹变化,就可由已知的相移量,推知测量镜的位移量.相移条纹细分,就是基于以上原理,实现激光干涉测量中的条纹细分.

　　假定位移起始时,干涉条纹强度分布表达式为I(x)=I0sin(2xπ/l),式中:I0为幅值光强;x为空间坐标;l为干涉条纹分布波长.测量镜移动距离d=(n+δ)λ/2时(n为整数,δ为小数),干涉条纹强度分布为I′(x)=I0sin[2xπ/l+2δπ].可见,如果采用一定分辨率的相移技术产生一定相移,使干涉相发生变化,引起干涉条纹强度分布回到起始时的状态,那么相移量2δπ所对应的光程变化δ,就是被测位移的λ/2小数倍数.

　　2　偏振相移条纹细分实现