專利名稱：相位差測量裝置及應(yīng)用該裝置的外差干涉測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相位解調(diào)裝置、一種相位差測量裝置及應(yīng)用該相位差測量裝置的外差干涉測量系統(tǒng)，特別是涉及一種可將相位調(diào)制信號解調(diào)為振幅調(diào)制信號，可達即時測量效果的解調(diào)裝置、及非接觸式偏振光外差干涉相位即時測量系統(tǒng)。
相位解調(diào)裝置(phase demodulator,PD)可應(yīng)用在相位調(diào)制信號(phasemodulation,PM)中進行相位解調(diào)，也可應(yīng)用在通訊、資訊傳輸、精密測量和其他相關(guān)領(lǐng)域中，而一般相位解調(diào)裝置是利用相位檢測器(phase meter)、鎖相放大器(lock in amplifier)和相位鎖相回路(phase lock loop,PLL)等方法解調(diào)，也可經(jīng)由頻率調(diào)制(frequency modulation,FM)信號以zero-crossing的電路藉由計數(shù)器(counter)即時量取測試信號的頻率數(shù)fs，并和參考信號中計數(shù)器所讀取的頻率數(shù)fr相減，而得到頻率差值Δf=fs-fr，再利用積分電路求得相位的變化。一般相位解調(diào)裝置也可以利用相位比較器，以數(shù)位的方法比較測試信號和參考信號的相位差，而且將相位大小轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。這些方法都是利用類比或數(shù)位的方式來比較測試信號和參考信號的相位差以測量相位。
另一方面，在奈米級的精密測量領(lǐng)域中，多以光的波長及光波間的干涉作為比對的基準，將所測量相位(phase)的變化應(yīng)用在位移、角度、速度、長度、振動或其他相關(guān)物理量的測量上。由于激光(Laser)在時間與空間方面的高相干性，所以在這類干涉儀中都是以激光當(dāng)作光源。光學(xué)外差干涉儀以測量相位應(yīng)用在位移、角度、速度、長度、振動等物理量的精密測量已經(jīng)相當(dāng)成熟。但諸如溫度等環(huán)境因素的變化，都會造成光學(xué)外差干涉儀的相位測量精度降低。因此，光學(xué)外差干涉儀的架構(gòu)必須滿足光學(xué)共同路徑(optical common path configuration)使環(huán)境因素保持在相同狀態(tài)，才可使相位免受外界環(huán)境的干擾。
以往的偏振光學(xué)共同路徑外差干涉振動儀，在光學(xué)路徑的配置方面不但運用Mach-Zehnder干涉儀，并突破、改良以往技術(shù)，卻因最終感測相位差時，是藉由鎖相回路(phase lock loop)，例如相位檢測儀(phase sensitive detector)，鎖相放大器(lock-in amplifier)等方法來測量相位大小，造成測量相位或多普勒頻率反應(yīng)的速率較慢，對于相位測量所要求的高精密度和快速反應(yīng)的能力無法同時兼顧，以致嚴重限制此類外差干涉儀的功能。
本發(fā)明的目的在于提供一種相位解調(diào)裝置，將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制信號，并以振幅調(diào)制信號的振幅大小來測量相位，以即時及靈敏地測量相位。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種相位差即時測量裝置，將來自激光外差干涉儀的光學(xué)信號藉由差動放大器處理、并以振幅調(diào)制方式輸出，以迅速反應(yīng)。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種應(yīng)用相位差即時測量裝置的非接觸式偏振光外差干涉相位即時測量系統(tǒng)，達到高精度即時測量效果。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種應(yīng)用相位差即時測量裝置的非接觸式偏振光外差干涉相位即時測量系統(tǒng)，使所度量的相位變化幅度甚大時，可以簡單計數(shù)方式定量測量其變化。
本發(fā)明的又再一目的在于提供一種應(yīng)用相位差即時測量裝置的非接觸式偏振光外差干涉相位即時測量系統(tǒng)，可明確區(qū)別度量相位的變化是朝向增加或是減少方向。
本發(fā)明的特征在于利用差動放大器將兩個相同振幅之相位調(diào)制測試信號和相位調(diào)制參考信號相減并放大，或?qū)碜酝獠罡缮鎯x的光學(xué)信號以差動放大器相減并放大，不但降低背景噪聲，更將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制信號，而以振幅解調(diào)裝置即時量取振幅大小，可借由直接度量其振幅大小而界定相位變化，和進而求得相位差值，有效提高測量的速率及靈敏度。
本發(fā)明相位解調(diào)裝置，是用以測量一固定載波頻率的相位調(diào)制測試信號Is(ωt)=2k1cos(ωt+φs)和一相同載波頻率的相位調(diào)制參考信號Ir(ωt)=2k2cos(ωt+φr)之間彼此的相位差，其中Δφ=φs-φr，該兩相位調(diào)制信號分別包括載波頻率和時間乘積項，以及相位項的函數(shù)。該測量裝置包括二自動增益控制裝置，分別用來調(diào)整該二相位調(diào)制信號的振幅，使該二相位調(diào)制信號的振幅大小相等(k1=k2=k)。一差動放大器，將分別來自該二自動增益控制裝置的二相位調(diào)制信號相減并放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，該輸出信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)，以及相位差函數(shù)的乘積。一信號處理裝置，包括一振幅解調(diào)裝置，用以解調(diào)及度量該差動放大器輸出的振幅調(diào)制輸出信號的振幅大小和/或其變化量。
本發(fā)明的相位差測量裝置，用以測量由一偏振光學(xué)外差干涉儀的兩束相互垂直線偏振光學(xué)信號分別轉(zhuǎn)換出的電信號，該外差干涉儀的二束光學(xué)信號中的至少一束包含照射至一待測物所得的反射光，且各該光學(xué)信號的光強度大小相等，并分別包括頻率差與時間乘積項、以及相位差項的函數(shù)。該測量裝置包括一差動放大器，供二電信號輸入并相減和放大，由此，獲得包括頻率差與時間乘積的正弦函數(shù)、以及其與相位差正弦函數(shù)的乘積。一信號處理裝置，用以度量相位差函數(shù)的振幅和/或其變化量。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明，附圖中

圖1是本發(fā)明第一較佳實施例的相位解調(diào)裝置的示意圖。
圖2是本發(fā)明第二較佳實施例的單頻穩(wěn)頻激光線偏振光共同路徑外差干涉儀的示意圖。
圖3是本發(fā)明第三較佳實施例的雙頻相互垂直線偏振光外差干涉儀的示意圖。
圖4是圖3的偏振光分析片造成P波與S波干涉的示意圖。
圖5是本發(fā)明第四較佳實施例的單頻穩(wěn)頻激光偏振光共同路徑環(huán)形外差干涉儀的示意圖。
圖6是本發(fā)明第五較佳實施例的雙頻相互垂直線偏振光環(huán)形外差干涉儀的示意圖。
圖7是本發(fā)明第六較佳實施例的單頻穩(wěn)頻激光線偏振光共同路徑環(huán)形光纖外差干涉儀的示意圖。
圖8是本發(fā)明第七較佳實施例的單頻穩(wěn)頻激光邁克爾孫干涉儀的示意圖。
圖9是本發(fā)明第二較佳實施例的實驗結(jié)果。
如圖1所示，本發(fā)明的相位差解調(diào)裝置，是將相位調(diào)制測試信號Is(ωt)=2k1cos(ωt+φs)和相位調(diào)制參考信號Ir(ωt)=2k2cos(ωt+φr)分別經(jīng)由以載波頻率為中心頻率的帶通濾波器10、11過濾后，各自輸入對應(yīng)的自動增益控制器(automatic gain control,AGC)12、13中，(k1,k2)分別為相位調(diào)制測試信號和相位調(diào)制參考信號的振幅大小，(φs,φr)分別為相位調(diào)制測試信號和相位調(diào)制參考信號的相位，而自動增益控制器是與一般的構(gòu)造相同，所以在此不再詳細敘述，經(jīng)由自動增益控制器12、13，使得兩信號的振幅大小相等，也就是k1=k2=k。則所測量的相位調(diào)制測試信號Is和相位調(diào)制參考信號Ir可分別表示為Is(ωt)=2k1cos(ωt+φs)與Ir(ωt)=2k2cos(ωt+φr)。再分別將相位調(diào)制測試信號Is和相位調(diào)制參考信號Ir中的相位偏移12(φs-φr),]]>則可分別再表示成Is(ωt)=2kcos[ωt+12(φs-φr)]]]>和Ir(ωt)=2kcos[ωt-12(φs-φr)]]]>。將這兩信號輸入到差動放大器(differential amplifier)14，將兩個載波頻率相同且振幅大小相等的相位調(diào)制信號相減并放大，則輸出信號可寫成Iout(ωt)=|4γksin(Δφ2)|sin(ωt),]]>Δφ=(φs-φr),γ為差動放大器的增益(gain)。這時候，相位變化Δφ可經(jīng)過一信號處理裝置15，利用振幅大小|4γksin(Δφ2)|]]>的關(guān)系計算得出如|Δφ|＜10°，則因為sinx≌x，輸出信號可寫成Iout(ωt)=|4γkΔφ| sin(ωt)，由于此振幅大小直接正比于Δφ，因此，可順利將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制信號(amplitudemodulation,AM)，由該信號處理裝置15中的振幅解調(diào)裝置150即時測量相位大小，不但大幅度提高測量的反應(yīng)速度，而且因為振幅大小和要測量的相位信號|sin(Δφ2)|]]>成正比，并放大4γk倍，同步使得相位測量的靈敏度大幅提高。
該信號處理裝置15中包含一相位比較器151，可將自動增益控制器12、13所輸出的相位調(diào)制測試信號和相位調(diào)制參考信號的相位相互比較，而即時區(qū)別Δφ的正負值，并分辨Δφ的變化方向。該信號處理裝置15中也可包括一電子計數(shù)器152，當(dāng)測量的相位差可表示成Δφ=2nπ+δ，n，為整數(shù)，且0＜δ＜π時，則由該電子計數(shù)器152紀錄n個脈沖信號，配合振幅大小|4γksin(δ2)|]]>直接測量相位差δ，將相位測量范圍可由參數(shù)(n,δ)而有效延伸。
此外，因Iout的振幅大小是|2γkΔφ|，本實施例的信號處理裝置15也可提供一控制信號(error signal)，隨時回饋控制使得相位歸零(nulling)而達到控制的目的。另如將輸出信號的振幅大小經(jīng)過信號處理裝置15中的微分電路153將振幅大小對時間微分，則ddt|2γkΔφ|=2γkd(Δφ)dt=2γkωS,]]>本發(fā)明可即時測量信號的瞬間頻率ωs而擁有頻率解調(diào)的功能，其測量靈敏度可提高2γk倍，測量反應(yīng)也大幅提高。另一方面如能預(yù)先設(shè)定相位偏差(bias)Δφ0，則輸出信號可寫成Iout(ωt)=|4γksin(Δφ+Δφ02)sin(ωt),]]>所以可在0＜Δφ0＜π間預(yù)先設(shè)定固定的相位差值Δφ0來量取相位信號Δφ。當(dāng)設(shè)定Δφ0=π2,]]>|Iout|對Δφ0形成中心對稱，可進一步由|Iout|的振幅大小變化而確定Δφ的變化方向。
當(dāng)處理的信號來源是由光學(xué)外差干涉儀而來的光學(xué)信號時，本發(fā)明的相位差測量裝置可配合以往所述的偏振光學(xué)共同路徑外差干涉儀共同運作，構(gòu)成本發(fā)明外差干涉測量系統(tǒng)的第二較佳實施例，如圖3所示，由一光源(在本例中是以一線偏振光單頻穩(wěn)頻氦氖激光為例)20射出的偏振光經(jīng)一偏振角度調(diào)整裝置，如本實施例中的半波片(λ/2 wave plate)21調(diào)整其偏振角度，再經(jīng)分光片231將激光分成入射至待測物90的信號光束L1、及用以對照的參考光束L2。
該信號光束L1及參考光束L2分別經(jīng)過一個頻率調(diào)整裝置，在本例中分別為一聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator,AOM)241、242，各聲光調(diào)制器241、242系分別受其驅(qū)動器251、252致動，而使該信號光束L1的頻率經(jīng)過聲光調(diào)制器241微幅改為ω1，該信號光束L2的頻率經(jīng)過聲光調(diào)制器242微幅改為ω2，由此，分光后兩光束的頻率將產(chǎn)生可區(qū)隔的稍微頻率差Δω。當(dāng)然，如一般熟知此技術(shù)可知，此處的頻率調(diào)整裝置，可以電光調(diào)制或其他任何類似裝置達成。
該信號光束L1再經(jīng)一分光片232與偏振光分光片261，將電磁場震蕩方向相互垂直的P1波和S1波分開，且其中至少一束是由待測物90反射(在本實施例中是將P1照射至待測物90而取其反射光，S1則由平面反射鏡272反射)，再經(jīng)該偏振分光片261與分光片232反射及轉(zhuǎn)向后，與單純受反射鏡271反射的參考光束的P2波和S2波在分光片233處重合。
至偏振光分光片262處，再將彼此相垂直的外差干涉P波(P1+P2)信號及外差干涉S波(S1+S2)信號重新分離，并以兩個光檢測器281、282分別檢測線偏振外差干涉P波(P1+P2)信號、及外差干涉S波(S1+S2)信號并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。此P波及S波轉(zhuǎn)換的電信號，分別經(jīng)以Δω=ω1-ω2為中心頻率的帶通濾波器291、292，以濾出固定頻率的干涉信號，得到如下結(jié)果IP1+P2(Δωt)=2IP1IP2cos(Δωt+ΔφP)···········(1)]]>IS1+S2(Δωt)=2IS1IS2cos(Δωt+ΔφS)········(2)]]>由差動放大器(differential amplifier)30將所構(gòu)成的電信號相減并放大后輸出為Iout。其中Iout(Δωt)=γ[IP1+P2(Δωt)+IS1+S2(Δωt)………………………(3)(IP1,IP2)分別為P1波及P2波之強度大小。(IS1,IS2)分別為S1波及S2波之強度大小。ΔφP為P1波及P2波的相位差，ΔφS是S1波及S2波的相位差。Δω為外差干涉之差頻。γ為動放大器的增益。
當(dāng)反復(fù)調(diào)整該半波片21的方位角(azimuth angle)θ而使得IS1IS2=IP1IP2=K]]>時，上述兩組相互垂直的線偏振外差干涉信號中的P波信號將變?yōu)镮P1+P2(Δωt)=2Kcos(Δωt+ΔφP)…………………………………(4)S波信號將變?yōu)镮S1+S2(Δωt)=2Kcos(Δωt+ΔφS)…………………………………(5)
通過將該二干涉信號同時座標平移12(ΔφP-ΔφS),]]>則式(1)與式(2)分別變?yōu)镮P1+P2(Δωt)=2IP1IP2cos(Δωt+12(ΔφP-ΔφS)]]>與IS1+S2(Δωt)=2IS1IS2cos(Δωt-12(Δφp-Δφs)]]>。此時，差動放大器將IP1+P2(Δωt)與IS1+S2(Δωt)兩外差干涉信號相減并且放大所輸出的信號Iout可寫成Iout(Δωt)=γ[IP1+P2(Δωt)-IS1+S2(Δωt)]=|4γKsin(Δφ2)|sin(Δωt)········(6)]]>其中Δφ=(ΔφP-ΔφS)為外差干涉P波及外差干涉S波的相位差，4γKsin(Δφ2)]]>為振幅大小。由第(6)式可知差動放大器30輸出的信號Iout(Δωt)屬于振幅調(diào)制(AM)信號，其載波頻率為Δω=ω1-ω2。(ω1,ω2)分別為Mach-Zehnder外差干涉儀中兩聲光調(diào)制器241、242的驅(qū)動頻率。
在本實施例中是以振幅解調(diào)器(amplitude demodulator；AD)310將所欲測量的相位Δφ信號由信號處理裝置31即時由量得的振幅大小號|4γKsin(Δφ2)|]]>計算出來。由此，當(dāng)待測物位置改變時，反射的P1分量將出現(xiàn)一相位移，此相位改變隨就呈現(xiàn)在最終輸出的振幅大小變化中。
當(dāng)然，如熟于此技術(shù)人員所能輕易理解，如將P1與S1互調(diào)，以S1入射至待測物，P1單純反射亦屬可選擇的實施態(tài)樣。尤其諸如測量磁碟機轉(zhuǎn)盤不同位置間的相對移動或振動，更可以P1與S1分別入射至待測物之不同部位而達成。而且，即便所提供的光源是彼此相互垂直的兩圓偏振分量，也可進行類似測量。
本發(fā)明相位差測量裝置雖只包括一差動放大器30及一信號處理裝置31，但在外差干涉測量領(lǐng)域中，差動放大器30一般只被用來降低兩信號間共有的噪聲，以備去除噪聲使用，通過本發(fā)明所揭露，差動放大器被用作一光-電轉(zhuǎn)換處理裝置，將第(1)式和第(2)式中的相位差(Δφ=ΔφP-ΔφS)直接以電信號之振幅調(diào)制呈現(xiàn)，并且該信號處理裝置31中至少包括一振幅調(diào)制信號解調(diào)裝置310。由此，不但由一般的相位測量方法轉(zhuǎn)換成測量振幅調(diào)制信號，使得欲測量的相位信號直接正比于振幅大小，顯著提高感測速率，并且當(dāng)相位Δφ的變化很小時，由sinx≌x的關(guān)系，則獲得的輸出電信號可化簡為4γKsin(Δφ2)≅2γKΔφ··········(7)]]>此時，所量得到的振幅大小與Δφ成正比，更由于振幅解調(diào)信號大小為2γKΔφ，因此度量的靈敏度將為相位差Δφ的2γK倍，此舉比以往利用鎖相回路等方法測量相位Δφ，在靈敏度上大幅提高。
此外，在結(jié)合反饋回路(feedback loop)32后，可利用諸如調(diào)控本實施例中所示的該反射鏡272前后位置，使相位變化Δφ維持在相位歸零(nulling)的條件下提供控制信號(error signal)，運用在Δφ≌0附近，該差動放大器30輸出的振幅信號大小和Δφ成線性關(guān)系，其斜率為2γK的特性，使能即時測量極小的相位變化量。當(dāng)然，此歸零控制也可藉由其他可行的替代方式實施。
也就是說，由于Δφ是外差干涉P波及S波的相位差，如外差干涉P波及S波分別來自測試點及參考點的相對位移、相對角度或其他如溫度、光折射率、電磁場等所造成相位變化的物理量。它可直接利用簡單、迅速且成熟的振幅解調(diào)技術(shù)，在極短時間內(nèi)即時獲得相位Δφ的大小，而分別求出相對應(yīng)的物理量。由此，本發(fā)明可廣泛的應(yīng)用在位移、角度、速度、長度、振動等即時測量以及其他相關(guān)的光學(xué)傳感器(optical sensor)中。
此外，本發(fā)明既可應(yīng)用在兩點相對小位移(small displacement)的測量，自然也可應(yīng)用在相對小角度(small angle)以及其他相關(guān)的物理量等極小變化的即時測量與控制。尤其可藉由在該信號處理裝置31中加一微分器(圖未示)，微分振幅解調(diào)信號dIoutdt=2γK·ddt[Δφ],]]>迅速獲得所測量相位的時間變化量d[Δφ(t)]dt]]>由ωD=d[Δφ(t)]dt]]>的關(guān)系，本發(fā)明可對小相位的瞬間變化造成多普勒頻率偏移ωD，以振幅調(diào)制信號大小測量多普勒頻率偏移ωD，其靈敏度可提高2γK倍，可即時測量被測試表面的微小振動。所以，本發(fā)明不但可應(yīng)用在振動及位移的即時測量，特別是在結(jié)合反饋回路并利用相位變化的敏感性而產(chǎn)生控制信號，可精確的鎖定在已設(shè)定的起始相位狀態(tài)而應(yīng)用在相關(guān)的領(lǐng)域中。
如上所述，因振幅調(diào)制信號大小正比于相位差的正弦函數(shù)|sin(Δφ2)|,]]>當(dāng)待測物所造成的相位變化過大，使Δφ可表示成2πn+δ時，也可在該信號處理裝置31中增設(shè)一電子計數(shù)器(up-and-down counter)312，有效對n個脈沖信號記數(shù)而將其所剩余的相位δ利用振幅大小4γKsin(δ2)]]>計算出來，其中n為整數(shù)，0＜δ＜π。因此，由參數(shù)(n,δ)，本發(fā)明不但可有效測量大范圍的相位變化，也可通過微分電路同時求出相位變化速率，應(yīng)用在速度、振動等物理量。
尤其為區(qū)別相位改變方向起見，更可在該信號處理裝置31中增設(shè)一相位比較器(phase comparator)311，將該二光檢測器281、282經(jīng)帶通濾波器291、292所輸出的外差干涉信號同時輸入該相位比較器311中，更可即時測量出Δφ的正負，達到區(qū)別相位變化方向的功效。
另一方面，考慮由該反饋回路32調(diào)整面鏡272的位置，改變S1的光程，也可將外差干涉P波及S波的相位差預(yù)先設(shè)定在Δφ(t=O)=△φ0的條件下，則最終的輸出信號為Iout(Δωt)=|4γKsin(Δφ+Δφ02)|sin(Δωt),]]>所以可在O＜Δφ0A＜π間預(yù)先設(shè)定固定的相位差值Δφ0來量取相位信號Δφ(t)。
此外，如圖3所示是本發(fā)明的第三較佳實施例，除前述以單頻氦氖激光作為光源，并經(jīng)分光的光學(xué)架構(gòu)外，也可采用兩相互垂直(orthogonal)線偏振(P波及S波)且不同頻率的激光(如Zeeman laser)40為光源，并經(jīng)分光片431將激光束分成參考光束(P2+S2)及信號光束(P1+S1)，參考光束中原本彼此相互垂直而無法干涉的P2分量及S2分量分別如圖4所示，經(jīng)偏振光分析片(analyzer)422更一一區(qū)分為相互垂直的二分量，由此，P2與S2在偏振光分析片422偏振方向分量相互干涉，構(gòu)成參考光的外差干涉信號，經(jīng)光檢測器482轉(zhuǎn)換為電信號，并以△ω=ωP-ωS。為中心頻率的帶通濾波器492濾波后輸入差動放大器50中。信號光束則經(jīng)過偏振光分光片461將S1波和P1波分光，在本實施例中是將P1入射至待測物91并經(jīng)待測物反射，S1則由平面反射鏡471反射，在偏振光分光片461合并及分光片432轉(zhuǎn)向后，再經(jīng)偏振光分析片421，同樣將相互垂直的P1分量及S1分量各自分為二垂直分量，在該偏振光分析片421偏振方向分量相互干涉，構(gòu)成信號光的外差干涉信號，也經(jīng)光檢測器481及帶通濾波器491送入差動放大器50中。其中，信號光的外差干涉信號如下式Isig(Δωt)=IP1+S1(Δωt)=IP1IS1sin2θScos(Δωt+Δφsig)·········(8)]]>其中，θs為信號光束中偏振光分析片421的偏振角。Δφsig=φP1-φS1]]>是S1與P1波的相位差?！鳓?ωP-ωS為P波的頻率ωP和S波的頻率ωS外差干涉所產(chǎn)生的差頻率。 和 分別為P1波和S1波的光強度。
同理，參考光的外差干涉信號則為Iref(Δωt)=IP2+S2(Δωt)=IP2IS2sin2θrcos(Δωt+Δφref)-----(9)]]>θr為參考光束中偏振光分析片422的偏振角，Δφref=φP2-φS2]]>是P2與S2波的相位差。調(diào)整信號光及參考光路徑中的偏振光分析片421、422的偏振角度θs及θr，使上述外差干涉信號振幅大小滿足IP1IS1sin2θS=IP2IS2sin2θr=2χ]]>的關(guān)系。則上述Iref(Δωt)與Isig(Δωt)分別可改寫為Isig(Δωt)=IP1+S1(Δωt)=2χcos(Δωt+Δφsig)……………(10)Iref(Δωt)=IP2+S2(Δωt)=2χcos(Δωt+Δφref)……………(11)經(jīng)過將該二干涉信號同時座標平移12(Δφsig+Δφref),]]>則式(10)與式(11)分別變?yōu)镮sig(Δωt)=2χcos(Δωt+12(Δφsig-Δφref)]]>與Iref(Δωt)=2χcos(Δωt-12(Δφsig-Δφref)]]>。輸入差動放大器50相減并放大后，可寫成Iout(Δωt)=γ[Iref(Δωt)-Isig(Λωt)]=|4γχsin(Δφ2)|sin(Δωt)·····(12)]]>其中Δφ=Δφref-Δφsig為參考光束和信號光束的相位差，γ為差動放大器50的增益。
當(dāng)然，此處也通過一反饋回路52調(diào)整面鏡471位置、改變S1波的光程，將外差干涉信號波(P1+S1)及外差干涉參考波(P2+S2)的相位差設(shè)定在Δφ(t=0)=Δφ0，使差動放大器輸出信號Iout(Δωt)=|4γχsin(Δφ+Δφ02)|sin(Δωt)]]>中Δφ0可被設(shè)定在0＜Δφ0＜π范圍內(nèi)，而相位信號Δφ(t)的變化以Δφ0為基點(bias)，從而可區(qū)別相位變化的方向。此外，當(dāng)外差干涉信號波(P1+S1)及外差干涉參考波(P2+S2)的相位差滿足sin(Δφ2)≅Δφ2]]>時，則Iout(Δωt)=|2γχΔφ|sin(Δωt)。振幅調(diào)制信號Iout(Δωt)之振幅大小為相位信號Δφ的2γχ倍，并以Δφ=0為基點。
又，當(dāng)外差干涉信號波(P1+S1)及外差干涉參考波(P2+S2)的相位差Δφ=2nπ+δ,n為整數(shù)且0＜δ＜π時，則可在信號處理裝置中增一電子計數(shù)器(圖未示)，紀錄n個脈沖信號，配合振幅大小|4γχsin(δ2)|,]]>直接測量相位差δ，因此由參數(shù)(n,δ)可延伸相位測量的范圍。此后，如同前一實施例的配置，在該差動放大器50之后放置包括一振幅解調(diào)裝置510的一信號處理裝置51，便可將原始相位差的信號以電信號的振幅呈現(xiàn)，有效加快測量速率、并提高感測靈敏度。
如圖5所示，當(dāng)將第二較佳實施例中信號光束L1經(jīng)過頻率調(diào)制裝置241微幅調(diào)整其頻率后，偏振分光片263將信號光束的P1波分量和S1波分量分離，分別以相反方向進入作為待測物的一環(huán)形光路組件，在本實施例中該環(huán)形光路組件是以三片平面反射鏡273、274、275直角反射，所共同組成供信號光束傳輸?shù)囊画h(huán)形光路，信號光束中的P1波與S1波分別經(jīng)過該環(huán)形光路的相反方向傳播，重新在偏振分光片263處重合，并再由該分光片233將參考光束和信號光束重合而相互干涉。一旦該環(huán)形光路旋轉(zhuǎn)，而造成P1波與S1波之光程改變而造成測量的相位改變，由此構(gòu)成一共同路徑環(huán)形外差干涉儀(Ring Interferometer)，以量出該環(huán)形干涉儀所在的環(huán)境轉(zhuǎn)動或改變。同前述原理，由差動放大器所輸出的信號可寫成Iout(Δωt)=|4γΘsin(Δφ2)|sin(Δωt)·······(13)]]>其中，Θ為外差干涉P波和外差干涉S波的振幅大小，Δφ是P1波和S1波在環(huán)形光路中所產(chǎn)生的相位變化。當(dāng)Δφ≈0時，第(13)式將可表示為Iout(Δωt)=|2γΘΔφ|sin(Δωt)……(14)由此，該差動放大器30輸出的信號振幅大小和測量的相位差成正比，并可如同前述實施例，通過一反饋回路提供一控制信號，隨時歸零該相位變化，而提供精確控制相位變化的能力。其檢測靈敏度較直接量取Δφ增強2γΘ倍。
再如圖6所示，考慮將如第三較佳實施例中信號光束P1+S1經(jīng)過偏振分光片462將信號光束的P1波分量和S1波分量分離，分別以相反方向進入作為待測物的一環(huán)形光路組件，在本實施例中該環(huán)形光路組件是以三片平面反射鏡472、473、474直角反射，所共同組成供信號光束傳輸?shù)囊画h(huán)形光路，信號光束中的P1波與S1波分別經(jīng)過該環(huán)形光路的相反方向傳播，重新在偏振分光片462處重合，并再經(jīng)過該偏振光分析片421產(chǎn)生外差干涉，一旦環(huán)形光路產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)而造成P1波和S1波之光程改變而造成測量的相位改變由此構(gòu)成一雙頻偏振光環(huán)形外差干涉儀。同前述原理，由差動放大器50所輸出的信號Iout(Δωt)=|4γΓsin(Δφ2)|sin(Δωt)········(15)]]>其中Γ為外差干涉P波和外差干涉S波的振幅大小，Δφ是P1波和S1波在環(huán)形光路中所產(chǎn)生的相位變化。當(dāng)Δφ≈0時，第(15)式將可表示為Iout(Δωt)=|2γГΔφ|sin(Δωt)……………(16)由此，該差動放大器50輸出的信號振幅大小和Δφ成正比，并可輸出一控制信號，由此，如用于航空器的方向穩(wěn)定時，可藉該控制信號隨時回歸控制，使航空器在偏移預(yù)定航向時，立即被檢測出，并恢復(fù)預(yù)定航向、歸零該相位變化，而提供精確控制相位變化的能力。
如圖7所示，當(dāng)將圖5的環(huán)形光路以一偏振光狀態(tài)保留單模光纖(polarization maintain single mode optical fiber)60取代，將構(gòu)成一環(huán)形光纖干涉儀(fiber optical ring interferometer)，由此，也可應(yīng)用在即時測量角度旋轉(zhuǎn)、電磁場強度大小及控制等相關(guān)的光學(xué)傳感器中。當(dāng)然，此處所列舉的復(fù)數(shù)平面反射鏡、環(huán)形布設(shè)的光纖，都只為說明環(huán)形光路使用，并非作為限制條件。
當(dāng)然，本發(fā)明的相位差測量裝置也可配合如一般的邁克爾孫干涉儀應(yīng)用，如圖8所示，當(dāng)一光源(在本實施例中是以一線偏振光單頻穩(wěn)頻氦氖激光為例)70射出的線偏振光經(jīng)一偏振角度調(diào)整裝置，如本實施例中的半波片(λ/2 wave plate)71調(diào)整其偏振角度，再經(jīng)分光片731將激光分成入射至偏振分光片761的信號光束P1波加S1波及用以對照的參考光束P2波加S2波。信號光束P1波和S1波經(jīng)過該偏振分光片761分離后，分別以相反方向行經(jīng)過偏振光狀態(tài)保留單模光纖60構(gòu)成之一環(huán)形光路，再于該偏振分光片761處重合，經(jīng)反射鏡772到分光片732，光束P2波和S2則入射至一隨時間移動的反射鏡771，使得參考光束的頻率受該反射鏡771移動產(chǎn)生微幅變化，考慮當(dāng)該反射鏡771的移動速度為一固定值v0，則兩光束的頻率將產(chǎn)生可區(qū)隔的些微頻率差Δω=4πλv0=2ω0Cv0,]]>也就是固定速度位移的反射鏡771所產(chǎn)生的多普勒頻率。信號光束再于分光片732處與單純受反射鏡771反射的參考光束的P2波和S2波重合產(chǎn)生外差干涉。
至偏振光分光片762處，再將彼此相垂直的外差干涉P波(P1+P2)信號及外差干涉S波(S1+S2)信號重新分離，并以兩個光檢測器781、782分別檢測線偏振外差干涉P波(P1+P2)信號、及外差干涉S波(S1+S2)信號并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。此P波及S波轉(zhuǎn)換的電信號，分別經(jīng)以Δω=ω1-ω2為中心頻率的帶通濾波器791、792，以濾出固定頻率的干涉信號，得到如下結(jié)果IP1+P2(Δωt)=2IP1IP2cos(2kΔl(t)+ΔφP)·········(17)]]>IS1+S2(Δωt)=2IS1IS2cos(2kΔl(t)+ΔφS)········(18)]]>其中，k=2πλ]]>為信號光束的光程ls與參考光束的光程lr的光程差。當(dāng)調(diào)整該半波片71偏振角度，使IP1IP2=IS1IS2=ρ]]>時，分別將將式(17)與式(18)中的相位偏移12(ΔφP-ΔφS),]]>則式(17)與式(18)分別變?yōu)镮P1+P2(Δωt)=2IP1IP2cos(2kΔl(t)+12(ΔφP-ΔφS))········(19)]]>與IS1+S2(Δωt)=2IS1IS2cos(2kΔl(t)-12(ΔφP-ΔφS)·······(20)]]>由差動放大器80將該二信號相減并放大后輸出為Iout。其中Iout(Δωt)=γ|IP1+P2(Δωt)+IS1+S2(Δωt)|=|4γρsin(Δφ2)|sin(Δωt)·······(21)]]>
分別為P1波及P2波的強度大小。 分別為S1波及S2波的強度大小?！鳓誔為P1波及P2波的相位差，△φS是S1波及S2波的相位差。△ω為外差干涉之差頻。Y為差動放大器的增益。由式(21)可知該差動放大器80輸出的信號Iout(△ωt)屬于振幅調(diào)制(AM)信號，其載波頻率為△ω=ω1-2故本實施例中以振幅解調(diào)器81將所欲測量的相位即時由量得的振幅大小號4γρsin(Δφ2)]]>計算出來。當(dāng)然，以上所述的各種信號處理裝置，也可以配合本實施例使用無礙。
下一頁的圖表是依照圖3光學(xué)架構(gòu)完成即時測量相位變化的實驗結(jié)果。
其中待測物90系以壓電晶體推動的平面反射鏡，P1波和S1波分別入射到一反射鏡272及待測物90并反射，由改變反射P1平面反射鏡的位置即時測量振幅調(diào)制的振幅大小，所測得的實驗結(jié)果和第(6)式的理論預(yù)測相吻合，足以說明本相位測量方法的可行性及靈敏度。
尤其，上述所有元件裝置的架構(gòu)簡單、反應(yīng)速度加快，比以往的相位檢測裝置靈敏。
綜上所述，本實用發(fā)明是提供一種相位差測量裝置及應(yīng)用該裝置的外差干涉測量系統(tǒng)，藉助上述裝置，確實可將以往僅被用作濾除環(huán)境噪聲的差動放大器及信號處理裝置轉(zhuǎn)用于直接作為光學(xué)信號處理，有效將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為以振幅淵制信號呈現(xiàn)，達到有效加快相位測量速度、提高測量靈敏度、成本降低的效果。
權(quán)利要求
1．一種相位解調(diào)裝置，其特征在于用以測量一固定載波頻率的相位調(diào)制測試信號Is(ωt)=2k1cos(ωt+φs)和一相同載波頻率的相位調(diào)制參考信號Ir(ωt)=2k2cos(ωt+φr)之間的相位差，而Δφ=φs-φr，所述兩相位調(diào)制信號分別包括載波頻率和時間乘積項以及相位項的函數(shù)，所述測量裝置包括二個自動增益控制裝置，分別用來調(diào)整二相位調(diào)制信號的振幅，使二相位調(diào)制信號的振幅大小相等(k1=k2=k)；一差動放大器，將分別來自二個自動增益控制裝置的二相位調(diào)制信號相減并放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，所述輸出信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)以及相位差函數(shù)的乘積；一信號處理裝置，包括一振幅解調(diào)裝置，用以解調(diào)度量所述差動放大器輸出的所述振幅調(diào)制輸出信號振幅大小和/或其變化量，由此，所述差動放大器輸出信號中所包含的相位差Δφ和/或其變化量由振幅解調(diào)裝置自所述振幅調(diào)制輸出信號的振幅大小|4γksin(Δφ2)|]]>得出。
2．如權(quán)利要求1所述的解調(diào)裝置，其特征在于所述信號處理裝置還包括一相位比較器，用以比較上述的兩個相位調(diào)制信號之相位差并確認Δφ的正負值，以區(qū)別所述相位差Δφ的正負并辨別Δφ的變化方向。
3．如權(quán)利要求2所述的解調(diào)裝置，其特征在于所述信號處理裝置還包括一計數(shù)器，當(dāng)將所述相位差表示成Δφ=2nπ+δ，n為整數(shù)，且0＜δ＜π，則所述振幅調(diào)制輸出信號振幅大小|4γksin(Δφ2)|]]>被寫成|4γksin(δ2)|,]]>所述計數(shù)器用以記錄n個脈沖信號，并以(n,δ)表示所述相位差的變化，由此，延伸相位變化測量范圍。
4．如權(quán)利要求3所述的解調(diào)裝置，其特征在于所述信號處理裝置還包括一微分電路，用以將所述振幅解調(diào)輸出信號對時間微分，當(dāng)測量的相位差變化在0＜|Δφ|＜10°的范圍內(nèi)時，由所述微分電路將所述振幅調(diào)制輸出信號的振幅大小對時間微分，即d|Iout|dt=2γkd|Δφ|dt=2γkωs,]]>其中ωs=d|Δφ|dt,]]>以即時測量瞬間頻率。
5．如權(quán)利要求1所述的解調(diào)裝置，其特征在于所述解調(diào)裝置還包括一反饋回路，用以提供一控制信號，隨時使相位Δφ歸零(nulling)。當(dāng)相位差在0＜|Δφ|＜10°的范圍內(nèi)，輸出的振幅調(diào)制信號大小等于|2γkΔφ|，直接由振幅大小測量相位差Δφ，并放大2γk倍，
6．一種相位差測量裝置，其特征在于用以測量由一偏振光學(xué)外差干涉儀的兩束相互垂直線偏振光學(xué)信號分別轉(zhuǎn)換出的二電信號，所述外差干涉儀的所述二束光學(xué)信號中的至少一束，包含照射到一待測物的反射光，且各所述光學(xué)信號的光強度大小相等，并分別為包括頻率差與時間乘積項、以及相位差項的函數(shù)，所述測量裝置包括一差動放大器，供所述二電信號輸入并相減放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，所述信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)、以及相位差的函數(shù)的乘積；一信號處理裝置，包括一振幅解調(diào)裝置，用以解調(diào)度量所述差動放大器輸出的所述振幅調(diào)制信號振幅大小和/或其變化量。
7．如權(quán)利要求6所述的相位差測量裝置，其特征在于所述信號處理裝置還包括一計數(shù)器，當(dāng)所述相位差變化超過2π時，以所述計數(shù)器讀取所述相位差之變化中包含2π的若干整數(shù)倍。
8．一種外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于用以測量一待測物，它包括一相干性光源；一外差干涉儀，用以將來自所述相干性光源的光束分光為一信號光束及一參考光束，所述二光束包括相互垂直的二線偏振方向(P波及S波)分量，各所述光束間具有一頻率差，且所述信號光束的二分量中的至少一個，是包括被照射至上述待測物而得的光學(xué)信號，并相互干涉產(chǎn)生二組振幅大小相等，并分別包括所述頻率差與時間乘積項、以及相位差項之函數(shù)的外差干涉信號；二光檢測器，用以將所述二干涉信號分別轉(zhuǎn)換為一電信號輸出；一差動放大器，供所述二電信號輸入并相減放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，所述信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)、以及相位差的函數(shù)的乘積；一信號處理裝置，所述信號處理裝置包括一振幅解調(diào)裝置，用以解調(diào)度量所述差動放大器輸出的所述振幅調(diào)制信號振幅大小和/或其變化量。
9．如權(quán)利要求8所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源是一單頻穩(wěn)頻激光；所述外差干涉儀包含一偏振角度調(diào)整裝置、一分光裝置及二組頻率調(diào)制裝置；而所述信號處理裝置包含一振幅調(diào)制信號解調(diào)裝置；所述偏振角度調(diào)整裝置包括一二分之一波片，用以調(diào)整所述單頻穩(wěn)頻激光輸出的線偏振光束偏振角度；所述光束系經(jīng)由所述分光裝置分為上述參考光束及信號光束，并調(diào)整所述二分之一波片偏振角度，使所述二光束各所述分量的光強度滿足IP1IP2=IS1IS2=K]]>的要求；所述二光束的頻率分別由所述二頻率調(diào)制裝置調(diào)至彼此略有差異，致使所述各P波相互干涉產(chǎn)生一外差干涉P波信號IP1+P2(Δωt)=2Kcos(Δωt+ΔφP)、所述各S波亦相互干涉產(chǎn)生一外差干涉S波信號IS1+S2(Δωt)=2Kcos(Δωt+ΔφS)，且所述外差干涉P波信號與所述外差干涉S波信號的頻率相同、振幅大小相等，并分別為包括所述頻率差與時間乘積項、以及相位差項的函數(shù)；由此，所述差動放大器輸出信號中所包含的相位差Δφ項，由所述振幅解調(diào)裝置自所述振幅調(diào)制輸出信號之振幅大小|4γKsin(Δφ2)|]]>得出。
10．如權(quán)利要求9所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于包括一反饋回路，用以改變至少所述二光束的一分量的光程，以將所述外差干涉P波及S波的相位差Δφ維持在Δφ(t=0)=Δφ0原點附近之一范圍。
11．如權(quán)利要求9所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理裝置還包括用以比較所述二光檢測器輸出信號的一相位比較器，以區(qū)別所述相位差Δφ的正負，辨別所述待測物位置的變化方向。
12．如權(quán)利要求9所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理裝置還包括一計數(shù)器，當(dāng)界定所述相位差變化Δφ=2nπ+δ，則所述差動放大器輸出信號振幅大小|4γKsin(Δφ2)|]]>寫成4γKsin(δ2),]]>其中0＜δ＜π，n為整數(shù)，并以所述計數(shù)器紀錄n個脈沖信號，由(n,δ)讀取所述相位差的變化，由此，延伸相位變化的測量范圍。
13．如權(quán)利要求9所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號光束中彼此相垂直的P1波與S1波，是通過設(shè)置于所述信號光束光路中的一偏振分光裝置分離，以及所述待測物是一環(huán)形光路組件，所述偏振分光裝置位在所述頻率調(diào)制裝置下游，致使所述信號光束中彼此相垂直的P1波與S1波被所述偏振分光裝置分離，并反向行經(jīng)所述環(huán)形光路組件所構(gòu)成的一環(huán)形光路，再于所述偏振光分光裝置處重合，當(dāng)所述環(huán)形光路組件所處環(huán)境旋轉(zhuǎn)時，所述差動放大器輸出的相位差Δφ由所述振幅調(diào)制信號的振幅大小|4γΘsin(Δφ2)|]]>得出。
14．如權(quán)利要求13所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形光路組件包括復(fù)數(shù)平面反射鏡。
15．如權(quán)利要求13所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形光路組件包括一偏振光狀態(tài)保留單模光纖。
16．一種外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于是用以測量一待測物，包括一相干性光源；一外差干涉儀，用以將來自所述相干性光源的光束分光為一信號光束及一參考光束，所述二光束皆包括相互垂直的二線偏振方向(P波及S波)分量，各所述偏振方向分量間具有一頻率差，且所述信號光束的二分量中的至少一個，是包括被照射至上述待測物而得的光學(xué)信號，并相互干涉產(chǎn)生二組振幅大小相等，并分別包括所述頻率差與時間乘積項、以及相位差項之函數(shù)的外差干涉信號；二光檢測器，將所述二干涉信號分別轉(zhuǎn)換為一電信號輸出；一差動放大器，供所述二電信號輸入并相減放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，所述信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)、以及相位差的函數(shù)的乘積；一信號處理裝置，包括一振幅解調(diào)裝置，解調(diào)度量所述差動放大器輸出的所述振幅調(diào)制信號振幅大小和/或其變化量。
17．如權(quán)利要求16所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源是一雙頻率且相互垂直線偏振的激光，以在相互垂直的二方向中分別提供兩束頻率略有差異的線偏振激光束；所述外差干涉儀包含一分光裝置及二偏振光分析片；以及所述信號處理裝置包含一振幅調(diào)制信號解調(diào)裝置；來自所述光源的光束是經(jīng)所述分光裝置分為參考光束及信號光束，使所述參考光束包括線偏振方向相互垂直且彼此頻率略有差異的二分量P2及S2，而所述信號光束則包括線偏振方向相互垂直、彼此頻率略有差異的二分量P1及S1；所述信號光束的所述二分量P1、S1中至少一個是被照射至所述待測物，且所述參考光束及所述信號光束分別經(jīng)各所述對應(yīng)偏振光分析片，使彼此沿偏振光分析片偏振方向的各所述分量相互干涉，各所述偏振光分析片的方位角被調(diào)整，使各所述分量的光強度滿足IP1IS1sin2θS=IP2IS2sinθr=2χ]]>的關(guān)系，由此，所述信號光束產(chǎn)生一外差干涉信號波Isig(Δωt)=2χcos(Δωt+Δφsig)，所述參考光束也產(chǎn)生一外差干涉參考波Iref(Δωt)=2χcos(Δωt+Δφref)，且所述外差干涉信號波與所述外差干涉參考波的頻率相同、振幅大小相等，并分別為包括所述頻率差與時間乘積項、以及相位差項的函數(shù)；由此，所述差動放大器輸出信號中所包含的相位差Δφ項，由所述振幅解調(diào)裝置自所述振幅調(diào)制輸出信號的振幅大小|4γχsin(Δφ2)|]]>得出。
18．如權(quán)利要求17所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于包括一反饋回路，改變至少所述二光束的一分量的光程，將所述外差干涉P波及S波的相位差Δφ維持在原點Δφ(t=0)=Δφ0附近之一范圍。
19．如權(quán)利要求17所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理裝置還包括用以比較所述二光檢測器輸出信號的一相位比較器，由此區(qū)別所述相位差Δφ的正負，辨別所述待測物位置的變化方向。
20．如權(quán)利要求17所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理裝置還包括一計數(shù)器，當(dāng)界定所述相位差變化Δφ=nπ+δ，則所述差動放大器輸出振幅調(diào)制信號振幅大小|4γχsin(Δφ2)|]]>寫成4γχsin(δ2),]]>其中0＜δ＜π，并以所述計數(shù)器紀錄n個脈沖信號，由(n,δ)讀取所述相位差的變化，由此延伸相位變化測量范圍。
21．如權(quán)利要求17所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號光束中彼此相垂直的P1波與S1波，是通過設(shè)置于所述信號光束光路中的一偏振分光裝置分離，以及所述待測物是一環(huán)形光路組件，使所述信號光束中彼此相垂直的P1波與S1波被所述偏振分光裝置分離，并彼此反向行經(jīng)所述環(huán)形光路組件所構(gòu)成的一環(huán)形光路，再于所述偏振光分光裝置處重合，當(dāng)所述環(huán)形光路組件所處環(huán)境旋轉(zhuǎn)時，所述差動放大器輸出的相位差Δφ由所述振幅調(diào)制信號的振幅大小|4γΓsin(Δφ2)|]]>得出。
22．如權(quán)利要求21所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形光路組件包括復(fù)數(shù)平面反射鏡。
23．如權(quán)利要求21所述的外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形光路組件包括一偏振光狀態(tài)保留單模光纖。
24．一種外差干涉測量系統(tǒng)，其特征在于是用以測量一待測物，包括一相干性光源；一外差干涉儀，用以將來自所述相干性光源的光束分光為一信號光束及一參考光束，所述二光束皆包括相互垂直的二線偏振方向(P波及S波)分量，所述信號光束的二分量中的至少一個，是包括被照射至上述待測物而得的光學(xué)信號，所述參考光束則被照射至一移動反射鏡，使所述參考光束產(chǎn)生一多普勒頻率變化，并將所述二光束相互干涉產(chǎn)生二組振幅大小相等，并分別包括所述頻率差與時間乘積項、以及相位差項之函數(shù)的外差干涉信號；二光檢測器，將所述二干涉信號分別轉(zhuǎn)換為一電信號輸出；一差動放大器，供所述二電信號輸入并相減放大，以獲得一振幅調(diào)制的輸出信號，所述信號的振幅正比于包括頻率與時間乘積的函數(shù)、以及相位差的函數(shù)的乘積；一信號處理裝置，包括一振幅解調(diào)裝置，解調(diào)度量所述差動放大器輸出的所述振幅調(diào)制信號振幅大小和/或其變化量。
全文摘要
一種相位差測量裝置及應(yīng)用所述裝置的外差干涉測量系統(tǒng),利用差動放大器將兩個相同振幅的相位調(diào)制測試信號和相位調(diào)制參考信號相減并放大,或?qū)碜酝獠罡缮鎯x的光學(xué)信號以差動放大器相減并放大,不但降低背景噪聲,還將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制信號,以振幅解調(diào)裝置即時量取振幅大小,通過直接度量其振幅大小而界定相位變化,進而求得相位差值,有效提高測量的速率及靈敏度。
文檔編號G01J9/02GK1320812SQ0010705
公開日2001年11月7日 申請日期2000年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月24日
發(fā)明者周晟 申請人:周晟