專利名稱：光纖干涉式厚度測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明是關于一種厚度測量裝置及其測量方法，特別是一種光纖干涉式厚度測量裝置及其測量方法。
背景技術：
在一平面上量測一微凸點的厚度，是表面非破壞性檢測上經常遭遇的問題，在微凸點厚度很小時，如數微米(μm)至數十微米，常采用激光器做為光源，檢測反射光強度，以進行厚度的量測，此種強度式的檢測方式，常由于反射面粗糙度及反射率的不同，造成檢測上的誤差，因此有利用反射光形成干涉后，進行光相位差的檢取，而轉換成厚度的信息，但此種方式需利用到復雜且精密的光學鏡組，因而系統復雜且調校不易，同時對于空間上光傳導而言，要達成光相位的調變動作，進而降低光相位噪聲是相當困難的，因而系統價格昂貴。
發明內容為了克服現有技術中厚度測量裝置結構復雜、檢測易出現誤差的問題，本發明提供一種結構簡單、測量準確、可擺脫光強度變化而造成檢測誤差的光纖干涉式厚度測量裝置。
本發明還提供一種可擺脫光強度變化而造成檢測誤差的光纖干涉式厚度測量方法。
本發明解決技術問題所采用的技術方案是提供一光纖干涉式厚度測量裝置包括一測量光源、一光耦合器、兩光纖、一電光調制器、一光感知器，一信號處理器及一正弦信號產生器，其中，該測量光源的輸出端連接至光耦合器的輸入端，該光耦合器的輸出端分別連接該兩光纖的輸入端，該電光調制器設置在該兩光纖之一上，其利用電光效應將正弦信號產生器產生的正弦信號施加在傳輸的光信號上，該光感知器的輸入端連接至該光耦合器的輸入端，其接收經由兩光纖傳輸至光耦合器的包含厚度量測信息的干涉光信號，并將包含厚度量測信息的干涉光信號轉變成包含厚度量測信息的電信號輸出至信號處理器。
本發明解決技術問題所采用的技術方案的進一步改進是該信號處理器進一步包括一ω頻率濾波電路、一2ω頻率濾波電路及一比較放大器。
本發明的光纖干涉式厚度測量方法包括利用一測量光源、一光耦合器及兩光纖構成一光纖干涉儀；利用一正弦信號產生器產生一正弦信號輸入一電光調制器；該電光調制器利用電光效應調制該兩光纖之一，使其中傳輸的光信號產生一正弦光相位差；利用光感知器將該光信號轉變成對應的電信號并輸入一信號處理器。
相比現有技術，本發明的光纖干涉式厚度測量裝置利用邁克爾遜(Michaelson)光纖干涉儀的干涉光信號檢取架構，使得整體結構簡單、測量準確。本發明的光纖干涉式厚度測量方法利用干涉光相位差式檢取厚度信號，其較干涉光強度方式檢取可提高信號分辨率，使得測量準確；并且，本發明同時取出ω頻率及2ω頻率成份作相除方式的信號處理，可擺脫干涉光強度變化而造成的檢取信號誤差。
圖1是本發明光纖干涉式厚度測量裝置的第一實施方式的結構示意圖。
圖2是本發明光纖干涉式厚度測量裝置的第二實施方式的結構示意圖。
具體實施方式請參閱圖1，是本發明第一實施方式的光纖干涉式厚度測量裝置100。該光纖干涉式厚度測量裝置100包括一半導體激光器110、一光耦合器120、一第一光纖130、一第二光纖140、一電光調制器150、一光感知器160、一信號處理器170及一正弦信號產生器180。其中，該半導體激光器110的激光輸出端連接至光耦合器120的輸入端。該光耦合器120的輸出端分別連接第一光纖130及第二光纖140的輸入端。該第一光纖130與第二光纖140的輸出端各分別設置一光纖準直器131及141。該光纖準直器131及141固定在一微調基座190的水平支撐臂191上，分別對準量測基準面的二待測點。該微調基座190是位于待量測基準面上，可相對基準面作微調移動，進而調整二待測點的位置。該光纖準直器131的激光輸出面垂直對準基準面的待測物，該光纖準直器141的激光輸出面垂直對準基準面。該電光調制器150設置在該第二光纖140中間，其利用電光效應將正弦信號產生器180產生的正弦信號施加在第二光纖140傳輸的激光信號上，以實現對光信號的調制。該光感知器160的輸入端連接至該光耦合器120的輸入端，其接收經由第一光纖130與第二光纖140傳輸至光耦合器120的包含厚度量測信息的干涉光信號，并將包含厚度量測信息的干涉光信號轉變成包含厚度量測信息的電信號輸出至信號處理器170。該信號處理器170接收光感知器160輸入的包含厚度量測信息的電信號，并利用正弦信號產生器180產生的正弦信號進行計算處理，進而得出待測物的厚度信號輸出。
本發明的第一實施方式中，該半導體激光器110、光耦合器120、第一光纖130及第二光纖140共同構成一邁克爾遜(Michaelson)光纖干涉儀，其將待測基準面二點的反射光形成光干涉，此時待測物厚度d的線性信息以干涉光相位差的形式隱藏在光干涉信號中，即干涉光信號＝A(1+Bcos(Ф0+knd)) (1)式(1)中A，B是與反射光強度有關的常數；Ф0是光纖干涉儀固有光相位差，在此假設為0，k是波數(wave number)，n是介質折射率。但直接檢測該干涉光信號的光強度變化，并無法獲得厚度d的線性信號。
本發明的第一實施方式中，該電光調制器150、光感知器160及信號處理器170及正弦信號產生器180共同構成一信號處理單元，該信號處理單元的功能是將干涉光信號經信號處理后，擺脫干涉光強度變化及cosine函數的限制，直接獲得厚度d得線性信號，其描述如下(1)該正弦信號產生器180產生一sinωt信號輸入該電光調制器150，利用電光效應調制第二光纖140，使其中傳輸的光信號產生一光相位差sinωt，因此式(1)中干涉光信號變為干涉光信號＝A(1+Bcos(sinωt+knd)) (2)(2)將式(2)中的干涉光信號利用光感知器160將其轉變成對應的電信號，此電信號包含式(2)中的直流項、ω頻率項、2ω頻率項及許多ω高頻諧波項成份。
(3)式(2)經傅立葉(fourier)函數展開分解其頻率組成后，可得ω頻率項成份＝C sin nd，2ω頻率項成份＝C cos nd，其中C是一和干涉光強度有關的常數。
(4)該信號處理器170利用ω頻率濾波電路及2ω頻率濾波電路分別濾出正比于sin nd及cos nd的電壓信號后經一比較放大器比較后，可得一與干涉光強度無關而與tan nd呈線性關系的電壓信號。
(5)一般而言，式(2)中的nd數值很小，由三角函數可知，tan nd可近似成nd，因此得到厚度d的線性信號，達成對量測面進行厚度線性量測的目的。
請參考圖2，是本發明光纖干涉式厚度測量裝置200的第二實施方式的結構示意圖，其和第一實施方式的區別在于，該電光調制器250設置在該第一光纖230中間，其利用電光效應將正弦信號產生器280產生的正弦信號施加在第一光纖230傳輸的光信號上，以實現對光信號的調制。
本發明相對于現有技術，具有以下的有益效果本發明的光纖干涉式厚度測量裝置利用邁克爾遜(Michaelson)光纖干涉儀的干涉光信號檢取架構，使得整體結構簡單、測量準確。本發明的光纖干涉式厚度測量方法利用干涉光相位差式檢取厚度信號，其較干涉光強度方式檢取可提高信號分辨率，使得測量準確；并且，本發明同時取出ω頻率及2ω頻率成份作相除方式的信號處理，可擺脫干涉光強度變化而造成的檢取信號誤差。
權利要求
1.一種光纖干涉式厚度測量裝置，其包括一測量光源、一光感知器，其特征在于其進一步包括一光耦合器、兩光纖、一電光調制器、一信號處理器及一正弦信號產生器，其特征在于該測量光源的輸出端連接至光耦合器的輸入端，該光耦合器的輸出端分別連接二光纖的輸入端，該電光調制器設置在該兩光纖之一上，其利用電光效應將正弦信號產生器產生的正弦信號施加在該兩光纖之一傳輸的光信號上，該光感知器的輸入端連接至該光耦合器的輸入端，其接收經由兩光纖傳輸至光耦合器的包含厚度量測信息的干涉光信號，并將包含厚度量測信息的干涉光信號轉變成包含厚度量測信息的電信號后輸出至信號處理器。
2.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于該二光纖的輸出端各分別設置一光纖準直器。
3.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于該光纖準直器固定在一微調基座上。
4.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于該微調基座可作微調移動。
5.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于該測量光源是半導體激光器。
6.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于該信號處理器進一步包括一ω頻率濾波電路及2ω頻率濾波電路。
7.如權利要求1所述的光纖干涉式厚度測量裝置，其特征在于其中該信號處理器進一步包括一比較放大器。
8.一種光纖干涉式厚度測量方法，其包括利用一測量光源、一光耦合器及兩光纖構成一光纖干涉儀利用一正弦信號產生器產生一正弦信號輸入一電光調制器；利用該電光調制器調制該兩光纖之一，使其中傳輸的光信號產生一正弦光相位差；利用光感知器將該光信號轉變成對應的電信號并輸入一信號處理器。
9.如權利要求8所述的光纖干涉式厚度測量方法，其特征在于該信號處理器利用一ω頻率濾波電路及一2ω頻率濾波電路分別濾出正比于正弦厚度信號及余弦厚度信號的電壓信號。
10.如權利要求8所述的光纖干涉式厚度測量方法，其特征在于該信號處理器利用一比較放大器得到一與厚度呈線性關系的電壓信號。
全文摘要
本發明涉及一種光纖干涉式厚度測量裝置，其包括一測量光源、一光耦合器、一第一光纖、一第二光纖、一電光調制器、一光感知器，一信號處理器和一正弦信號產生器，其中，該測量光源連接至光耦合器，該光耦合器分別連接該兩光纖的輸入端，該電光調制器設置在該兩光纖之一上，該光感知器連接至該光耦合器，并將包含厚度量測信息的干涉光信號轉變成包含厚度量測信息的電信號輸出至信號處理器。相較于現有技術，本發明結構簡單，且信號分辨率高。本發明還涉及一種應用該光纖干涉式厚度測量裝置的測量方法。
文檔編號G01B11/06GK1796929SQ200410091869
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月25日 優先權日2004年12月25日
發明者林志泉 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司