激光在精密測量中的應(yīng)用

1、第六章 激光在精密測量中的應(yīng)用激光由于有優(yōu)異的單色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到應(yīng)用。例如，激光在加工工業(yè)中被用來完成打孔、焊接、切割、快速成型，在醫(yī)學(xué)中制造了激光手術(shù)刀、激光近視眼治療儀、激光輻照儀，在IT產(chǎn)業(yè)中大量用來做光通訊、光存儲、光信息處理的光源，在近代的科學(xué)研究中用于受控核聚變、光譜分析、操縱原子、誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)、乃至探索宇宙的起源，但是其最早期的應(yīng)用還是在計量領(lǐng)域。尤其因為它可以與自然基準(zhǔn)光的波長直接相聯(lián)系，實現(xiàn)高精度測量，在長度測量領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。以下本書將要對激光在各方面的應(yīng)用進行討論，本章首先介紹激光在精密測量中的應(yīng)用。激光的高度相干性使它一經(jīng)發(fā)明就成為替代氪86

2、作為絕對光波干涉儀的首選光源，經(jīng)過四十年的發(fā)展，激光干涉計量已經(jīng)走出實驗室，成為可以在生產(chǎn)車間使用的測量檢定標(biāo)準(zhǔn)，激光衍射測量也成為許多在線控制系統(tǒng)的長度傳感器。激光的良好方向性和極高的亮度不僅為人們提供了一條可見的基準(zhǔn)直線，而且為長距離的光電測距提供了可能。激光同時具有高亮度和高相干性使得光的多普勒效應(yīng)能夠在測速方面得到應(yīng)用。激光雷達(dá)則綜合應(yīng)用了激光的各方面的優(yōu)點，成為環(huán)境監(jiān)測的有力武器。6.1激光干涉測長干涉測量技術(shù)是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進行測量的一門技術(shù)。在激光出現(xiàn)以后，加之電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，隔振與減振條件的改善，干涉技術(shù)得到了長足進展。干涉測量技術(shù)大多數(shù)是非接觸測量，具有很高

3、的測量靈敏度和精度，而且應(yīng)用范圍十分廣泛。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫曾德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼格林干涉儀22-24等；70年代以后，具有良好抗環(huán)境干擾能力的外差干涉儀，如雙頻激光干涉儀25-27、光纖干涉儀也很快的發(fā)展了起來。激光干涉儀越來越實用，其性能越來越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也越來越緊湊。6.1.1 干涉測長的基本原理激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀（如圖6-1示）,用干涉條紋來反映被測量的信息。干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時，它們相互加強形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長

4、的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。兩束光的光程差可以表示為 (6-1)P光束1單模穩(wěn)頻He-Ne激光器光電計數(shù)器顯示記錄裝置待測物體激光束光束2光電顯微鏡邁克爾遜干涉儀M1M2可移動平臺圖6-1 激光干涉測長儀的原理圖式中分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率；分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。將被測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使反光鏡M2沿光束2方向移動，每移動半波長的長度，光束2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。通過對干涉條紋變化的測量就可以得到被測長度。被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是 （6-2）式（6-2）是激光干涉測長的基本測量方程。

5、從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測長系統(tǒng)進行基本誤差分析 （6-3）式中分別為被測長度、干涉條紋變化計數(shù)和波長的相對誤差。這說明被測長度的相對誤差由兩部分組成，一部分是干涉條紋計數(shù)的相對誤差，另一部分是波長也就是頻率的相對誤差。前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題，不是本書研究的內(nèi)容。后者除了與前面講過的激光穩(wěn)頻技術(shù)有關(guān)之外還與環(huán)境控制，即對溫度、濕度、氣壓等的控制有關(guān)。因此激光干涉測長系統(tǒng)測量誤差必須根據(jù)具體情況進行具體分析。6.1.2 激光干涉測長系統(tǒng)的組成 除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。激光光源一般是采用單模的He-Ne氣體

6、激光器，輸出的是波長為632.8納米的紅光。因為氦氖激光器輸出激光的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)激勵的方式運轉(zhuǎn)，在可見光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長的激光譜線，所以氦氖激光器特別適合用作相干光源。為提高光源的單色性，對激光器要采取穩(wěn)頻措施?？梢苿悠脚_攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測物體一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動。光電顯微鏡的作用是對準(zhǔn)待測物體，分別給出起始信號和終止信號，其瞄準(zhǔn)精度對測量系統(tǒng)的總體精度有很大影響。光電計數(shù)器則對干涉條紋的移動進行計數(shù)。顯示和記錄裝置是測量結(jié)果的輸出設(shè)備，顯示和記錄光電計數(shù)器中記下的干涉條紋移動的個數(shù)及與之對應(yīng)的長度，可以用

7、專用計算機或也可以用通用的PC機替代。邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。常用的分光器有分振幅平行平板分光器（圖6-1）和立方棱鏡分光器。其中立方棱鏡分光器上還可以膠合干涉儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，能與系統(tǒng)的機座牢固連接減少誤差。在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器（參見圖6-6B2），它由一對玻璃棱鏡相膠合而成，在其中一塊棱鏡的膠合面上蒸鍍偏振分光膜，得到高度偏振的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶軸正交的偏光棱鏡組成,如沃拉斯頓棱鏡。干涉儀中常用的反射器

8、件中最簡單的是平面反射器，這種器件的偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差，在采用多次反射以提高測量精度的系統(tǒng)或長光程干涉儀中此項誤差不可忽略。角錐棱鏡反射器（圖6-2a）的反射光與入射光反向平行，具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除偏轉(zhuǎn)帶來的誤差，是干涉儀中常用的器件。直角棱鏡反射器（圖6-2b）只有兩個反射面,加工起來比較容易，并只對一個方向的偏轉(zhuǎn)敏感。貓眼反射器（圖6-2c）由一個透鏡L和一個凹面反射鏡M組成，反射鏡放在透鏡的焦點處，若反射鏡的曲率中心C與透鏡的光心C重合，當(dāng)透鏡和反射鏡一起繞著C旋轉(zhuǎn)時，光程保持不變。貓眼反射器的優(yōu)點是容易加工和不影響偏振光的傳輸，而且在光程不太長時還可以用平面反射鏡代替凹

9、面反射鏡，更容易加工與調(diào)整。ABCOEF正入射斜入射LMCC(a)(b)(c)圖6-2 (a) 角錐棱鏡反射器；(b) 直角棱鏡反射器；(c) 貓眼反射器 激光干涉儀光路的總體布局也有若干可能的選擇。在激光干涉儀光路設(shè)計中，一般遵循共路原則，即測量光束與參考光束盡量走同一路徑,以避免大氣等環(huán)境條件對兩條光路影響不一致而引起的測量誤差。典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的常用的光路布局，如圖6-3示。圖6-3a中角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，這種光路可避免反射光束返回激光器，以免返回光束引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定。角錐棱鏡具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除測量鏡偏轉(zhuǎn)帶來的誤差。但

10、是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而且加工精度要求高，因此也可采用一個角錐棱鏡作為可動反射鏡（圖6-3b）。參考光路中還可用平面反射鏡作固定反射鏡。使用一個角錐棱鏡作可動反射器還可采用其他幾種光路。如圖6-3c所示的雙光束干涉儀，它也是一種較理想的光路布局，基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。其它光路布局還有整體式布局、光學(xué)倍頻布局、零光程差的結(jié)構(gòu)布局等，各有其特點和用途。(a)(b)(c)圖6-3 (a) 雙角錐棱鏡光路；(b) 單角錐棱鏡光路；(c) 雙光程光路激光干涉測長系統(tǒng)的另一個重要組成部分是干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)。干涉儀在實際測量位移時，由于測量反射鏡在測

11、量過程中可能需要正反兩個方向的移動，或由于外界振動，導(dǎo)軌誤差等干擾，使反射鏡在正向移動中，偶然有反向移動，所以干涉儀中需設(shè)計方向判別部分，將計數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖。當(dāng)測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為正脈沖，而反向移動時所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。將這兩種脈沖送入可逆計數(shù)器進行可逆計算就可以獲得真正的位移值。如果測量系統(tǒng)沒有判向能力，光電接收器接收的信號是測量鏡正反兩方向移動的總和，就不代表真正的位移值。另外為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進行細(xì)分。為達(dá)到這些目的，干涉儀必須有兩個位相差為90度的電信號輸出，一個按光程的正弦變化，一個按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部D1D2B

12、M2M1M2ID1D2圖6-4 機械法移相原理圖分。常用的移相方法有機械移相（圖6-4），翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差/2的干涉條紋的光強信號，該信號經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差/2的脈沖信號（圖6-5）。若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動時定為1、2、3、4，反向移動時定為1、4、3、2；后續(xù)的邏輯電路便可以根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4判斷脈沖的方向，并送入加脈沖門或減脈沖門，便實現(xiàn)了判向的目的。同時經(jīng)判向電路后，將一個周期的干涉信號變成四個脈沖輸出信號。實現(xiàn)干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應(yīng)的測量方程變?yōu)?（6-4）66

13、1233445566789sincossin-sin-coscos21431干涉條紋；2移相系統(tǒng)；3光電接收器；4放大器；5倒相 6微分電路；7可逆計數(shù)器；8計算機；9顯示器圖6-5 判向計數(shù)原理6.1.3 激光外差干涉測長技術(shù) 激光的發(fā)明和應(yīng)用使干涉測長技術(shù)提高了精度，擴大了量程并且得到了普及，但是使干涉測長技術(shù)走出實驗室進入車間，成為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制設(shè)備的是激光外差干涉測長技術(shù)，具體來講就是雙頻激光干涉儀。激光干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋變化頻率與測量反射鏡的運動速度有關(guān)，在從靜止到運動再回到靜止的過程中對應(yīng)著頻率從零到最大值再返回到零的全過程，因此光強轉(zhuǎn)化出的直流電信號的頻率變化范圍也是從零開始

14、的。這樣的信號只能用直流放大器來放大處理。但是在外界環(huán)境干擾下，干涉條紋的平均光強會有很大的變化，以至于造成計數(shù)的錯誤。所以一般的激光干涉儀抗干擾能力差，只能在恒溫防振的條件下使用。為了克服以上缺點，可以在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，使得干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用這種技術(shù)設(shè)計的干涉儀稱作外差干涉儀，或交流干涉儀。產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種，一種是使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個頻率差，這樣的兩束光相干的結(jié)果會出現(xiàn)光學(xué)拍的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號以后得到差頻的載波，另一種是在干涉儀的參考臂中對參考光束進行調(diào)制，與測量臂的光干涉直接

15、生成載波信號。前者稱為是光外差干涉，而后者常常稱作是準(zhǔn)外差干涉。本節(jié)以前一種原理的雙頻激光干涉儀為主來介紹激光外差干涉測長技術(shù)。雙頻激光干涉儀的光路如圖6-6所示，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光（常用的雙頻激光干涉儀把這一頻差設(shè)計成）。通過1/4波片后，和變成相互垂直的線偏振光，又被分束鏡分成兩束,其中一束反射到主截面與相互垂直的兩線偏振光偏振方向成45°的檢偏器，產(chǎn)生拍頻信號。光電探測器對兩倍光頻的和頻信號沒有響應(yīng)，接收到的只是頻率為的參考差頻信號。另一束光透過分束鏡向前傳播進入偏振分光棱鏡后，偏振方向垂直紙面的被完全

16、反射，偏振方向在紙面內(nèi)的完全透射。再經(jīng)由參考臂反射鏡和測量臂反射鏡反射回來合束，通過類似檢偏器的檢偏器，產(chǎn)生的拍頻信號被光電探測器接收。由于測量反射鏡以速度運動，光的多普勒效應(yīng)使由返回光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移（正負(fù)號取決于測量反射鏡的運動方向），接收到的測量信號頻率為。將測量信號與參考信號進行同步相減便得到多普勒頻移，多普勒頻移對測量時間積分，也就是說進行累計計數(shù)就可以測出測量反射鏡的位B11激光器M1M2B2P2D2P1D1V211/4波片122±1-21-(2±)2圖6-6 雙頻激光干涉儀光路圖移量。測量反射鏡運動產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為 （6-5）式中為光速，為光波長

17、。若測量所用時間為，則測量鏡的位移量可由下式計算 （6-6）式中為記錄下來的累計脈沖數(shù)。雙頻激光干涉儀的被測信號是作為頻率調(diào)制加在載頻之上的，一般應(yīng)小于載頻的三分之一，因此對應(yīng)的多普勒頻移不能超過，允許的最大測量速度約為。這樣一來，處理電路的工作頻率可以設(shè)定在之間，從而濾掉小于的全部噪聲。6.1.4 激光干涉測長應(yīng)用舉例28激光干涉測長除了測量長度還可以測量各種能夠轉(zhuǎn)化為被測長度的物理量,比如長度計量中的角度，再如壓力、溫度、折射率等。本節(jié)以角度和折射率測量為例來說明激光干涉測長的應(yīng)用。1. 激光測角激光測角的原理與小角度干涉儀類似,都是采用三角正弦原理。如圖6-7所示, 雙頻激光器發(fā)出的相互

18、垂直的線偏振光進入偏振分光棱鏡組1后被分離成為相距為R的兩個平行光束,分別射向角錐棱鏡組件2的角錐棱鏡和。平移一段距離后沿原方向返回，在分光棱鏡組上重新匯合，經(jīng)過檢偏器3和3 在光電接收器4和4 形成差頻信號。當(dāng)角錐棱鏡組件2移動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，角錐棱鏡和反射回來的光的多普勒頻移和不再相同，由此可通過下式得到被測的轉(zhuǎn)角 （6-7）雙頻激光干涉儀的測角分辨率為0.1,測量范圍可達(dá)。5675ABRL1233441偏振分光棱鏡組；2角錐棱鏡組；3、3檢偏器；4、4光電接收器；5、5放大器；6倍頻和計數(shù)卡；7計算機圖6-7 雙頻激光干涉儀測量角度原理圖2. 激光測氣體折射率激光測折射率也利用雙頻激光干

19、涉技術(shù)，其光路如圖6-8。從激光器發(fā)出的正交線偏振光在分光鏡的前后表面上分成兩束，每束均包含有兩種頻率。其中一束在真空室4中通過，另一束在真空室外通過，兩者相互平行，經(jīng)角錐棱鏡6返回。兩次在真空室中通過的光在1/4波片上經(jīng)過兩次，相當(dāng)于通過一次1/2波片，線偏振光的偏振面轉(zhuǎn)過90度。真空室內(nèi)外的兩束光在分光鏡上重新匯合后，又在偏振分光棱鏡1上分光。同方向的光振動被分到一個光電接收器上形成拍頻信號。得到的兩路拍頻信號的頻率分別為178223456921±n12±n11-2±n1-2±n圖6-8 雙頻激光干涉儀測量空氣折射率和（式中為抽氣造成的多普勒頻移）。

20、測量過程開始時，真空室內(nèi)外充以同樣的氣體，隨著抽氣的過程，真空室內(nèi)的氣體越來越少，最后變成折射率為1的真空狀態(tài)。測量結(jié)果就是氣體折射率造成的兩路光程差，根據(jù)已知的真空室長度不難計算出測量過程開始時的氣體折射率。設(shè)真空室長度為，激光在真空中的波長為，則被測氣體折射率可以用記錄下來的累計條紋數(shù)表示為 （6-8）實際上，上述方法可以用來對折射率變化做適時監(jiān)測，并可以進一步轉(zhuǎn)化為氣體溫度、壓力、濕度乃至氣體中某些成分變化的精密監(jiān)測。6.2激光衍射測量衍射是波在傳播途中遇到障礙物而發(fā)生偏離直線傳播的現(xiàn)象。由于光的波長較短，只有當(dāng)光通過很小的孔或狹縫，很小的屏或細(xì)絲時才能明顯的察覺到衍射現(xiàn)象。因此反過來，

21、當(dāng)觀察到明顯的衍射現(xiàn)象時，產(chǎn)生衍射的物體是很小的。這就告訴人們，衍射現(xiàn)象可以用作精密測量。但是觀察到明顯的衍射現(xiàn)象需要一個基本條件，即高度的相干性。用普通光源只能在條件很好的實驗室中才能觀察到可供測量的衍射圖象。激光發(fā)明后高度的相干性變得很容易獲得，因此衍射測量變成一種普通的可用于生產(chǎn)現(xiàn)場的精密測量手段。激光衍射測量方法同時具有非接觸、穩(wěn)定性好、自動化程度及精度高等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。 6.2.1 激光衍射測量原理光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射，前者是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即觀察屏到衍射物的距離比較小的情況，也稱

22、近場衍射。后者是無限距離處的衍射現(xiàn)象，在觀察屏離衍射物可以近似做無限遠(yuǎn)時才能觀察到，也稱遠(yuǎn)場衍射。因為透鏡的后焦面的共軛面就在無限遠(yuǎn)處，所以用透鏡可以觀察到準(zhǔn)確的夫瑯和費衍射。在實際的衍射測量系統(tǒng)中透鏡得到廣泛的應(yīng)用。用于衍射測量系統(tǒng)的衍射物通常只有兩種，一種是單縫，一種是圓孔。以下從介紹單縫和圓孔衍射測量原理29出發(fā)對激光衍射測量方法進行全面討論。1. 單縫衍射測量(1)單縫衍射測量的原理激光單縫衍射測量的基本原理是單縫夫瑯和費衍射，圖6-9為其原理圖。用激光束照射被測物與參考物之間的間隙，當(dāng)觀察屏與狹縫的距離L>>b2/時，形成單縫遠(yuǎn)場衍射,在觀察屏上看到清晰的衍射條紋。條紋的

23、光強可表示為 （6-9）式中, 為衍射角，是時的光強，即光軸上的光強。由上式可以得出，當(dāng)=±,±2,±n時，出現(xiàn)的一系列I=0的暗條紋。測定任一個暗條紋的位置及其變化就可以精確知道被測間隙b的尺寸及尺寸的變化，這就是衍射測量的基本原理。參考物被測物L(fēng)激光觀察屏IbI0圖6-9 衍射測量原理圖 (2)單縫衍射測量的基本公式對第k個衍射暗條紋有,即,當(dāng)不大時, （式中xk為第k級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離）。所以 （6-10）上式就是衍射測量的基本公式。當(dāng)用測量時，已知、 ，測定出第個暗條紋的，便可由上式算出間隙的精確尺寸。當(dāng)被測物體尺寸改變時，相當(dāng)于狹縫尺寸

24、改變，衍射條紋的位置也隨之改變,可得 （6-11）式中分別為起始縫寬和變化后的縫寬；分別為第個暗條紋的起始位置和變化后的位置。 (3)單縫衍射測量的分辨力、精度和量程測量分辨力是指激光衍射測量能分辨的最小量值，即測量能達(dá)到的靈敏度。把衍射測量基本公式改寫為再進行微分，得到衍射測量的相對靈敏度 （6-12）這表明縫寬越小、 越大、激光波長越長、所選取的衍射級次越高，則越小，測量分辨力越高，測量就越靈敏。如果取=1000mm，=0.1mm，=4，=0.63m，代入上式得到t=1/250。這就是說通過衍射，使的變化量放大了250倍。如果的測量分辨力是0.1mm，則衍射測量能達(dá)到的分辨力為0.4m。從

25、式（6-10）可知,衍射測量的測量精度決定于,和的測量精度。對其進行微分，用儀器的隨機誤差理論進行處理，可得到的衍射測量誤差 （6-13）式中為激光器輸出波長的變化量， 為觀察屏的位置誤差， 為衍射暗條紋位置的測量誤差。氦氖激光器波長穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-6, 可不予考慮，衍射測量誤差主要是和的測量誤差。一般情況下, 和不超過0.1%。如果取=1000mm，=0.63，k=3， =10mm，從前式得到b=±0.3。此時的狹縫寬度b=0.19mm，則b/b=±1.6×10-3。實際測量中還包括環(huán)境因素的影響，衍射測量可達(dá)到的精度一般在±0.5m左右。式（6-

26、12）表示的衍射測量相對靈敏度是激光衍射放大倍數(shù)的倒數(shù)。它說明縫寬越小，衍射效應(yīng)越顯著，光學(xué)放大比越大；縫寬越大，條紋密集，測量靈敏度低。實際上當(dāng)b>>0.5mm時，放大倍數(shù)太小，衍射測量就失去意義。另一方面為了滿足夫瑯和費衍射條件L>>b2/，L一定后，被測最大縫寬b已被限定，如果L=1000mm，則b<<0.8mm。說明增大L可以擴大量程，但L增大往往受儀器結(jié)構(gòu)和體積的限制。所以衍射測量儀器的量程一般為0.01到0.5mm。2.圓孔衍射測量當(dāng)平面光波照射的開孔為圓形時，其遠(yuǎn)場的夫瑯和費衍射像是中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。1232aPIf

27、´圖6-10 圓孔衍射1圓孔；2會聚透鏡；3接收屏圖（6-10）表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為 （6-14）式中J1(x)為一階貝賽爾函數(shù), 為激光波長, 為圓孔半徑, 為衍射角。當(dāng)J1(x)=0時可求得條紋極小值。衍射圖中央是亮斑（愛里斑），它集中了84%左右的光能量。設(shè)中心亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為，因,所以 （6-15）式中, 為會聚透鏡的焦距。當(dāng)已知和時，測定就可以由上式求出圓孔半徑。因此，測定愛里斑的大小或其變化可以精密地測定或分析微小內(nèi)孔的尺寸。6.2.2 激光衍射測量的方法22，23，28在實際應(yīng)用中，基于單縫衍射的各種測量方法大都根據(jù)式（6

28、-10）。而基于圓孔衍射的測量方法根據(jù)式（6-15），通過計算衍射暗條紋（暗環(huán)）間距來確定被測量。具體的測量方法有如下幾種。1. 間隙測量法參考邊激光b(a)激光b參考物R(b)參考邊激光b試件P(c)圖6-11 間隙測量法的應(yīng)用 (a) 比較測量；(b) 測量輪廓；(c) 測量應(yīng)變 間隙測量法基于單縫衍射的原理，是衍射測量的基本方法?？梢杂米鞒叽绲谋容^測量,如圖6-11（a）。先用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的工件相對參考邊的間隙作為零位，然后放上工件，測定間隙的變化量而推算出工件尺寸。還可作工件形狀的輪廓測量，如圖6-11（b）。同時轉(zhuǎn)動參考物和工件,由間隙變化得到工件輪廓相對于標(biāo)準(zhǔn)輪廓的偏差。也可以作為應(yīng)變

29、傳感器使用，如圖6-11（c）。當(dāng)試件上加載力P時，引起單縫的尺寸變化，從而可以用測量衍射條紋的變化得到應(yīng)變量。 間隙測量法可按式（6-10）通過測量xk來計算間隙寬度，也可通過測定兩個暗條紋之間的間隔值來得到間隙寬度。用間隙測量法測量位移時,即測量狹縫寬度b的改變量,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為 （6-16）式中，是通過某一固定的衍射角來記錄條紋的變化數(shù)目。因此只要測定N就能求得位移值。這種情況類似于干涉儀的條紋計數(shù)。間隙法作為靈敏的光傳感器可用于測定各種物理量的變化，如應(yīng)變，壓力，溫度，流量，加速度等。2. 反射衍射測量法反射衍射是利

30、用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的，圖6-12所示為其原理。在P點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應(yīng)滿足 （6-17）式中為入射的平行激光束與反射鏡之間夾角，為衍射角即由狹縫與反射鏡交點和P點連線與滿足反射定律的反射光線之間夾角。在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為 （6-18）式（6-18）表明，由于反射的原因，測量靈敏度提高了一倍。反射衍射技術(shù)主要用于表面質(zhì)量評定、直線性測定、間隙測定等方面。這種方法易于實現(xiàn)檢測自動化，其檢測靈敏度可達(dá)2.5-0.025m。AA2bbLIPXk12341棱緣；2鏡像棱緣；3反射表面；4接收屏圖6-12 反射衍射法原理圖3. 分離間隙法在實際測量中，常會遇

31、到組成狹縫的兩邊不在同一平面內(nèi)即存在一個間隔的情況。此時衍射圖出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋進行精密測量的方法稱為分離間隙法。分離間隙法的測量原理如圖6-13所示，測量出正負(fù)不同級次和上的暗條紋的位置和即可由下式計算出狹縫寬度和間隔P1xk1AA1123LP2b4zxk2A112圖6-13 分離間隙法原理圖 （6-19） 4. 互補測量法D1D2圖6-14 Babinet 互補屏激光互補衍射測量法的原理是巴俾涅定理。圖6-14所示為兩個互補衍射屏。用平面光波照射這兩個屏?xí)r，產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強完全相同，僅位相相差，這就是巴俾涅互補定理。利用互補原理

32、，可以對各種細(xì)金屬絲(如漆包線,鐘表游絲等)和薄帶的尺寸進行高精度的非接觸測量，其結(jié)果與測量狹縫相同。互補測量法測量細(xì)絲直徑的范圍一般是0.01-0.1mm，測量精度可達(dá)到0.05m。5. 愛里斑測量法123456789L1激光器；2被測孔；3分光鏡；4、6衍射圖；5、7光電接收器；8電壓比較器；9顯示器圖6-15 噴絲頭孔徑的Ariy斑測量原理基于圓孔夫朗和費衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。通常用愛里斑中歸一化光強的大小的測量來確定被測孔的直徑。圖6-15是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。測量儀器和被測件作相對運動，以保證每個孔順序通過激光束。通常不同的噴絲頭，其孔

33、的直徑約在10-90m范圍之內(nèi)。由激光器1發(fā)出的激光束，照射到被測孔2上，通過孔以后的衍射光束由分光鏡3分成兩部分，分別照射到光電接收器5和7上，兩接收器分別將照射在其上的衍射圖案4、6的光信號轉(zhuǎn)換成電信號送到電壓比較器8中。然后由顯示器9進行輸出顯示。通過微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量，可以認(rèn)為不隨孔的微小變化而變化。但是衍射圖案的強度分布(分布面積)是隨孔徑的變化而急劇改變的。因而，在衍射圖上任何給定半徑內(nèi)的光強度，即所包含的能量，是隨激光束通過孔的直徑變化而顯著變化的。因此，需使光電接收器5接收被分光鏡反射的衍射圖的全部能量，使它所產(chǎn)生的電壓幅度可以作為不隨孔徑變化的參考量。光電接收器

34、7只接收愛里斑圓中心的部分光能量，通常選取愛里斑圓面積的一半，其接收的光能隨被測孔徑的變化和愛里斑圓面積的改變而改變，從而輸出電壓幅值改變。電壓比較器將光電接收器5和7的電壓信號進行比較從而得出被測孔徑值。6.2.3激光衍射測量的應(yīng)用激光衍射測量的成功實例很多，這里只舉兩個例子加以說明。1. 薄膜材料表面涂層厚度測量薄膜材料表面涂層厚度測量是使用分離間隙法，圖6-16所示為其原理。被測件4是表面有可塑性涂層的紙質(zhì)材料或聚脂薄膜，滾筒6用于傳送被測薄膜。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)柱面透鏡2和3擴展，以寬度的入射光束照射由薄膜表面和棱緣7組成的狹縫。為便于安裝被檢薄膜，棱緣7和薄膜表面錯開一定距離；調(diào)

35、整柱面透鏡2和3之間的距離，使通過狹縫后的衍射光聚焦于預(yù)定距離處，衍射條紋16垂直于狹縫展開；光電探測器14由光電二極管組成，置于一給定的位置處，將衍射條紋的光強信號變換為電信號，并經(jīng)放大器13后，由顯示器10顯示。一般選取第二級或第三級暗條紋作為檢定定位條紋。調(diào)節(jié)棱緣7改變縫寬，使定位條紋進入光電二極管。測量開始時將沒有涂層的薄膜通過滾筒，調(diào)整顯示器使之為零。當(dāng)有涂層的薄膜通過滾筒時，狹縫寬度變小，條紋位置移動，顯示器顯示出涂層的厚度。利用測微計可以測出棱緣7的移動量，模擬涂層引起的縫寬的變化量，對儀器進行校準(zhǔn)。干涉濾光片15用來消除雜散光的影響，容性濾波網(wǎng)絡(luò)12起平均濾波作用，驅(qū)動馬達(dá)9由

36、探測電路控制，在儀器調(diào)整過程中，帶動棱緣移動直到對準(zhǔn)定位條紋。圖6-16薄膜材料表面涂層厚度測量顯示器顯示的是涂層厚度相對于標(biāo)準(zhǔn)涂層厚度的偏差，當(dāng)涂層厚度為標(biāo)準(zhǔn)值時，顯示為零。這種檢測儀可以穩(wěn)定的分辯出0.3m的變化。2. 薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互補測量法進行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則將引起測量誤差。只有當(dāng)薄帶面嚴(yán)格垂直于激光束光軸時，測得的值是準(zhǔn)確的帶寬，不允許薄帶有相對的轉(zhuǎn)動。因此，為了保證薄帶相對于激光束軸線的準(zhǔn)確位置，必須在薄帶的測量裝置中裝有定位裝置。圖6-17是薄帶寬度測量原理

37、圖。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡2和半反射鏡3轉(zhuǎn)向，照射在寬度為b，厚度為t的薄帶5上(b>>t)。在距離為L的接收屏上得到隨薄帶寬度b的尺寸而變化的衍射條紋6。通過測量條紋之間的間距s，求得薄帶寬度b。為保證薄帶和激光束互相垂直的準(zhǔn)確位置，薄帶表面的反射光通過半反半透鏡3照射到定位指示光電二極管4上，薄帶的轉(zhuǎn)動將引起光點在光電二極管上位置的變化，由其發(fā)出bt123456LsX2sk=+1k=-11激光器；2反射鏡；3半反半透鏡；4光電二極管；5被測薄帶；6衍射條紋bABC激光束圖6-17 薄帶寬度測量原理圖信號使調(diào)整機構(gòu)調(diào)整薄帶復(fù)位，達(dá)到準(zhǔn)確定位。如果選取中心亮條紋作為測量對象

38、，須測量k=+1和k=-1兩個暗點之間的距離。設(shè)此距離為X，則X=2s。當(dāng)L為足夠大時，帶寬的計算公式為 ，測得距離X或其變化量，即可求出帶寬b或其變化量。6.3 激光測距在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中，常常會遇到測量距離的問題。如在大地測量和地質(zhì)勘探中，需要測出兩個山頭之間的距離；在建造大橋時，則需要測量大江兩岸的間隔。而在軍事上，炮位的瞄準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離打擊等更離不開距離的正確測量。光電測距是較早提出的一種物理測距方法，早在四十年代末五十年代初就制成了光電測距儀并實際應(yīng)用于地面目標(biāo)之間距離的測量。但是，當(dāng)時的光電測距儀，受到了光源的亮度與單色性的限制，沒有能得到很大的發(fā)展。六十年代初期，激光的出現(xiàn)對光電

39、測距儀的發(fā)展起了極大的推動作用。激光亮度高、單色性好、方向性強、光束狹窄，是光電測距儀的理想光源。與其他測距儀（如微波測距儀、光電測距儀等）相比，激光測距儀30具有探測距離遠(yuǎn)、測距精度高，抗干擾性強、保密性好以及體積小、重量輕、重復(fù)頻率高等特點。在成功地進行了月球和人造地球衛(wèi)星的激光測距后，各種民用和軍用激光測距儀歷經(jīng)幾代的研究改進，現(xiàn)已大量用于實際工作中。不同于激光測長，激光測距測量的長度要大得多。若按測程劃分，激光測距大體有如下三類：短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量；中長程激光測距儀，測程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報等；遠(yuǎn)程激光測距儀，用于測量導(dǎo)彈

40、、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離。根據(jù)測量方法，激光測距又可分為脈沖測距法和相位測距法，前者測量精度比較低，適用于軍事及工程測量中精度要求不太高的場合；后者測量精度比較高，在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用。下面按照后一種分類分別介紹脈沖測距和相位測距。6.3.1激光脈沖測距1 激光脈沖測距原理因為光速是個常數(shù)，而光又沿著直線傳播，只要測量出光束在待測距離上往返傳播的時間就可以計算出兩點之間的直線距離。激光脈沖測距原理就是通過發(fā)射激光脈沖控制計時器開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間，完成測距的。其計算公式為： （6-20）式中d為待測距離；c為激光

41、在大氣中的傳播速度；t為激光在待測距離上的往返傳播時間。2 激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如圖（6-18）所示。它的工作過程大致如下：當(dāng)測距儀對準(zhǔn)目標(biāo)后，激光器就發(fā)出一個很強很窄的光脈沖。這個光脈沖經(jīng)過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡壓縮發(fā)散角。以紅寶石激光器為例，它的光束發(fā)散角一般是幾個毫弧度，經(jīng)過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，壓縮到零點幾個毫弧度。這樣的光脈沖射到十公里遠(yuǎn)的地方，只有幾米直徑的一個光斑。在光脈沖發(fā)射出去的同時，其中極小一部分光立即由兩塊反射鏡反射而進入接收望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過濾光片到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器變成電信號，亦即光脈沖變成電脈沖。這個電脈沖經(jīng)過放大整形后送入時間測量系統(tǒng)，使其開始記時。而射向目標(biāo)的光脈沖，由于

42、目標(biāo)的漫反射作用,總有一部分光從原路返回來，而進入接收望遠(yuǎn)鏡，它同樣也經(jīng)過濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、放大整形電路而進入時間測量系統(tǒng)，使其停止計時。時間測量系統(tǒng)所記錄的時間，再經(jīng)過計算在顯示器上直接給出測距儀到目標(biāo)的距離。3. 激光脈沖測距儀對光脈沖的要求 為了擴大測量范圍，提高測量精度，測距儀對光脈沖應(yīng)有以下要求：(1) 光脈沖應(yīng)具有足夠的強度。無論怎樣改善光束的方向性,它總不可避免的要有一定的發(fā)散,再加上空氣對光線的吸收和散射，所以目標(biāo)越遠(yuǎn)，反射回來的光線就越弱，甚至根本接收不到。為了測出較遠(yuǎn)的距離，就要使光源能發(fā)射出較高功率密度的光強。電 源激光器發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射激光反射鏡反射激光束接收望遠(yuǎn)鏡光電

43、元件放大整形時間測量顯示器濾光片圖6-18 激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)圖(2) 光脈沖的方向性要好。這有兩個作用，一方面可把光的能量集中在較小的立體角內(nèi)，以射得更遠(yuǎn)一些同時提高保密性；另一方面可以準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)的方位。(3) 光脈沖的單色性要好。因為無論是白天還是黑夜，空中總會存在著各種雜散光線，這些光線往往會比反射回來的光信號強的多。假如這些雜散光和光信號一起進入接收系統(tǒng)，那就根本無法進行測量了。圖（6-18）中的濾光片的作用是只允許光信號的單色光通過而不讓其他頻率的雜散光通過。顯然，光脈沖的單色性越好，濾光片的濾光效果也就越佳，這樣就越能有效的提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的精確性。(4)

44、光脈沖的寬度要窄。所謂光脈沖的寬度，是指閃光從“發(fā)生”到“熄滅”之間的時間間隔。光脈沖的寬度窄一點，就可以避免反射回來的光和發(fā)射出去的光重疊起來。由于光速很快，假如目標(biāo)離測距儀15km，則光脈沖往返一個來回只需要萬分之一秒，因此光脈沖的寬度要遠(yuǎn)小于萬分之一秒才能正常測量，若要測更近的距離，則光脈沖還要更窄才行。目前用于測距儀的激光器有紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器等多種。一般在遠(yuǎn)距離的測距儀中，常見的脈沖光源是固體激光器；近距離的測距儀則多用半導(dǎo)體激光器。4激光巨脈沖的產(chǎn)生 測距時用的光脈沖功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脈沖寬度在幾十毫微秒以下。這樣的光

45、脈沖通常叫做“巨脈沖”。但是，一般的激光脈沖并不是巨脈沖，它的寬度較大（約1ms左右），同時脈沖功率也不夠大，所以不能滿足測距要求。對激光器采用4.6節(jié)介紹的調(diào)Q技術(shù)可使之滿足測距要求。5距離顯示 脈沖測距中脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)來進行計時。圖（6-19）就是這種設(shè)備的方框圖。 當(dāng)發(fā)射的參考光脈沖進入接收器并轉(zhuǎn)變成電脈沖后，輸入圖（6-19）中的“主門”（主門電路），同時將主門打開。此時由石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖就經(jīng)過主門而進入計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)，同時數(shù)碼顯示器就不斷指示出計數(shù)器所記錄的電脈沖數(shù)。待到反射光脈沖信號進入接收器并轉(zhuǎn)變成電脈沖輸入

46、主門時，主門立即關(guān)閉，石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖信號不能再進入計數(shù)器，計數(shù)器也就停止計數(shù)。在顯示器上顯示出的數(shù)字，就是光脈沖從發(fā)出到返回這段時間里振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖數(shù)。它的一半再乘以光速就得到距離。主門計數(shù)器顯示器晶體振蕩器脈沖信號輸入圖6-19 脈沖計時方框圖激光脈沖測距儀測距精度大多為米的量級。因此，它適用于軍事及工程測量中精度要求不太高的某些項目。遠(yuǎn)距離的空間測量也都利用脈沖法，因為對遙遠(yuǎn)空間來說，測量誤差在米的量級，精度已經(jīng)相當(dāng)高了。6.3.2 激光相位測距1. 激光相位測距原理 相位測距是測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差q來間接測量傳播時間的。圖（6-20）所示激光相

47、位測距儀的光路與脈沖激光測距儀類似，只是光源不用脈沖激光器，而用強度被調(diào)制的激光器，可以是半導(dǎo)體激光器也可以是其他連續(xù)發(fā)光的激光器。這樣連續(xù)的調(diào)制光波在傳播過程中的調(diào)制相位不斷變化，每傳播等于調(diào)制波長的一段距離，相位就變化。所以距離d、光波往返相位差和調(diào)制波長之間的關(guān)系為 （6-21）He-Ne激光器調(diào)制器主控振蕩器參考混頻參考放大邏輯指令本機振蕩器光電倍增管測距信號放大電源變換器檢相器運算器指示器9999999發(fā)射接收圖6-20 激光測距儀原理方框圖 這里，相當(dāng)于一把測量用的尺，在相位測距中叫做測尺。就是距離d內(nèi)包括測尺長的數(shù)目。若令（其中N為正整數(shù)或0，是相位差中不足的尾數(shù)），并考慮到，則

48、（6-21）式可改寫為 （6-22） 需要指出，任何兩連續(xù)的調(diào)制信號之間相位差的測量方法都不能確定出相位差的整周期數(shù)，而只能測定其中不足的相位差的尾數(shù)。因此，式（6-21）中N是不能確定的，這樣d也就不能確定。換句話說，當(dāng)d大于測尺長時，僅用一把光測尺是無法測定距離的。 但是，當(dāng)d小于時，N0，于是（6-22）式變?yōu)?（6-23）這就是相位測距的基本公式，用這一公式就完全可以確定被測距離d。如果被測距離較長，可以選擇一個較低的調(diào)制頻率，使其相應(yīng)的測尺長度大于待測距離，這樣就不會出現(xiàn)d的不確定性。但是由于儀器的測相系統(tǒng)的測相靈敏度是有限的，一般在左右，對應(yīng)的測距靈敏度為，測尺長度大了測距靈敏度就

49、低，距離d的測量誤差增大。例如，當(dāng)測尺長為10m時會引起1cm的測距誤差；而測尺長為1000m時，所引起的測距誤差會達(dá)到1m。所以，要在儀器的最大測程內(nèi)保持測距d的確定性而選用的較低的測尺頻率，就會造成較大的測距誤差。為了解決這一矛盾，必須采用幾個長度不同的測尺配合使用。用較長的測尺粗測，用較短的測尺精測，這樣既可保證測量的確定性（單值性），又可保證較高的測距精度。通常測距儀都有一個基本測尺長度和若干個輔助測尺長度。基本測尺決定測量精度，又叫精測測尺；輔助測尺用來粗測，又叫粗測測尺。例如，選用兩把測尺，其中基本測尺長度而一個輔助測尺，用它們分別測量一段的距離。用可測得不足的尾數(shù)，用可測得不足的

50、尾數(shù)（因為測相靈敏度為，測量結(jié)果均給出三位有效數(shù)字），將二者組合起來，考慮到是重疊部分，于是就可得到。2. 分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率 一定的測尺長度對應(yīng)著一定的激光調(diào)制頻率，又叫做測尺頻率。測尺長度和測尺頻率之間的關(guān)系是 （6-24）式中c為光在大氣中的傳播速度。測尺頻率的選定有兩種方式：分散的直接測尺頻率方式和集中的間接測尺頻率方式。 分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率是直接和測尺長度相對應(yīng)的。例如選用兩把測尺和，則相應(yīng)選用的測尺頻率為（取c3×103m/s） 和 如果儀器的測程更長，在要求一定的測相精度和測距精度的情況下，就必須增加測尺的數(shù)目，因而測尺的頻率也要相

51、應(yīng)增加。表6-1列出了在測相精度為，測距精度為1cm，測程不大于100公里，測距儀可選擇的一組測尺長度和測尺頻率值。表中測尺頻率依次相差一個數(shù)量級，實際上，用三把測尺就可以完成精度為1cm，測程不大于100公里的距離測量。表6-1直接測尺頻率測尺長度Ls精度15MHz10m1cm1.5MHz100m10cm150KHz1km1m15KHz10km10m1.5KHz100km100m 從表6-1可以看出，在這種直接測尺頻率方式中各測尺頻率值相差較大，最大和最小測尺頻率之間竟相差一萬倍。因此我們又把這種直接測尺頻率叫做分散測尺頻率。由于高低頻率相差懸殊，使得放大器、調(diào)制器電路都難以對各測尺頻率都具有相同的增益及相位穩(wěn)定性。因此，多數(shù)儀器不采用這種測尺頻率方式，而是采用集中的間接測尺頻率方式。 所謂集中的間接測尺頻率方式使采用一組數(shù)值接近的調(diào)制頻率，間接獲得各個測尺的一種方法。下面說明其原理：假定用兩個頻率為和的光波分別測量同一距離，則由（6-22）式可得 （6-25） （6-26）在（6-25）、（6-26）兩式中和是分別對應(yīng)于和的測尺長度，和分別是利用測尺頻率為和的光波測距時得到的位相差中包括的整數(shù)倍數(shù)，和為相應(yīng)的位相差的尾數(shù)。由（6-25）、（6-26）兩式可得到 （6-27）令 （6-28） （6-29） （6-30）則（6-27）式可改寫為 （6-3