雙頻激光干涉儀的應(yīng)用

1、雙頻激光干涉儀的應(yīng)用(2010-03-01 21:55:22)標簽：雜談【摘要】：隨著 20 世紀 60 年代初激光的出現(xiàn)， 幾何量計量技術(shù)的發(fā)展步入了嶄新的時期。雙頻激光干涉儀正是利用激光具有頻率穩(wěn)定、 單色性好等優(yōu)點， 在幾何量計量領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。 雙頻激光干涉儀具有精度高、 應(yīng)用圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強、 實時動態(tài)測速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢， 成為幾何量計量活動的生力軍。 相比于激光干涉儀， 現(xiàn)代雙頻激光干涉儀擺脫了計量室的束縛， 在越來越廣闊的工程測量領(lǐng)域大顯身手。 因此，雙頻激光干涉的發(fā)明對計量事業(yè)的發(fā)展乃至整個科學事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。 本文根據(jù)雙頻激光干涉儀應(yīng)用

2、領(lǐng)域的最新發(fā)展，對雙頻激光干涉儀的應(yīng)用進行了簡要的總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】激光干涉儀測量 幾何量【引言】雙頻激光干涉儀的發(fā)明把幾何量計量發(fā)展推向了又一個高峰， 雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長度計量儀器，以其良好的性能、在很多場合，特別是在大長度與大位移的精密測量中得到廣泛應(yīng)用。就長度計量而言，通常將 200m以上的測量稱為距離測量（Distance Measurement ）， 3m以下的稱為一般長度測量， 3200m之間的測量稱為大尺寸測量(Large Dimension Measurement)1。雙頻激光干涉儀在一般長度精密測量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計量室

3、檢定量塊，量桿，刻尺和坐標測量機等，也可以在普通車間為大型機床的刻度進行標定， 既可以對幾十米的大量程進行精密測量， 也可以對手表零件等微小運動進行精密測量，既可以對幾何量如長度、角度直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。不僅在單純的長度計量領(lǐng)域，在其他工程技術(shù)領(lǐng)域， 雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也越來越廣泛， 不乏一些很有創(chuàng)見的應(yīng)用。關(guān)于雙頻激光干涉儀在解決某個工程測量問題的研究已經(jīng)有非常多的成功案例，以雙頻激光干涉儀為關(guān)鍵詞的學術(shù)論文不勝枚舉， 對雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，國外很多學者常常有很獨到的理解。 雙頻激光

4、干涉儀的應(yīng)用也不斷發(fā)展更新，所以，有必要對它的應(yīng)用做一些有益的總結(jié)， 使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，為推動生產(chǎn)發(fā)展提供一些理論依據(jù)。1，雙頻激光干涉儀的基本原理1.1干涉儀原理He-Ne激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展，激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點，激光干涉測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測系統(tǒng)如精密機械的控制、校正；大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測儀器中的定位檢測系統(tǒng)；微小尺寸的測量等2 。激光干涉儀分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀， 它們主要運用了光波干涉的原

5、理。在大多數(shù)激光干涉測長系統(tǒng)中， 都采用了邁克爾遜干涉儀或類似的光路結(jié)構(gòu) 3 。根據(jù)物理光學邁克爾遜雙光束干涉儀測長公式為式中： L被測長度；波長；K 干涉條紋數(shù)?？蓪ⅲ?1）式改寫為：式中：激光在真空中的波長；折射率。如圖 1 所示，光源 S 發(fā)出的光經(jīng)分光鏡 G1分成兩束，一束透過分光鏡入射到測量反光鏡 M2后返回，另一束反射后透過補償鏡 G2再入射到參考反射鏡 M1后返回，兩束光在分光鏡相遇發(fā)生干涉，干涉儀處于起始位置，其初始光程差為 2 （ Lm-Lc）/ ，對應(yīng)的干涉條紋為：式中：測量光路長度；參考光路長度。圖 1，干涉儀光路圖當反射鏡 M2移動到 M2時，設(shè)被測長度為d，那么于是可

6、以寫成： K=K2+K1，K1 為初始位置時的干涉條紋數(shù)， K2為測量條紋數(shù)。在實際測量中，通常取 K1=0，對應(yīng)測量長度 d 計數(shù)器得到的條紋數(shù) K=K2。1.2雙頻激光干涉儀原理雙頻激光干涉儀的原理是建立在塞曼效應(yīng)、牽引效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。其原理如圖 2 所示，在全腔 He-Ne激光器上加約 0.03T 的軸向磁場， 由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)， 發(fā)出一束含有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光， 它們的頻率差大約是 1.5MHz 左右。這束光經(jīng) 1/4 波片之后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經(jīng)平行光管準直和擴束。 從平行光管出來的這束光經(jīng)過析光鏡反射出一小部分作為參考光束通過 45&#

7、176;放置的檢偏器。并由馬呂斯定律可知，兩個垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光并產(chǎn)生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個光頻的差值即（ f1-f2 ），約為 1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進入前置放大器和計算機。 另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡。互相垂直的線偏振光 f1 和 f2 被分開。 f2 射向參考立體直角錐棱鏡后返回，f1 透過偏振分光棱鏡到立體直角錐棱鏡測量棱鏡， 這時如果它以速度 v 運動，那么 f1 的返回光便有了變化成為（ f1 ± f ）。這束光返回后重新通過偏振分光棱鏡并與 f2 的返回光會合， 然后到 45

8、76;放置的檢偏器上產(chǎn)生拍頻被光電元件接收，進入前置放大器和計算機。 計算機對兩路信號進行比較， 計算它們之間的差值± f （即多普勒頻差）。進而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動度數(shù)和時間求得被測長度。雙頻激光干涉儀中， 雙頻起到了調(diào)頻的作用， 被測信號只是疊加在這一調(diào)頻副載波上，這副載波與被測信號一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號 4 。圖 2，雙頻激光干涉儀原理圖2，雙頻激光干涉儀在大尺寸測量中的應(yīng)用雙頻激光干涉儀是精度最高、 可靠性非常好的儀器， 是高精度大尺寸測量中優(yōu)先考慮的測量手段 5 。本文例舉了兩個利用雙頻激光干涉儀測量大尺寸的方法。2.1雙頻激光干涉儀測量大尺寸軸徑雙頻激光干涉儀是一

9、種增量式測長儀 6 。在時間 t ，被測長度對應(yīng)的多普勒頻差為計數(shù)器記得的脈沖數(shù) K。計數(shù)器計脈沖數(shù)時，需要有信號控制計數(shù)器開始計數(shù)和停止計數(shù)，此信號由準直系統(tǒng)提供 7 。當準直系統(tǒng)對準被測軸徑的測量起點時，發(fā)出一個開始計數(shù)信號； 當準直系統(tǒng)對準被測的測量終點時， 發(fā)出一個停止計數(shù)信號，計數(shù)器停止計數(shù)。 所以準直系統(tǒng)對準的精度直接影響測量系統(tǒng)準確度 8 。激光準直的工作原理為，由氦氖激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過前端望遠鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準直的基準， 光電目標靶為準直系統(tǒng)的接收裝置，常用的是硅光電探測器，結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示。圖 3，4 象限硅光電探測器被測工件直徑 D 與 L，L

10、0 的幾何關(guān)系如圖 4 所示。圖 4，被測工件直徑 D 與 L，L0 的幾何關(guān)系雙頻激光干涉儀直接測得兩個 4 象限光電池中心之間的距離 L，它與磁性定位塊兩定位端之間的距離 L0 存在如下幾何關(guān)系：式中， c 為兩個定位塊合在一起時兩個 4 象限光電池中心之間的距離是常數(shù)，可用雙頻激光干涉儀直接測量出其大小。由圖 3 可得被測工件外徑的計算公式為式中， s 為定位塊的槽寬，是一個結(jié)構(gòu)常數(shù)，將式（5）代入式（ 6）得因此，通過雙頻激光干涉儀測量出位于被測直徑兩端點處的兩個 4 象限光電池中心之間的距離 L，就可按式（ 7）得到被測直徑 D的大小。用這種方法測量大尺寸軸徑，系統(tǒng)誤差小于 6

11、15;10-6m，可測量的圍為 500mm至 1000mm左右。2.2雙頻激光干涉儀無導(dǎo)軌大尺寸精密測量利用雙縱模 He-Ne激光進行大尺寸精密測量，就是以其拍波波長作為基本測量單位，采用“小數(shù)重合法”的原理來進行的 9 。其原理如圖 5 所示。圖 5，測量原理圖圖中所示的激光器發(fā)射出一束包含兩個頻率不同、偏振方向互相垂直的正交先偏振光， 它們的頻差在 650700MHz之間，即拍波波長在 450500mm 之間。該光束通過普通分光鏡時被分成兩束， 其中透射光進入測量光路， 而反射光進入?yún)⒖脊饴贰＜僭O(shè)測量光路為 Lm，而參考光路為 Lr ，則經(jīng)過測量和參考光路的兩光束分別為參考光路：測量光路：

12、式中，Er 為參考信號， Em為測量信號。令 V=V2-V1， （V被稱為拍波頻率，被稱為拍波波長）。當這兩路信號進行相位比較檢測后可得式中， L=Lr-Lm。由此，只要測出相位差 ，就可以測出測量光路相對于參考光路的長度差。用這個方法測量大尺寸，其測量精度不低于±（ 50+1.5×10 -6L ） m。3，雙頻激光干涉儀在量塊檢定中的應(yīng)用根據(jù)雙頻激光干涉儀的測距原理，在傳統(tǒng)測長機上加裝激光測量系統(tǒng)，可以將這些儀器的精度檢測能力提高一個臺階， 并用于量塊檢定 10 。用雙頻激光干涉儀檢定量塊，依然是運用干涉測量原理。3.1單光路激光系統(tǒng)量塊檢定如圖 6 所示安裝測量裝置，此

13、法簡單直接，用一套激光干涉儀即可實現(xiàn)。圖 6，單光路激光檢定量塊實驗裝置圖具體檢定步驟如下：1 ，將測長機頂針碰觸，置于起始位置，此時將激光讀數(shù)清零；2 ，將頂針移開，放入量塊并固定??；3 ，調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，得到一個最大的激光讀數(shù)即為量塊檢定值。需要注意的有， 由于普通測長機的結(jié)構(gòu)所限， 在使用上述方法時，一定要盡可能保證激光光路與測長機頂針在同一軸線上。 由于激光光路跟被檢測物體并非在同一位置， 檢測較長的量塊時會帶來額外誤差， 因此，上述方法僅僅適用于檢定小型量塊。3.2雙光路激光系統(tǒng)量塊檢定如圖 7 所示安裝測量裝置，該方法可以很好修正阿貝誤差，并且可以將滑動座的或扭擺誤差最小化。圖 7

14、雙光路激光系統(tǒng)量塊檢定裝置圖其檢定步驟如下：1，將滑動座測頭移動到端面，置于起始位置，此時激光讀數(shù)清零；2，將頂針移開，放入量塊并固定住；3，直接記錄激光軟件讀數(shù)。由于光路是對稱分布在測量回路的兩側(cè)， 激光系統(tǒng)記錄的是光路 L1 和 L2 的長度之和，此時量塊檢定值為（ L1+L2） /2 ，利用此法，可以檢定長達一米以上的大量塊，精度可以優(yōu)于 1m/m。4，雙頻激光干涉儀在數(shù)控車床檢定中的應(yīng)用雙頻激光干涉儀與不同光學附件結(jié)合 , 可以測量距離、 直線度、垂直度、平行度、平面度。由于儀器為模塊化結(jié)構(gòu) , 安裝位置靈活 , 便于分析機床誤差來源 ; 而且測量時可以在工作部件運動過程中自動采集數(shù)據(jù)

15、 , 更接近機床的實際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢定方法相比 , 激光干涉儀具有較高的精度和效率 , 并能及時處理數(shù)據(jù) , 為機床誤差修正提供依據(jù)。 因此 , 用雙頻激光干涉儀檢測機床各項誤差是一種用傳統(tǒng)測量手段難以實現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機床的重要指標 , 目前世界各國機床檢定標準中都推薦使用激光干涉儀進行該項精度的檢定 11 。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長度干涉儀和測量反射鏡 , 測量時將長度干涉儀置于不動位置 , 反射器安裝在運動部件上 ( 也可相反 ) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機床檢定上的應(yīng)用，即是對其各項形位誤差的檢定，在此不予贅述。5，雙頻激光干涉儀在形位誤差測量上的應(yīng)用雙頻激光干涉儀

16、在形位誤差檢定中有著非常重要的應(yīng)用，本文以直線度誤差測量和角度誤差測量為例說明雙頻激光干涉儀的強大功能。5.1雙頻激光干涉測角將圖 2 雙頻激光干涉儀光路系統(tǒng)中的偏振分光鏡、參考鏡和測量鏡，分別換成雙膜塊組合角錐反射棱鏡和角錐反射棱鏡， 就可以構(gòu)成雙頻激光干涉測角儀。其測量原理為： 當具有偏振方向垂直， 且頻率分別為 f1 和 f2 的偏振光入射到偏振分光鏡后，其中垂直偏振光 f2 被反射，經(jīng)棱鏡再反射到達角錐反射棱鏡，由角錐反射棱鏡反射后回到偏振分光棱鏡，而水平偏振光 f1 透過偏振分光鏡后到達角錐反射棱鏡， 由角錐反射棱鏡反射后回到分光鏡， 兩光束在偏振分光棱鏡重新會合形成拍頻， 經(jīng)檢偏器

17、后由光電接收器接收。 當雙角錐棱鏡組在移動過程中沒有發(fā)生擺動時，兩束光的多普勒頻差不變，拍頻不變。如果，移動過程中雙角錐棱鏡組發(fā)生擺動，則相當于兩個角錐棱鏡的移動不一致，出現(xiàn)距離差。根據(jù)線度角度的幾何關(guān)系，可以測出擺角的大小。由上述原理構(gòu)成的 SJD 型雙頻激光干涉儀用于測量角度時，其分度值為 0.1 ，當測量圍為± 100時，測量精度為 0.5 12 。5.2雙頻激光干涉儀測直線度誤差雙頻激光干涉儀與光學附件雙面反射鏡、沃拉斯頓棱鏡等配合，可以構(gòu)成直線度測量系統(tǒng)， 由于此法已經(jīng)在工程測量中廣泛應(yīng)用，且原理與測角系統(tǒng)基本類似，本文不予贅述?！窘Y(jié)論】雙頻激光干涉儀以其高精度高穩(wěn)定性和環(huán)

18、境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)勢， 已經(jīng)在工程測量領(lǐng)域處于不可替代的重要作用。 它可以實現(xiàn)對大尺寸的精密計量， 可以對各類計量器和機械加工器械進行精密檢定。 在形位誤差檢定方面， 雙頻激光干涉同樣具有極其重要的作用。 隨著工程應(yīng)用研究不斷發(fā)展， 相信雙頻激光干涉儀將在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用?！緟⒖嘉墨I】1 周肇飛，He-Ne激光器的雙縱模熱穩(wěn)頻系統(tǒng) J. 儀器儀表學報， 1988，9（4）：3743802 慶祥、王東生等，現(xiàn)代精密儀器設(shè)計 . ：清華大學， 20043 其波，光學測量技術(shù)與應(yīng)用 . ：清華大學， 20084 國光，近代光學測試技術(shù) . ：大學， 19975 佳、鐳，大直徑工件的測量方法 J. 機械與電子， 2006（ 3）： 13156 君、穆海華等，激光干涉測量中的誤差分析與補償 J. 機床與液壓， 2009，NO.9：1811