激光干涉測量技術1

概要干涉測量是以光波干涉原理為基礎來進行測量的一門技術。干涉測量技術大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度。干涉測量應用范圍十分廣泛，可用于位移、長度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化、振動等方面的測量。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀、菲索干涉儀、塞曼-格林干涉儀、雙頻激光干涉儀、光纖干涉儀、掃描隧道顯微鏡（82年），原子力顯微鏡（86年），從此開始了納米級干涉測量的時代——諾貝爾獎（BinningandRohrer）為使兩列光波疊加后產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，這兩列光波必須滿足三個基本相干條件：頻率相同，振動方向相同和恒定的位相差。1目前一頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點概要顯然，為發(fā)生干涉現(xiàn)象，必須利用同一發(fā)光原子發(fā)出的同一波列分割出來的兩束光波。原子不同時刻發(fā)出的兩列波，位相差無規(guī)則且頻繁變化不會產(chǎn)生干涉。兩列光波發(fā)生干涉的最大光程差等于光波的波列長度，激光波列長度比普通光源長很多（幾十公里）。在干涉測量中，干涉儀以干涉條紋來反映被測件的信息。干涉儀將光分成兩路或多路，干涉條紋是兩路光程差相同點聯(lián)成的軌跡，而光程差?是干涉儀兩支光路光程之差，可用下式表示：1ni,nj分別為干涉儀兩支路的介質(zhì)折射率；li,lj分別為干涉儀兩支路的幾何路程差。若把被測件放入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差將隨著被測件的位置與形狀而變，干涉條紋隨之變化，測出條紋的變化，便可獲得與l或n有關的各種信息。目前二頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點第2章激光干涉測量技術13254概要激光干涉測量長度和位移激光全息干涉測量技術激光外差干涉測量技術激光移相干涉測量技術6激光散斑干涉測量技術7激光光纖干涉測量技術8激光多波長干涉測量技術目前三頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉測長的基本原理激光干涉儀是一種所謂“增量法”測長的儀器，它是把目標反射鏡與被測對象固聯(lián)，參考反射鏡固定不動，當目標反射鏡隨被測對象移動時，兩路光束的光程差發(fā)生變化，干涉條紋將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測器接收某一條紋，當被測對象移動一定距離時，該條紋明暗交替變化一次，光電探測器輸出信號將變化一個周期，記錄信號變化的周期數(shù)，便確定了被測長度。以邁克爾遜干涉儀為例。目前四頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉測長的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。設在測量開始時，一束激光經(jīng)過分光器B分成兩束，它們經(jīng)參考反射鏡M1和目標反射鏡M2后沿原路返回，并在分光點O處重新相遇，兩束光的光程差為：?1=2n(Lm-Lc)式中，n為空氣折射率；Lm為目標反射鏡M2到分光點O的距離；Lc為參考反射鏡M1到分光點O的距離。目前五頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉測長的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。測量結(jié)束時，目標反射鏡M2移過被測長度L后，處于M2’的位置。此時兩光束的光程差為：

?2=2n(Lm+L-Lc)=2nL+?1在測量開始和結(jié)束這段時間里，光程差的變化量d?=?2-?1=2nL光程差每變化一個波長，干涉條紋就明暗交替變化一次，則測量過程中與d?相對應的干涉條紋變化次數(shù)為：K=d?/λ0=2nL/λ0目前六頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉測長的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。測得干涉條紋的變化次數(shù)K之后，即可由上式求得被測長度L。在實際測量中，采用干涉條紋計數(shù)法，測量開始時使計數(shù)器置零，測量結(jié)束時計數(shù)器的示值即為與被測長度L相對應的條紋數(shù)K。L=Kλ/2，式中，λ=λ0/n，是激光光波在空氣中的波長。目前七頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成一個完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計數(shù)和處理測量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機械系統(tǒng)。(一)干涉儀光路系統(tǒng)干涉儀光路系統(tǒng)主要包括光源、分束器和反射器。(1)激光干涉儀常用的光源因為He-Ne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，He-Ne激光器特別適合于作相干光源。目前八頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法a.分波陣面：激光器發(fā)出的光，經(jīng)準直擴束后，得到一平面光波的波陣面。利用有微小夾角的兩反射鏡M1和M2（菲涅耳雙面鏡）的反射，將光波的波陣面分為兩部分，然后使二者在屏幕P處相遇，在屏上出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如圖2.2（a）所示。目前九頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法b.分振幅法：把一束光分成兩束以上的光束，它們?nèi)哂性瓉聿ǖ牟ㄇ?，但振幅變小了，如邁克耳遜干涉儀。常用的分光器有：平行平板分光器和立方體分光器，如圖2.2（b）所示。其中，立方體分光器上可以蒸鍍或膠合干涉儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，它易與系統(tǒng)的機座牢固連接。目前十頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法。c.分偏振法：在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器，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交替蒸鍍氟化鎂和硫化鋅鍍層。入射光以布儒斯特角進入介質(zhì)層，經(jīng)多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量的透射光。偏振分光器也可以由晶軸正交的偏光棱鏡組成，如渥拉斯頓棱鏡，如圖2.2（c）所示。目前十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器a.平面反射鏡；b.角錐棱鏡反射器；c.直角棱鏡反射器；d.“貓眼”反射器。平面反射鏡：平面反射鏡對偏轉(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)或者長光程干涉儀中，此項誤差不可忽略。角錐棱鏡反射器。如右圖所示。

角錐棱鏡反射器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。目前十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器a.平面反射鏡；b.角錐棱鏡反射器；c.直角棱鏡反射器；d.“貓眼”反射器。c.直角棱鏡反射器

如右圖所示，直角棱鏡反射器的三個角分別為45o、45o、90o，光入射在斜面上。它只有兩個反射面，加工起來比較容易。對于垂直入射面的平面偏振光不受干擾。目前十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器d.“貓眼”反射器

如右圖所示，“貓眼”反射器由一個透鏡L和一個凹面反射鏡M組成。反射鏡放在透鏡的主焦點上，從左邊來的入射光束聚焦在反射鏡上，反射鏡又把光束反射到透鏡，并沿與入射光平行的方向射出，這個作用于反射鏡的曲率無關。若反射鏡的曲率中心C’和透鏡的中心C重合，那么當透鏡和反射鏡一起繞C點旋轉(zhuǎn)時，光程保持不變?！柏堁邸狈瓷淦鞯膬?yōu)點是容易加工和不影響偏振光的傳輸。在光程不長的情況下也可考慮用平面反射鏡代替凹面反射鏡，這樣更容易加工和調(diào)整。目前十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設計中，一般應遵循“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)境條件變化對兩條光路影響不一致而引起測量誤差。同時，根據(jù)不同應用需要，要考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學倍頻布局零初始光程差的結(jié)構布局目前十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器這是一種常用的光路布局，如左圖所示。優(yōu)點：角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，所以，這種光路可避免反射光束返回激光器。激光器是一個光學諧振腔，若有光束返回激光器將引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定。同時，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。缺點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。故常采用一個作為可動反射鏡，參考光路中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鏡。還可采用其他幾種光路，如目前十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器鏡M1和M3上都鍍有半反半透膜，M1用作分光器，參考光束經(jīng)M1反射后在鏡M3上與測量光束疊加，產(chǎn)生干涉。M1和M3還能做成一體。如左圖。目前十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器只用一個角錐棱鏡反射器作動鏡還可以組成圖2.4（d）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。目前十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設計中，一般應遵循“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)境條件變化對兩條光路影響不一致而引起測量誤差。同時，根據(jù)不同應用需要，要考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學倍頻布局零初始光程差的結(jié)構布局目前十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——b.整體式布局這是一種將多個光學元件結(jié)合在一起，構成一組合結(jié)構的布局。如圖2.5所示，采用立方體分光器，反射器蒸鍍在它上面和側(cè)面。優(yōu)點：整個系統(tǒng)對外界的抗干擾性較好，抗動鏡多余自由度能力強，測量靈敏度提高一倍。缺點：這種布局調(diào)整不方便，光強吸收較嚴重。目前二十頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設計中，一般應遵循“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)境條件變化對兩條光路影響不一致而引起測量誤差。同時，根據(jù)不同應用需要，要考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學倍頻布局零初始光程差的結(jié)構布局目前二十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——c.光學倍頻布局為提高干涉儀的靈敏度，可使用光學倍頻（也稱光程差放大器）的棱鏡系統(tǒng)，如圖2.6所示。角錐棱鏡M1每移動λ/2k，干涉條紋便發(fā)生一次明暗交替變化，k為倍頻系數(shù)，圖中k=6。利用光學倍頻的干涉系統(tǒng)能用簡單的脈沖計數(shù)做精密測量，而無需進行條紋細分。這種技術還可使干涉儀結(jié)構緊湊，減小溫度、空氣及機械干擾的影響。目前二十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設計中，一般應遵循“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)境條件變化對兩條光路影響不一致而引起測量誤差。同時，根據(jù)不同應用需要，要考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學倍頻布局零初始光程差的結(jié)構布局目前二十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——d.零初始光程差的結(jié)構布局在干涉儀中，為使初始光程差不隨環(huán)境條件的變化而變化，常采用參考臂Lc和測量臂Lm相等，并使兩臂布置在儀器同一側(cè)的結(jié)構形式。此時，干涉儀的初始光程差Lm-Lc=0，即所謂的零光程差結(jié)構形式，如圖2.7所示。這種結(jié)構布局可以提高干涉儀的測量精度。目前二十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成一個完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計數(shù)和處理測量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機械系統(tǒng)。(二)干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)干涉處理系統(tǒng)主要包括：移相器、干涉條紋計數(shù)及判向原理。(1)移相器激光干涉儀采用光電子計數(shù)時，為了判別可動目標反射鏡的前進和后退，儀器必須能夠進行可逆計數(shù)。另外，為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進行細分。為達到這些目的，干涉儀必須有兩個位相差為90o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)的重要組成部分。常用的移項方法有以下幾種：(a)機械法移相；(b)階梯板和翼形板移相；(c)金屬膜移相;(d)分偏振法移相。目前二十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成一個完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計數(shù)和處理測量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機械系統(tǒng)。(二)干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)干涉處理系統(tǒng)主要包括：移相器、干涉條紋計數(shù)及判向原理。(1)移相器激光干涉儀采用光電子計數(shù)時，為了判別可動目標反射鏡的前進和后退，儀器必須能夠進行可逆計數(shù)。另外，為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進行細分。為達到這些目的，干涉儀必須有兩個位相差為90o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)的重要組成部分。常用的移項方法有以下幾種：(a)機械法移相；(b)階梯板和翼形板移相；(c)金屬膜移相;(d)分偏振法移相。目前二十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——a.機械法移相產(chǎn)生90o相移信號的最簡單方法是傾斜參考鏡M1，如圖2.8所示。當參考鏡傾斜6“，條紋間隔為10mm，調(diào)節(jié)兩光電接收器D1和D2為條紋中心距離的1/4，便可獲得相移90o的兩個輸出信號，如圖2.8(b)所示。這種方法容易因反射鏡的稍微失調(diào)而改變條紋間隔，使輸出信號的位相關系發(fā)生變化，引起錯誤。另外，這種移相方法屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動引起波陣面畸變的影響。目前二十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——b.階梯板和翼形板移相圖2.9所示是階梯板移相光路圖。在反射鏡M1的半邊蒸鍍一層厚度為d的透明介質(zhì)，使其造成λ/8的階梯，使光束的左右兩半邊產(chǎn)生λ/4的初始差。當兩光電接收器D1和D2同時對準狹縫中心時，便能獲得相移為π/2的信號輸出。目前二十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——b.階梯板和翼形板移相翼形板移相的原理與階梯板移相相同，常安放在參考光束一側(cè)。翼形板由一塊加工十分精密的平行玻璃板截成兩塊，在它們的一端磨出所需的傾角θ/2，然后按照圖2.10所示膠合成翼形板。采用階梯板或翼形板移相同樣容易受大氣擾動引起波陣面畸變的影響。目前二十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——c.金屬膜移相利用金屬膜表面反射和透射時產(chǎn)生附加相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器，如圖2.11所示。它的移相程度取決于鍍層的厚度及其組成。鋁膜可以移相70o～90o，金銀合金膜的穩(wěn)定性比鋁膜好。在圖2.11中，光路2中產(chǎn)生干涉的兩束光均經(jīng)過金屬移相膜的一次透射和一次反射，光電接收器接收的是位相相同的兩束激光所形成的干涉條紋。目前三十頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——c.金屬膜移相而在光路1中產(chǎn)生干涉的兩束光，一束是經(jīng)過金屬移相膜的兩次反射，另一路則經(jīng)過兩次透射。若金屬移相膜使反射光束和透射光束產(chǎn)生45o位相差，則光電接收器接收的是位相差為90o兩束光的干涉信號。這樣，兩個光電接收器接收的信號位相差為90o。這種移相方法的優(yōu)點是兩光束受振動和大氣擾動的影響相同，元件少，結(jié)構緊湊。其缺點是兩相干光束的光強不同，影響條紋對比度，改善辦法是在光束強的反射器前放一塊吸收濾光片，使兩束光強度接近一致以提高對比度。目前三十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——d.分偏振法移相圖2.12是分偏振法移相的光路圖。輸入光束是與垂直入射面成45o角的平面偏振光，由分光器和活動反射器發(fā)射后，信號光束的輸出還是45o的平面偏振光，因此，它的垂直和水平分量位相相同。在參考光路中加入1/4波片，使參考光變成圓偏振光，它的垂直和水平分量相差為90o.光束會合后用一個渥拉斯頓棱鏡使垂直分量和水平分量分開，給出兩個干涉條紋，它們的位相差為90o。目前三十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計數(shù)及判向原理干涉儀在實際測量位移時，由于測量反射鏡在測量過程中，可能需要正、反兩方向的移動，或由于外界振動、導軌誤差等干擾，使反射鏡在正向移動中，偶然有反向移動，所以，干涉儀中需設計方向判別部分，將計數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖，當測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖，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，并不代表真正的位移值。目前三十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計數(shù)及判向原理(1)通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強信號，該信號由兩個光電探測器接收，便可獲得與干涉信號相對應的兩路相差π/2的正弦信號和余弦信號。目前三十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計數(shù)及判向原理(2)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π/2的脈沖信號。目前三十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計數(shù)及判向原理(3)若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動時定為：1、3、2、4;反向位移時的相位的排列次序定為：1、4、2、3,由此，在后面的邏輯電路便可根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4，判斷脈沖的方向，并送入加脈沖的“門”或減脈沖的“門”，這樣便實現(xiàn)了判向的目的。(4)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，使一個計數(shù)脈沖代表了1/4干涉條紋的變化，即表示目標鏡的移動距離為λ/8，實現(xiàn)了干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應的測量長度為L=K·λ/8。目前三十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2干涉條紋對比度干涉測量是將被測量引起的光的相位變化轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)化為干涉信號光強的變化，由光電接收器探測出這種光強變化，從而實現(xiàn)高精度測量。所以，獲得高質(zhì)量的干涉信號時保證測量系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度的必要條件。干涉條紋對比度是反映干涉信號的重要指標，用M來表示：表達式為：式中，Imax和Imin分別表示干涉信號的最大光強和最小光強。對比度M的值在0~1之間變化，當M=1時，干涉條紋質(zhì)量最好，當M=0時，沒有干涉條紋。實際干涉儀中，干涉條紋的對比度都小于1。影響干涉條紋的因素很多，主要有：光源相干性、兩相干光束之間的光強差異及不同的偏振態(tài)、外界的漫射光以及機械系統(tǒng)的熱變形等。所以，在實際應用中，應設法減小或消除這些方面的干擾。目前三十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用1、激光比長儀激光比長儀采用激光器作光源，通過光波干涉比長的方法來檢定基準米尺，即通過激光干涉儀實現(xiàn)基準米尺和光波波長比較。由于激光波長具有高度的穩(wěn)定性，其復現(xiàn)精度可達±5x10-8以上，所以可用激光波長作長度基準。同時，激光干涉儀的輸出信號易于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣就提供了實現(xiàn)動態(tài)自動測量的可能性，從根本上解決了檢定基準米尺的精度與效率的問題。激光比長儀工作原理如下圖所示。目前三十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用1、激光比長儀目前三十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用1、激光跟蹤干涉儀激光比長儀工作原理敘述如下：He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)平行光管2后將光束變?yōu)楣獍咧睆竭_φ50mm的平行光，經(jīng)反射鏡3和分光鏡4后將光束分為兩路。一路光透過分光鏡經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6，另一路光由反射器反射至可動角錐棱鏡7。分光鏡4至固定角錐棱鏡6為一固定的光程，分光器4至可動角錐棱鏡7為一隨工作臺11移動而改變的光程，兩者的光程差為激光半波長偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋，奇數(shù)時出現(xiàn)暗條紋。所以工作臺11連續(xù)移動時就會產(chǎn)生亮暗交替變化的條紋。移相板8將干涉條紋分成兩組，此兩組干涉條紋的位相差為90o。分像棱鏡組9將兩組相位為90o的干涉條紋分別引入兩個光電探測器12，光電探測器將亮暗交替變化的光信號變?yōu)閮陕废嗖顬?0o的電信號，經(jīng)過調(diào)理電路13實現(xiàn)倍頻處理傳遞給計算機14。裝在橫梁上的雙管差動式動態(tài)光電顯微鏡10作瞄準被檢測尺上的刻線用。當工作臺11運動，即基準尺的刻線通過光電顯微鏡的兩個狹縫時，刻線影像被光電探測器15接收，轉(zhuǎn)換成電脈沖?？諝庹凵渎视烧凵渎矢缮鎯x測出，溫度由鉑電阻測出。目前四十頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用2、激光跟蹤干涉儀左圖所示為API公司生產(chǎn)的激光跟蹤干涉儀的光路圖。使用He-Ne激光器作光源，采用邁克耳遜干涉儀結(jié)構。干涉儀中的測量光束經(jīng)掃描反射向目標鏡，然后沿原路返回，經(jīng)掃描反射鏡后，用一分光鏡把它分成兩部分，一部分直接進入干涉儀，和干涉儀中的參考光束干涉，用于測量目標鏡的移動位移。另一束光用二維位置探測器PSD來接收，PSD的輸出信號反饋到掃描鏡控制系統(tǒng)中，控制掃描鏡的轉(zhuǎn)動方向，當目標鏡在空間任意位置移動時，使測量光束始終對準目標鏡，達到跟蹤測量位移的目的。干涉儀的水平位移測量半徑為25m,測量傾斜角為±45o，目標鏡最大移動速度為2m/s，測量分辨力為0.1μm。目前四十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用3、激光小角度干涉儀激光小角度干涉儀是利用激光干涉測位移和三角正弦原理來測量角度的儀器。左圖是激光小角度干涉儀測角原理圖。激光器1發(fā)出的激光光束經(jīng)分光鏡3分成兩路，一路沿光路a射向測量棱鏡2，一路沿光路b射向參考鏡4。當棱鏡在位置I時，沿光路a前進的光束經(jīng)角錐棱鏡反向后，沿光路c射向反射鏡5，并沿原路返回至分光鏡，與從b路返回的參考光束會和而產(chǎn)生干涉。當棱鏡移動到位置II后，沿光路a前進的光束由于棱鏡II及平面反射鏡的作用，使它們?nèi)园丛贩祷?，不產(chǎn)生光點移動，從而干涉圖形相對接收元件的位置保持不變。根據(jù)干涉測位移原理可以測出角錐棱鏡在位置I和位置II的位移H，若已知棱鏡轉(zhuǎn)動半徑R，便可根據(jù)三角正弦關系求出被測角α。目前四十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應用3、激光小角度干涉儀位移為：H=Kλ/4，α=arcsinH/R，式中，R為棱鏡轉(zhuǎn)動半徑。在實際應用中為消除偏心和軸系晃動等誤差，并提高靈敏度，可以在對稱直徑位置上布置兩個角錐棱鏡，干涉儀測角原理如左圖所示，在這種情況下，干涉儀經(jīng)過兩次光倍頻，使得每一條干涉條紋相應的光程差為λ/8。若可逆計數(shù)器采用四倍頻，則每計一個數(shù)對應的長度為λ/32，則H=Kλ/32。再根據(jù)上述公式計算得出α角。目前四十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十五點激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長