光學(xué)精密檢測技術(shù)第八講

1、光學(xué)精密檢測技術(shù)與光學(xué)精密檢測技術(shù)與檢測儀器檢測儀器光學(xué)精密檢測技術(shù)與檢測儀器系列八激光PBS棱鏡M1M2成像鏡濾波孔像面1/2波片1/4波片1/4波片1/4波片檢偏器移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=45波片，時22222222iJi1222222201222222202222222222222pippiiiEEEEieiii2222222202222222122222220222222isssiiiieEEEEiii移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀1tancos2tansin

2、222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=45波片，時22222222iJi1222222022222ppipiEEEE ei212222ipsipsEEEEEEE2222022222222isssiEEEEi移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=90波片，時2202222022iJi404222202222222202222ippissiiEeEEEEeEii移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀22cossincossincossinJ偏振片瓊斯矩

3、陣=45時11221122J =135時11221122J 44414441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE5444334441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE21112211222psppssEEEEEEE41112211222ippsispsEEE eEEe EE移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀90018027045135090移相干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀n偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀移相干涉儀ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDAAAAAAAAABBBBBBBBBCCCCCCCC

4、CDDDDDDDDDABCD4213( , )arctanIIx yIIn偏振調(diào)制4D動態(tài)干涉儀移相干涉儀n動態(tài)干涉測量空間移相干涉儀優(yōu)點： 瞬時測量能夠有效抑制震動對測量結(jié)果的影響； 能夠?qū)Υ罂趶?、長焦距的系統(tǒng)進行測量。缺點： 沒有抑制大氣湍流對測量結(jié)果的影響； 空間相移用四個相鄰點的偏振移相表示一個點的加工精度，數(shù)據(jù)可信度低，特別對大孔徑光學(xué)鏡面。ABCD移相干涉儀nESDI斐索干涉儀移相干涉儀 氣流對干涉圖的影響氣流對干涉圖的影響風(fēng)扇及送風(fēng)機可以用來減小操作環(huán)境中的局部溫差。然而，設(shè)置不當?shù)娘L(fēng)扇會造成氣流干擾以及震動干擾。氣流干擾會使局部區(qū)域內(nèi)空氣密度不均勻，對測量光束引起局部偏折，改變

5、了測量波面，影響了測量結(jié)果。必須避免氣流造成的干涉條紋不規(guī)則擾動。如果溫度的空間梯度大，也會產(chǎn)生明顯的氣流影響。 有條件最好在恒溫室內(nèi)再布置一個小房間，以減少外界溫度的變化影響。影響測量結(jié)果的外界因素n氣流影響測量結(jié)果的外界因素n氣流振動可能由很多原因產(chǎn)生：支撐不夠剛性的地板、聲波、其它設(shè)備(風(fēng)扇、空調(diào)或遠處的車床、馬路上的汽車等)、人的活動等等。振動是最難控制的環(huán)境問題。 理論上，最好是將儀器放在一塊混凝土澆注的地基上使用，這樣會大大衰減大幅的振動。小幅的振動，例如由人員活動造成的震動，可以通過防震系統(tǒng)隔離。 環(huán)境震動對干涉儀的影響，在于它在兩相干波面之間引入了隨機的位相變化，主要表現(xiàn)為干涉

6、條紋出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，從而造成條紋模糊。影響測量結(jié)果的外界因素n振動 從下圖可以看出，將干涉圖調(diào)到三根條紋(下圖左)，當沒有環(huán)境震動時，測得的波面是連續(xù)光滑的(下圖中)；當引入環(huán)境震動時，測得的波面中出現(xiàn)與干涉條紋方向一致的波動，且波動的頻率正好是干涉條紋頻率的2倍(下圖右)。如果將干涉圖盡量調(diào)整到零條紋時，則波面將不出現(xiàn)波動。所以，為了抑制環(huán)境震動的影響，在移相干涉測量時，應(yīng)盡量將干涉圖調(diào)整到零條紋再進行測量。影響測量結(jié)果的外界因素n振動 減振一般可以使用氣墊光學(xué)平臺，另外還有多種方法:地基隔離減震、橡膠剪切減震腳、軟墊與大理石聯(lián)合減震、干涉腔剛性固化減震等都可以使用，如右圖。根據(jù)不同的環(huán)境條件

7、可以使用其中一種或兩種以上組合。 影響測量結(jié)果的外界因素n振動n 距離干涉測量光源參考面探測器L1L21112120121121201222( )cos( 2()22)22cos 2()22aaItIfftLLIfftLL雙頻干涉測量基礎(chǔ)12ff、1f2f221211201221211201222( )cos( 2()2()2)22cos 2()2()2aaItIfftLLLIfftLLL L1V11(2)4LN 距離 N、？n 距離干涉測量1112012122( )cos 222cos 2aaItIftLLIft（）（）雙頻干涉測量基礎(chǔ)2212012222( )cos 22(Vt)2=cos

8、 2+)aaVItIftLLIfft（(12121212( )=cos 2)cos2+)11cos2 (2)2 cos(2)22aaVaaVaaVI tIII IftfftI IfftI If t （(12VVf121( )cos(2)2aaVI tI If t01(2)4tLVdtN 01020304050607080900.20.40.60.811.21.41.61.822.2n 雙頻激光光源雙頻干涉測量基礎(chǔ)1. 塞曼效應(yīng)雙頻激光器2. 雙縱模激光器3. 基于雙折射晶體的雙頻激光器4. 聲光移頻雙頻激光器移頻器的基頻：20M-200M穩(wěn)定差頻最?。?0KHzCCD幀頻：10KHz頻差高幀頻

9、低n 高性能低差頻移頻技術(shù)全視場外差干涉儀光電院研制出高性能低差頻聲光移頻器，各項技術(shù)指標遠優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)水平，能夠滿足各類全視場外差探測需求。技術(shù)指標技術(shù)指標國外廠家國外廠家國內(nèi)廠家國內(nèi)廠家自研自研穩(wěn)定拍頻頻率穩(wěn)定拍頻頻率100Hz1kHz3Hz頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度10ppm30ppm0.1ppm諧波諧波-40dB-15dB-70dB相位噪聲相位噪聲-110dBc設(shè)計拍頻設(shè)計拍頻實測拍頻頻率實測拍頻頻率實測相噪實測相噪實測實測三三次次諧波諧波3Hz2.9870.004Hz-110dBc-70dB10Hz9.9630.003Hz-117dBc-73dBn 高性能低差頻移頻技術(shù)全視場外差干涉儀 機

10、械高精度移相技術(shù)難度大； 離焦誤差 環(huán)境適應(yīng)性差，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制；點衍射干涉儀Fizeau干涉儀Twyman-Green干涉儀n 傳統(tǒng)干涉儀全視場外差干涉儀重復(fù)測量精度RMS: 2/10000全視場外差馬赫曾德干涉儀實測干涉數(shù)據(jù)立方體n 馬赫曾德干涉儀全視場外差干涉儀重復(fù)測量精度RMS: 4/10000全視場外差點衍射干涉干涉儀n 點衍射干涉儀全視場外差干涉儀n動態(tài)干涉儀全視場外差干涉儀直流測量系統(tǒng)，具有直流光平和電平零漂的弊端弊端。 雙頻測距儀干涉儀n單頻測距干涉儀n基本光路雙頻測距儀干涉儀f1-f2f1ff測測=(f1f)-f2f參參=f1-f2M1M2M3M4f測測=(f1f)-f2s

11、pn原理框圖1312121( )cos(2)21cos(2)2aaVaaItIIf tIIN 1 4121212121( )co s(2/ 2 )21co s(2/ 2 )21sin (2)21sin (2)2aaVaaaaVaaItIIf tIINIIf tIIN 雙頻測距儀干涉儀n數(shù)據(jù)分析13121( )cos(2)2aaItIIN 1 4121( )sin (2)2aaItIIN 01020304050607080900.20.40.60.811.21.41.61.822.20102030405060708090-1.5-1-0.500.511.52( )tan (2)I tN N、01

12、(2)4tLVdtN 雙頻測距儀干涉儀n數(shù)據(jù)分析0204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.41.61.822.2020406080100120140160180200-1.5-1-0.500.511.52雙頻測距儀干涉儀從從激光干涉儀的技術(shù)發(fā)展看，目前國外激光干涉儀產(chǎn)品主要有三種形式：激光干涉儀的技術(shù)發(fā)展看，目前國外激光干涉儀產(chǎn)品主要有三種形式：1 1、基于縱向塞曼效應(yīng)的雙頻激光干涉儀：以、基于縱向塞曼效應(yīng)的雙頻激光干涉儀：以Agilent、Exell等公司的產(chǎn)品為等公司的產(chǎn)品為代表，屬于交流干涉系統(tǒng)。由于受到模牽引效應(yīng)的影響，這種系統(tǒng)的測量速代

13、表，屬于交流干涉系統(tǒng)。由于受到模牽引效應(yīng)的影響，這種系統(tǒng)的測量速度受到限制，最大測量速度為：度受到限制，最大測量速度為：1000mm/s。2 2、基于、基于 Bragg效應(yīng)的聲光調(diào)制式雙頻激光干涉儀：以效應(yīng)的聲光調(diào)制式雙頻激光干涉儀：以Zygo、Optodyne公公司的產(chǎn)品為代表，采用聲光調(diào)制原理產(chǎn)生兩個激光頻率構(gòu)成交流干涉系統(tǒng)。司的產(chǎn)品為代表，采用聲光調(diào)制原理產(chǎn)生兩個激光頻率構(gòu)成交流干涉系統(tǒng)。由于可以得到較高的激光頻率差，因此可以提高系統(tǒng)的測量速度，最高測量由于可以得到較高的激光頻率差，因此可以提高系統(tǒng)的測量速度，最高測量速度可以達到：速度可以達到：1800mm/s。3 3、單頻激光干涉儀：

14、以、單頻激光干涉儀：以Renishow、API等公司的產(chǎn)品為代表，單頻激光干等公司的產(chǎn)品為代表，單頻激光干涉儀的測量速度取決于電子器件的性能，目前最高測量速度可以達到：涉儀的測量速度取決于電子器件的性能，目前最高測量速度可以達到：4000mm/s（采用專用電子器件）（采用專用電子器件）。n國外研究狀況雙頻測距儀干涉儀1971年美國年美國HP公司推出的基于縱向塞曼效應(yīng)的雙頻激光干涉儀，公司推出的基于縱向塞曼效應(yīng)的雙頻激光干涉儀，具有極大的系統(tǒng)增益，在此后的十多年中，幾乎壟斷了市場具有極大的系統(tǒng)增益，在此后的十多年中，幾乎壟斷了市場。從從上世紀七十年代初期開始，國內(nèi)相繼有十幾個單位研制雙頻激光上世

15、紀七十年代初期開始，國內(nèi)相繼有十幾個單位研制雙頻激光干涉儀，但是由于各種原因，特別是激光器的壽命過短，都難以形干涉儀，但是由于各種原因，特別是激光器的壽命過短，都難以形成產(chǎn)品，有些大學(xué)主要作為科研項目進行研究，大多數(shù)單位都逐漸成產(chǎn)品，有些大學(xué)主要作為科研項目進行研究，大多數(shù)單位都逐漸放棄了產(chǎn)品放棄了產(chǎn)品開發(fā)開發(fā)目前，比較成功的是成都工具研究所成功目前，比較成功的是成都工具研究所成功地將產(chǎn)品推向地將產(chǎn)品推向市場，清華市場，清華大學(xué)在接收處理電路方面做得比較好。大學(xué)在接收處理電路方面做得比較好。n國內(nèi)研究現(xiàn)狀雙頻測距儀干涉儀nHP（Agilent）公司干涉儀 雙頻測距儀干涉儀nZYGO公司干涉儀雙

16、頻測距儀干涉儀測量測量時靶鏡或者干涉儀置于被測體上，當被測體移動時靶鏡或者干涉儀置于被測體上，當被測體移動時產(chǎn)生干涉，由激光干涉儀的電器部分記錄下位移值，時產(chǎn)生干涉，由激光干涉儀的電器部分記錄下位移值，即為長度測量。即為長度測量。2NL n激光干涉儀應(yīng)用長度測量雙頻測距儀干涉儀激光激光頭的出射光由角度干涉儀分為頭的出射光由角度干涉儀分為f1和和f2兩束，分別射向角度反兩束，分別射向角度反射鏡中的兩個靶鏡，當角度干涉儀或角度反射鏡發(fā)生偏擺角射鏡中的兩個靶鏡，當角度干涉儀或角度反射鏡發(fā)生偏擺角時，時，f1和和f2兩束光產(chǎn)生相位差，可以計算旋轉(zhuǎn)角度值兩束光產(chǎn)生相位差，可以計算旋轉(zhuǎn)角度值:LD1sin

17、n激光干涉儀應(yīng)用小角度測量雙頻測距儀干涉儀來自來自激光頭的激光在烏拉斯頓棱鏡上以激光頭的激光在烏拉斯頓棱鏡上以角分離為角分離為f1和和f2，它們，它們分別射向雙平面反射鏡，當雙平面反射鏡發(fā)生從位置位移到位分別射向雙平面反射鏡，當雙平面反射鏡發(fā)生從位置位移到位置時，兩束光產(chǎn)生符號相反的相移，可以計算出雙平面反射鏡置時，兩束光產(chǎn)生符號相反的相移，可以計算出雙平面反射鏡的橫向位移量的橫向位移量:22sinLYn激光干涉儀應(yīng)用橫向位移測量雙頻測距儀干涉儀從從應(yīng)用角度看，近二十年來，激光干涉儀產(chǎn)品明顯向兩個方向發(fā)展：應(yīng)用角度看，近二十年來，激光干涉儀產(chǎn)品明顯向兩個方向發(fā)展： 一是面向大規(guī)模集成電路、平面

18、顯示器、微觀結(jié)構(gòu)研究等領(lǐng)域的激光傳感器系統(tǒng)，一是面向大規(guī)模集成電路、平面顯示器、微觀結(jié)構(gòu)研究等領(lǐng)域的激光傳感器系統(tǒng)，要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反饋信號。典型產(chǎn)品有要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反饋信號。典型產(chǎn)品有Agilent公司的公司的5517/5527系列、系列、Zygo公司的公司的ZMI系列、系列、Piezosystem jena 公司的公司的sios系列，最高分辨率系列，最高分辨率0.15nm、速度、速度2550mm/s（Zygo公司的公司的4000處理板）；處理板）； 二是面向數(shù)控機床及普通應(yīng)用，這種系統(tǒng)也稱工業(yè)用激光干涉儀，要求體積小、二是面向數(shù)控機床及

19、普通應(yīng)用，這種系統(tǒng)也稱工業(yè)用激光干涉儀，要求體積小、速度快、測量距離大，典型產(chǎn)品有速度快、測量距離大，典型產(chǎn)品有Agilent的的5529/5530、Renishaw公司的公司的ML-10/XL-80、Excel公司的公司的1100A/1100B、Optodyne的的MCV系列、系列、API公司的公司的XD系列、成都工具研究所有限公司的系列、成都工具研究所有限公司的MJS系列等。系列等。 n激光干涉儀發(fā)展趨勢雙頻測距儀干涉儀 用于一般工業(yè)計量的激光干涉儀基本功能包括長度、角度、直線度、平面度、垂直度、平行度、用于一般工業(yè)計量的激光干涉儀基本功能包括長度、角度、直線度、平面度、垂直度、平行度、數(shù)

20、控轉(zhuǎn)臺測量等項目。近年來，出現(xiàn)了許多針對數(shù)控機床檢測的附加功能，包括：數(shù)控轉(zhuǎn)臺測量等項目。近年來，出現(xiàn)了許多針對數(shù)控機床檢測的附加功能，包括： 1）對角線測量附件）對角線測量附件 有兩種對角線測量附件有兩種對角線測量附件,一種是簡單地將激光束轉(zhuǎn)向，使測量沿數(shù)控機床工作區(qū)的對角線進行，可一種是簡單地將激光束轉(zhuǎn)向，使測量沿數(shù)控機床工作區(qū)的對角線進行，可以迅速判斷機床的精度狀況，如以迅速判斷機床的精度狀況，如Agilent和和Renishaw公司的對角線測量附件；另一種方法是公司的對角線測量附件；另一種方法是Optodyne提出的提出的“向量測量方法向量測量方法”，采用長平面鏡為干涉儀的靶鏡，測量沿

21、角線方向以階梯折線軌，采用長平面鏡為干涉儀的靶鏡，測量沿角線方向以階梯折線軌跡進行，得到測量數(shù)組（跡進行，得到測量數(shù)組（X1、Y1、Z1 Xn、Yn、Zn），它包含了機床各軸向定位），它包含了機床各軸向定位精度、直線度和垂直度的信息，由軟件處理得到螺距誤差和空間誤差的補償數(shù)據(jù)精度、直線度和垂直度的信息，由軟件處理得到螺距誤差和空間誤差的補償數(shù)據(jù)。2）數(shù)控機床圓軌跡的測量）數(shù)控機床圓軌跡的測量 Optodyne公司的干涉儀用平面鏡作為靶鏡，提出了測量數(shù)控機床圓軌跡的新方法，從公司的干涉儀用平面鏡作為靶鏡，提出了測量數(shù)控機床圓軌跡的新方法，從X和和Y兩個兩個方向測量機床運動的位移方向測量機床運動的

22、位移 角度曲線（正弦和余弦），由軟件計算出圓軌跡誤差，包括圓滯后角度曲線（正弦和余弦），由軟件計算出圓軌跡誤差，包括圓滯后H、圓偏差圓偏差G等等。3）雙軸測量軟件）雙軸測量軟件 Agilent和和Renishaw都提供了雙軸測量軟件，用于雙驅(qū)動系統(tǒng)，測量兩驅(qū)動的同步性。都提供了雙軸測量軟件，用于雙驅(qū)動系統(tǒng)，測量兩驅(qū)動的同步性。 n激光干涉儀發(fā)展趨勢雙頻測距儀干涉儀 4）多維測量系統(tǒng)）多維測量系統(tǒng) 多維測量系統(tǒng)實際是激光干涉和其他測量方法的組合，一次測量可以得到單軸六個自由度的誤差多維測量系統(tǒng)實際是激光干涉和其他測量方法的組合，一次測量可以得到單軸六個自由度的誤差數(shù)值（位移，二個直線度和三個擺角

23、），借助五棱鏡可以測量機床三軸之間的軸的垂直度，一般通數(shù)值（位移，二個直線度和三個擺角），借助五棱鏡可以測量機床三軸之間的軸的垂直度，一般通過五次測量即可得到機床的全部過五次測量即可得到機床的全部21項誤差值。這些誤差值經(jīng)分析軟件處理生成機床三維空間的網(wǎng)格項誤差值。這些誤差值經(jīng)分析軟件處理生成機床三維空間的網(wǎng)格補償數(shù)據(jù)。由于各項誤差都是相互關(guān)聯(lián)的，多維測量更能反映誤差的真實情況，測量效率也高。補償數(shù)據(jù)。由于各項誤差都是相互關(guān)聯(lián)的，多維測量更能反映誤差的真實情況，測量效率也高。API公司的公司的XD系列可以測量系列可以測量1、3、5、6個分量，個分量，Excel公司的公司的1100B系統(tǒng)也是六維

24、測量系統(tǒng)系統(tǒng)也是六維測量系統(tǒng)。5）動態(tài)測量）動態(tài)測量 動態(tài)測量包括位移動態(tài)測量包括位移-時間，速度時間，速度-時間、加速度時間、加速度-時間，振動測量，并可以進行時間，振動測量，并可以進行FFT分析。數(shù)控機床分析。數(shù)控機床加工是在動態(tài)下進行的，因此其動態(tài)誤差更真切地反映了工作狀態(tài)。動態(tài)測量可以幫助找到數(shù)控機加工是在動態(tài)下進行的，因此其動態(tài)誤差更真切地反映了工作狀態(tài)。動態(tài)測量可以幫助找到數(shù)控機床的誤差根源，指導(dǎo)機床的設(shè)計，是研究分析數(shù)控機床性能的重要手段。床的誤差根源，指導(dǎo)機床的設(shè)計，是研究分析數(shù)控機床性能的重要手段。 6）機床漂移測試）機床漂移測試 由于儀器穩(wěn)定性提高，可以進行長時間飄移測試，

25、幾小時到幾天，以暴露溫度對機床幾何精度的由于儀器穩(wěn)定性提高，可以進行長時間飄移測試，幾小時到幾天，以暴露溫度對機床幾何精度的影響，影響，Agilent的的5530系統(tǒng)特別強調(diào)了這一功能。系統(tǒng)特別強調(diào)了這一功能。n激光干涉儀發(fā)展趨勢雙頻測距儀干涉儀 總之，激光干涉儀的發(fā)展趨勢是小型化、高精度、多功能，使用起來方總之，激光干涉儀的發(fā)展趨勢是小型化、高精度、多功能，使用起來方便、快捷、高效。對于數(shù)控機床而言，傳統(tǒng)的單軸誤差修正是目前最常用的便、快捷、高效。對于數(shù)控機床而言，傳統(tǒng)的單軸誤差修正是目前最常用的誤差補償方法，但它僅僅補償了單軸的線性定位誤差，不是完整的誤差修正誤差補償方法，但它僅僅補償了單

26、軸的線性定位誤差，不是完整的誤差修正概念，因為在一個機床的加工區(qū)域中，實際存在的誤差由概念，因為在一個機床的加工區(qū)域中，實際存在的誤差由21項參數(shù)決定。項參數(shù)決定。單坐標直線運動誤差模型單坐標直線運動誤差模型n激光干涉儀發(fā)展趨勢雙頻測距儀干涉儀三維空間三維空間網(wǎng)格修正是一種更加有效網(wǎng)格修正是一種更加有效提高數(shù)控機床精度的方法，目前部分提高數(shù)控機床精度的方法，目前部分高端數(shù)控機床已具備這個功能，其基高端數(shù)控機床已具備這個功能，其基礎(chǔ)是機床的礎(chǔ)是機床的21項誤差數(shù)據(jù)，但采用傳項誤差數(shù)據(jù)，但采用傳統(tǒng)方法檢測非常困難。統(tǒng)方法檢測非常困難。激光激光多維測量系統(tǒng)是在激光干涉多維測量系統(tǒng)是在激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測量儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測量儀器，可以同時測量多維誤差，使過儀器，可以同時測量多維誤差，使過去耗時幾十小時的檢測減少到幾個小去耗時幾十小時的檢測減少到幾個小時，為傳統(tǒng)檢測方法的時，為傳統(tǒng)檢測方法的1/8，且擁有測，且擁有測量速度快、各項誤差值具有即時性等量速度快、各項誤差值具有即時性等優(yōu)點，極大地提高了工作效率。優(yōu)點，極