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(biāo)簽：雜談【摘要】：隨著 20 世紀(jì) 60 年代初激光的出現(xiàn)， 幾何量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展步入了嶄新的時(shí)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(diǎn)， 在幾何量計(jì)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(qiáng)、 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高等一系列無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)， 成為幾何量計(jì)量活動(dòng)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(jì)量室的束縛， 在越來越廣闊的工程測(cè)量領(lǐng)域大顯身手。 因此，雙頻激光干涉的發(fā)明對(duì)計(jì)量事業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)科學(xué)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(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。【關(guān)鍵詞】激光干涉儀測(cè)量 幾何量【引言】雙頻激光干涉儀的發(fā)明把幾何量計(jì)量發(fā)展推向了又一個(gè)高峰， 雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器，以其良好的性能、在很多場(chǎng)合，特別是在大長(zhǎng)度與大位移的精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。就長(zhǎng)度計(jì)量而言，通常將 200m以上的測(cè)量稱為距離測(cè)量（Distance Measurement ）， 3m以下的稱為一般長(zhǎng)度測(cè)量， 3200m之間的測(cè)量稱為大尺寸測(cè)量(Large Dimension Measurement)1。雙頻激光干涉儀在一般長(zhǎng)度精密測(cè)量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室

3、檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定， 既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量， 也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量，既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。不僅在單純的長(zhǎng)度計(jì)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(gè)工程測(cè)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(xué)術(shù)論文不勝枚舉， 對(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，國(guó)外很多學(xué)者常常有很獨(dú)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(duì)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(dòng)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(diǎn)，激光干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛：精密長(zhǎng)度、角度的測(cè)量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測(cè)；精密儀器中的定位檢測(cè)系統(tǒng)如精密機(jī)械的控制、校正；大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測(cè)儀器中的定位檢測(cè)系統(tǒng)；微小尺寸的測(cè)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(yùn)用了光波干涉的原

5、理。在大多數(shù)激光干涉測(cè)長(zhǎng)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(xué)邁克爾遜雙光束干涉儀測(cè)長(zhǎng)公式為式中： L被測(cè)長(zhǎng)度；波長(zhǎng)；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(zhǎng)；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(cè)量反光鏡 M2后返回，另一束反射后透過補(bǔ)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(duì)應(yīng)的干涉條紋為：式中：測(cè)量光路長(zhǎng)度；參考光路長(zhǎng)度。圖 1，干涉儀光路圖當(dāng)反射鏡 M2移動(dòng)到 M2時(shí)，設(shè)被測(cè)長(zhǎng)度為d，那么于是可

6、以寫成： K=K2+K1，K1 為初始位置時(shí)的干涉條紋數(shù)， K2為測(cè)量條紋數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，通常取 K1=0，對(duì)應(yīng)測(cè)量長(zhǎng)度 d 計(jì)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(chǎng)， 由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)， 發(fā)出一束含有兩個(gè)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(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)平行光管準(zhǔn)直和擴(kuò)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(gè)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(gè)拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個(gè)光頻的差值即（ f1-f2 ），約為 1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。 另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡?；ハ啻怪钡木€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(cè)量棱鏡， 這時(shí)如果它以速度 v 運(yùn)動(dòng)，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(huì)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(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。 計(jì)算機(jī)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行比較， 計(jì)算它們之間的差值± f （即多普勒頻差）。進(jìn)而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動(dòng)度數(shù)和時(shí)間求得被測(cè)長(zhǎng)度。雙頻激光干涉儀中， 雙頻起到了調(diào)頻的作用， 被測(cè)信號(hào)只是疊加在這一調(diào)頻副載波上，這副載波與被測(cè)信號(hào)一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 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(cè)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(cè)量中優(yōu)先考慮的測(cè)量手段 5 。本文例舉了兩個(gè)利用雙頻激光干涉儀測(cè)量大尺寸的方法。2.1雙頻激光干涉儀測(cè)量大尺寸軸徑雙頻激光干涉儀是一

9、種增量式測(cè)長(zhǎng)儀 6 。在時(shí)間 t ，被測(cè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的多普勒頻差為計(jì)數(shù)器記得的脈沖數(shù) K。計(jì)數(shù)器計(jì)脈沖數(shù)時(shí)，需要有信號(hào)控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)，此信號(hào)由準(zhǔn)直系統(tǒng)提供 7 。當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)軸徑的測(cè)量起點(diǎn)時(shí)，發(fā)出一個(gè)開始計(jì)數(shù)信號(hào)； 當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)的測(cè)量終點(diǎn)時(shí)， 發(fā)出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 所以準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的精度直接影響測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度 8 。激光準(zhǔn)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準(zhǔn)直的基準(zhǔn)， 光電目標(biāo)靶為準(zhǔn)直系統(tǒng)的接收裝置，常用的是硅光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示。圖 3，4 象限硅光電探測(cè)器被測(cè)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(cè)工件直徑 D 與 L，L0 的幾何關(guān)系雙頻激光干涉儀直接測(cè)得兩個(gè) 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(gè)定位塊合在一起時(shí)兩個(gè) 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(cè)量出其大小。由圖 3 可得被測(cè)工件外徑的計(jì)算公式為式中， s 為定位塊的槽寬，是一個(gè)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(cè)量出位于被測(cè)直徑兩端點(diǎn)處的兩個(gè) 4 象限光電池中心之間的距離 L，就可按式（ 7）得到被測(cè)直徑 D的大小。用這種方法測(cè)量大尺寸軸徑，系統(tǒng)誤差小于 6

11、15;10-6m，可測(cè)量的圍為 500mm至 1000mm左右。2.2雙頻激光干涉儀無(wú)導(dǎo)軌大尺寸精密測(cè)量利用雙縱模 He-Ne激光進(jìn)行大尺寸精密測(cè)量，就是以其拍波波長(zhǎng)作為基本測(cè)量單位，采用“小數(shù)重合法”的原理來進(jìn)行的 9 。其原理如圖 5 所示。圖 5，測(cè)量原理圖圖中所示的激光器發(fā)射出一束包含兩個(gè)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(zhǎng)在 450500mm 之間。該光束通過普通分光鏡時(shí)被分成兩束， 其中透射光進(jìn)入測(cè)量光路， 而反射光進(jìn)入?yún)⒖脊饴?。假設(shè)測(cè)量光路為 Lm，而參考光路為 Lr ，則經(jīng)過測(cè)量和參考光路的兩光束分別為參考光路：測(cè)量光路：

12、式中，Er 為參考信號(hào)， Em為測(cè)量信號(hào)。令 V=V2-V1， （V被稱為拍波頻率，被稱為拍波波長(zhǎng)）。當(dāng)這兩路信號(hào)進(jìn)行相位比較檢測(cè)后可得式中， L=Lr-Lm。由此，只要測(cè)出相位差 ，就可以測(cè)出測(cè)量光路相對(duì)于參考光路的長(zhǎng)度差。用這個(gè)方法測(cè)量大尺寸，其測(cè)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(cè)距原理，在傳統(tǒng)測(cè)長(zhǎng)機(jī)上加裝激光測(cè)量系統(tǒng)，可以將這些儀器的精度檢測(cè)能力提高一個(gè)臺(tái)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(yùn)用干涉測(cè)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(cè)量裝置，此

13、法簡(jiǎn)單直接，用一套激光干涉儀即可實(shí)現(xiàn)。圖 6，單光路激光檢定量塊實(shí)驗(yàn)裝置圖具體檢定步驟如下：1 ，將測(cè)長(zhǎng)機(jī)頂針碰觸，置于起始位置，此時(shí)將激光讀數(shù)清零；2 ，將頂針移開，放入量塊并固定?。? ，調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，得到一個(gè)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(cè)長(zhǎng)機(jī)的結(jié)構(gòu)所限， 在使用上述方法時(shí)，一定要盡可能保證激光光路與測(cè)長(zhǎng)機(jī)頂針在同一軸線上。 由于激光光路跟被檢測(cè)物體并非在同一位置， 檢測(cè)較長(zhǎng)的量塊時(shí)會(huì)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(cè)量裝置，該方法可以很好修正阿貝誤差，并且可以將滑動(dòng)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(dòng)座測(cè)頭移動(dòng)到端面，置于起始位置，此時(shí)激光讀數(shù)清零；2，將頂針移開，放入量塊并固定??；3，直接記錄激光軟件讀數(shù)。由于光路是對(duì)稱分布在測(cè)量回路的兩側(cè)， 激光系統(tǒng)記錄的是光路 L1 和 L2 的長(zhǎng)度之和，此時(shí)量塊檢定值為（ L1+L2） /2 ，利用此法，可以檢定長(zhǎng)達(dá)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(xué)附件結(jié)合 , 可以測(cè)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(jī)床誤差來源 ; 而且測(cè)量時(shí)可以在工作部件運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)

15、 , 更接近機(jī)床的實(shí)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(shí)處理數(shù)據(jù) , 為機(jī)床誤差修正提供依據(jù)。 因此 , 用雙頻激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床各項(xiàng)誤差是一種用傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機(jī)床的重要指標(biāo) , 目前世界各國(guó)機(jī)床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進(jìn)行該項(xiàng)精度的檢定 11 。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長(zhǎng)度干涉儀和測(cè)量反射鏡 , 測(cè)量時(shí)將長(zhǎng)度干涉儀置于不動(dòng)位置 , 反射器安裝在運(yùn)動(dòng)部件上 ( 也可相反 ) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床檢定上的應(yīng)用，即是對(duì)其各項(xiàng)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(cè)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(cè)量和角度誤差測(cè)量為例說明雙頻激光干涉儀的強(qiáng)大功能。5.1雙頻激光干涉測(cè)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(cè)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(cè)角儀。其測(cè)量原理為： 當(dāng)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(dá)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(dá)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(huì)合形成拍頻， 經(jīng)檢偏器

17、后由光電接收器接收。 當(dāng)雙角錐棱鏡組在移動(dòng)過程中沒有發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，兩束光的多普勒頻差不變，拍頻不變。如果，移動(dòng)過程中雙角錐棱鏡組發(fā)生擺動(dòng)，則相當(dāng)于兩個(gè)角錐棱鏡的移動(dòng)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(cè)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(cè)量角度時(shí)，其分度值為 0.1 ，當(dāng)測(cè)量圍為± 100時(shí)，測(cè)量精度為 0.5 12 。5.2雙頻激光干涉儀測(cè)直線度誤差雙頻激光干涉儀與光學(xué)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(cè)量系統(tǒng)， 由于此法已經(jīng)在工程測(cè)量中廣泛應(yīng)用，且原理與測(cè)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(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)， 已經(jīng)在工程測(cè)量領(lǐng)域處于不可替代的重要作用。 它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸的精密計(jì)量， 可以對(duì)各類計(jì)量器和機(jī)械加工器械進(jìn)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。【參考文獻(xiàn)】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(xué)報(bào)， 1988，9（4）：3743802 慶祥、王東生等，現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì) . ：清華大學(xué)， 20043 其波，光學(xué)測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用 . ：清華大學(xué)， 20084 國(guó)光，近代光學(xué)測(cè)試技術(shù) . ：大學(xué)， 19975 佳、鐳，大直徑工件的測(cè)量方法 J. 機(jī)械與電子， 2006（ 3）： 13156 君、穆海華等，激光干涉測(cè)量中的誤差分析與補(bǔ)償 J. 機(jī)床與液壓， 2009，NO.9：1811