《激光移相干涉測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》

《激光移相干涉測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》《激光移相干涉測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》PAGE8《激光移相干涉測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》一．激光移相干涉測試技術(shù)原理1。激光干涉儀激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。目前常用來測量長度的干涉儀，主要是以麥克森(Michelson)干涉儀為主，并以穩(wěn)頻氦氖激光為光源,構(gòu)成一個(gè)具有干涉作用的測量系統(tǒng)，如圖一所示。激光光經(jīng)由分束鏡（beamsplitter）,又稱半反射鏡（semi-reflector)，將光束一分為二，一束射向一個(gè)固定反射鏡形成參考路徑，一束射向可移動(dòng)的反射鏡形成測量距徑。這二反射鏡所反射的光，回到分束鏡內(nèi)重新會(huì)合，合并成一道光束并產(chǎn)生干涉條紋射至光電傳感器，因傳感器感測出這些條紋的明暗變化，經(jīng)由后級信號(hào)處理電路加以處理，即能計(jì)算出移動(dòng)反射鏡(待測物)所移動(dòng)的距離。激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的,最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺,后又用于在計(jì)量室中精密測長。雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的,它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59％、CO2含量0.03%）下的測量精確度很高，可達(dá)1×10。1)單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路,并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式［356-11］式中λ為激光波長（N為電脈沖總數(shù)），算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。2）雙頻激光干涉儀在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場.由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路.一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束.另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束.當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化）.這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘1/2激光波長）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上,對由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測長機(jī)、HYPERLINK”/view/200077.htm"三坐標(biāo)測量機(jī)、光刻機(jī)和HYPERLINK”http：///view/25012。htm”加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測長機(jī)、高精度三坐標(biāo)測量機(jī)等的測量系統(tǒng).利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度HYPERLINK"http：///view/1695192。htm”直線度測量、平面度測量和小角度測量。2.激光移相干涉測試技術(shù)原理分析被測鏡參考鏡被測鏡參考鏡激光移相干涉光路原理圖壓電晶體L是參考面和被測面到分束板的距離li是壓電晶體帶動(dòng)參考鏡作正弦振動(dòng)的瞬時(shí)振幅被測波面的波前為干涉條紋的光強(qiáng)分布為w（x，y）是被測波面（位相).對被測波面上所有的點(diǎn),I（x，y，li）是li的余弦函數(shù)，因此可以寫出它的傅立葉級數(shù)形式將I(x,y，li）按三角函數(shù)展開有可得式中存在a、b、w（x，y）三個(gè)未知量，要從方程中解出w(x,y)，至少需要移相三次，采集三幅干涉圖。對每一點(diǎn)（x,y）的傅立葉級數(shù)的系數(shù),還可以用三角函數(shù)的正交性求得便于實(shí)際的抽樣檢測，用和式代替積分n為參考鏡振動(dòng)一個(gè)周期中的抽樣點(diǎn)數(shù)。于是,可得特殊地，取四步移相,即n=4,使得為了提高測量的可靠性，消除大氣湍流、振動(dòng)及漂移的影響，可以測量傅氏級數(shù)的系數(shù)在p個(gè)周期中的累加數(shù)據(jù)，用下式來求從最小二乘法意義上看，上式所表達(dá)的傅里葉系數(shù)是波面輪廓的最好擬合.得二．激光移相干涉測試技術(shù)的特點(diǎn)激光相干儀具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度；絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會(huì)對被測件帶來表面損傷和附加誤差;較大的量程范圍；抗干擾能力強(qiáng)；操作方便;實(shí)現(xiàn)了條紋計(jì)數(shù)自動(dòng)測量；無需補(bǔ)償板；角錐棱鏡的優(yōu)點(diǎn)得到充分利用；空氣折射率自動(dòng)測量與修正；在精密測量、精密加工和實(shí)時(shí)測控的諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.1）激光移相干涉測試技術(shù)原理上采用上述最小二乘法擬合來確定被測波面，因此可以消除隨機(jī)的大氣湍流、振動(dòng)及漂移的影響，這是這種測試技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn).2）是可以消除干涉儀調(diào)整過程中及安置被測件的過程中產(chǎn)生的位移、傾斜及離焦誤差（數(shù)字化處理）。由于角錐棱鏡在運(yùn)動(dòng)時(shí)即使有小的轉(zhuǎn)動(dòng)也不影響反射光軸的方向,從而大大降低了對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)械精度要求。由于反射光束和入射光束是非共軸的，從而避免了反射光的干擾。3）是可以大大降低對干涉儀本身的準(zhǔn)確度要求。波面位相信息是通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算、存貯和顯示的。這就在實(shí)際上有可能先把干涉儀系統(tǒng)本身的波面誤差存貯起來，而后在檢測被測波面時(shí)在后續(xù)的波面數(shù)據(jù)中自動(dòng)減去，使干涉儀制造時(shí)元件所需的加工精度可以放寬。當(dāng)要求總的測量不確定度達(dá)到1/100波長時(shí)，干涉儀系統(tǒng)本身的波面誤差小于一個(gè)波長就可以了.4）降低了對光闌的要求。由于激光單色性好、亮度高，所以，激光干涉系統(tǒng)對光闌的主要作用是減小激光器二次發(fā)散光束的影響和擋住背景雜散光，它可安置在準(zhǔn)直光管物鏡的主焦點(diǎn)上。光闌的形式為小圓孔。面陣探測器可變衰減器偏振分光鏡檢偏器激光器面陣探測器可變衰減器偏振分光鏡檢偏器激光器壓電晶體1/2波片1/4波片被測表面齊明鏡組1/4波片激光移相干涉系統(tǒng)光路圖性能:測量點(diǎn)數(shù)：1024點(diǎn)測量平面最大直徑為125mm；測量不確定度達(dá)1/100波長。測試精度的分析干涉條紋圖樣對比度降低對于所有類型的干涉儀,干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因是：光源的時(shí)間相干性；光源的空間相干性;相干光束的光強(qiáng)不等;雜散光的存在；各光束的偏振狀態(tài)差異；振動(dòng)、空氣擾動(dòng)、干涉儀結(jié)構(gòu)的剛性不足等。2。干涉條紋的拾取采用線陣為條紋自動(dòng)拾取工具，提高了系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度并基本消除了人為的計(jì)數(shù)誤差。。系統(tǒng)采用波長=0.63299um的He—Ne激光器,同時(shí)又在CCD前面加了前置放大鏡，對條紋進(jìn)行放大,使條紋最大間距為100個(gè)象素,系統(tǒng)理論上能分辨的最小位移為0。0032um。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,系統(tǒng)測量分辨力還會(huì)不斷提高。3.激光器的頻率穩(wěn)定性激光的波長穩(wěn)定性可視為頻率的穩(wěn)定性，He—Ne激光器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)2x10-12以上所以，1um的位移測量誤差從理論上講,可以達(dá)到0。01nm，因此,系統(tǒng)可以獲得極高的測量準(zhǔn)確度。另外為了防止被測物體和參考光路返回激光器干擾激光器的輸出,反過來又使激光信號(hào)不穩(wěn)定,所以在激光器前面加了一個(gè)光學(xué)隔離器，此隔離器由起偏器和1/4波片組成，兩者光軸夾角45%，激光經(jīng)1/4波片后輸出圓偏振光，返回再次經(jīng)過時(shí)成為與初始激光偏振方向下次的線偏