激光干涉測長系統(tǒng)

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1、 激光干涉測長 B08340218 吳國斌 08測控（2）班 干涉測量技術(shù)是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的一門技術(shù)。在激光出現(xiàn)以后，加之電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隔振與減振條件的改善，干涉技術(shù)得到了長足進(jìn)展。干涉測量技術(shù)大多數(shù)是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度，而且應(yīng)用范圍十分廣泛。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫—曾德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼—格林干涉儀等；70年代以后，具有良好抗環(huán)境干擾能力的外差干涉儀，如雙頻激光干涉儀、光纖干涉儀也很快的發(fā)展了起來。激光干涉儀越來越實用，其性能越來越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也越來越緊湊。 干涉測長的基本原理 激光干涉測長的基本光路是一個邁

2、克爾遜干涉儀（如圖1示）,用干涉條紋來反映被測量的信息。干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時，它們相互加強(qiáng)形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。兩束光的光程差可以表示為 (1) 式中分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率；分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。將被測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使反光鏡M2沿光束2方向移動，每移動半

3、波長的長度，光束2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。通過對干涉條紋變化的測量就可以得到被測長度。P 光束1 單模穩(wěn)頻He-Ne激光器 光電計數(shù)器 顯示記錄裝置 待測物體 激光束 光束2 光電顯微鏡 邁克爾遜干涉儀 M1 M2 可移動平臺 圖1 激光干涉測長儀的原理圖 被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是 （2） 式（2）是激光干涉測長的基本測量方程。 從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測長系統(tǒng)進(jìn)行

4、基本誤差分析 （3） 式中分別為被測長度、干涉條紋變化計數(shù)和波長的相對誤差。這說明被測長度的相對誤差由兩部分組成，一部分是干涉條紋計數(shù)的相對誤差，另一部分是波長也就是頻率的相對誤差。前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題，后者除了激光穩(wěn)頻技術(shù)有關(guān)之外還與環(huán)境控制，即對溫度、濕度、氣壓等的控制有關(guān)。因此激光干涉測長系統(tǒng)測量誤差必須根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。 激光干涉測長系統(tǒng)的組成 除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。激光光源一般是采用單模的He-

5、Ne氣體激光器，輸出的是波長為632.8納米的紅光。因為氦氖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(yùn)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，所以氦氖激光器特別適合用作相干光源。為提高光源的單色性，對激光器要采取穩(wěn)頻措施?？梢苿悠脚_攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測物體一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動。光電顯微鏡的作用是對準(zhǔn)待測物體，分別給出起始信號和終止信號，其瞄準(zhǔn)精度對測量系統(tǒng)的總體精度有很大影響。光電計數(shù)器則對干涉條紋的移動進(jìn)行計數(shù)。顯示和記錄裝置是測量結(jié)果的輸出設(shè)備，顯示和記錄光電計數(shù)器中記下的干涉條紋移動的個數(shù)及與之對應(yīng)的長度

6、，可以用專用計算機(jī)或也可以用通用的PC機(jī)替代。 邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。 干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。常用的分光器有分振幅平行平板分光器（圖1）和立方棱鏡分光器。其中立方棱鏡分光器上還可以膠合干涉儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，能與系統(tǒng)的機(jī)座牢固連接減少誤差。在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器（參見圖6B2），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蒸鍍偏振分光膜，得到高度偏振的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶軸正交的偏光棱鏡組成,如沃拉斯頓棱鏡。 干涉儀中

7、常用的反射器件中最簡單的是平面反射器，這種器件的偏轉(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)或長光程干涉儀中此項誤差不可忽略。角錐棱鏡反射器（圖2a）的反射光與A B C O E F 正入射 斜入射 L M C′ C (a) (b) (c) 圖2 (a) 角錐棱鏡反射器；(b) 直角棱鏡反射器；(c) 貓眼反射器 入射光反向平行，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。直角棱鏡反射器（圖2b）只有兩個反射面,加工起來比較容易，并只對一個方向的偏轉(zhuǎn)敏感。貓眼反射器（圖2c）由一個透鏡L和一個凹面反射鏡M組成，反射鏡放在

8、透鏡的焦點處，若反射鏡的曲率中心C′與透鏡的光心C重合，當(dāng)透鏡和反射鏡一起繞著C旋轉(zhuǎn)時，光程保持不變。貓眼反射器的優(yōu)點是容易加工和不影響偏振光的傳輸，而且在光程不太長時還可以用平面反射鏡代替凹面反射鏡，更容易加工與調(diào)整。 激光干涉儀光路的總體布局也有若干可能的選擇。在激光干涉儀光路設(shè)計中，一般遵循共路原則，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)境條件對兩條光路影響不一致而引起的測量誤差。典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的常用的光路布局，如圖3示。圖3a中角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，這種光路可避免反射光束返回激光器，以免返回光束引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定

9、。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。但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，因此也可采用一個角錐棱鏡作為可動反射鏡（圖3b）。參考光路中還可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器還可采用其他幾種光路。如圖3c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。其它光路布局還有整體式布局、光學(xué)倍頻布局、零光程差的結(jié)構(gòu)布局等，各有其特點和用途。 (a) (b) (c) 圖3 (a) 雙角錐棱鏡光路；(b) 單角錐棱鏡光路；(c) 雙光程光路

10、 激光干涉測長系統(tǒng)的另一個重要組成部分是干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)。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個方向的移動，或由于外界振動，導(dǎo)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(shè)計方向判別部分，將計數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖。當(dāng)測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為正脈沖，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(jìn)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，就不代表真正的位移值。另外為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。為達(dá)到這些目的

11、，干涉儀必須有兩個位相差為90度的電信號輸出，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。常用的移相方法有機(jī)械移相（圖4），翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。 D1 D2 B M2 M1 M2′ I D1 D2 圖4 機(jī)械法移相原理圖 干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強(qiáng)信號，該信號經(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（圖5）。若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動時定為1、2、3、4，反向移動時定為1、4、3、2；后續(xù)的邏輯電路便可

12、以根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4判斷脈沖的方向，并送入加脈沖門或減脈沖門，便實現(xiàn)了判向的目的。同時經(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。實現(xiàn)干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應(yīng)的測量方程變?yōu)? （4） 6 6 1 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 8 9 [sin] [cos] [sin] [-sin] [-cos] [cos] 2 1 4 3 1－干涉條紋；2－移相系統(tǒng)；3－光電

13、接收器；4－放大器；5－倒相 6－微分電路；7－可逆計數(shù)器；8－計算機(jī)；9－顯示器 圖6-5 判向計數(shù)原理 激光外差干涉測長技術(shù) 激光的發(fā)明和應(yīng)用使干涉測長技術(shù)提高了精度，擴(kuò)大了量程并且得到了普及，但是使干涉測長技術(shù)走出實驗室進(jìn)入車間，成為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制設(shè)備的是激光外差干涉測長技術(shù)，具體來講就是雙頻激光干涉儀。 激光干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋變化頻率與測量反射鏡的運(yùn)動速度有關(guān)，在從靜止到運(yùn)動再回到靜止的過程中對應(yīng)著頻率從零到最大值再返回到零的全過程，因此光強(qiáng)轉(zhuǎn)化出的直流電信號的頻率變化范圍也是從零開始的。這樣的信號只能用直流放大器來放大

14、處理。但是在外界環(huán)境干擾下，干涉條紋的平均光強(qiáng)會有很大的變化，以至于造成計數(shù)的錯誤。所以一般的激光干涉儀抗干擾能力差，只能在恒溫防振的條件下使用。為了克服以上缺點，可以在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，使得干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用這種技術(shù)設(shè)計的干涉儀稱作外差干涉儀，或交流干涉儀。產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種，一種是使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個頻率差，這樣的兩束光相干的結(jié)果會出現(xiàn)光學(xué)拍的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號以后得到差頻的載波，另一種是在干涉儀的參考臂中對參考光束進(jìn)行調(diào)制，與測量臂的光干涉直接生成載波信號。前者稱為是光外差干涉，

15、而后者常常稱作是準(zhǔn)外差干涉。本節(jié)以前一種原理的雙頻激光干涉儀為主來介紹激光外差干涉測長技術(shù)。 雙頻激光干涉儀的光路如圖6所示，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光（常用的雙頻激光干涉儀把這一頻差設(shè)計成）。通過1/4波片后，和變成相互垂直的線偏振光，又被分束鏡分成兩束,其中一束反射到主截面與相互垂直的兩線偏振光偏振方向成45的檢偏器，產(chǎn)生拍頻信號。光電探測器對兩倍光頻的和頻信號沒有響應(yīng)，接收到的只是頻率為的參考差頻信號。另一束光透過分束鏡向前傳播進(jìn)入偏振分光棱鏡后，偏振方向垂直紙面的被完全反射，偏振方向在紙面內(nèi)的完全透射。再經(jīng)由參考臂反

16、射鏡和測量臂反射鏡反射回來合束，通過類似檢偏器的檢偏器，產(chǎn)生的拍頻信號被光電探測器接收。由于測量反射鏡以速度運(yùn)動，光的多普勒效應(yīng)使由返回光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移（正負(fù)號取決于測量反射鏡的運(yùn)動方向），接收到的測量信號頻率為。將測量信號與參考信號進(jìn)行同步相減便得到多普勒頻移，多普勒頻移對測量時間積分，也就是說進(jìn)行累計計數(shù)就可以測出測量反射鏡的位B1 ν1 激光器 M1 M2 B2 P2 D2 P1 D1 V ν2 ν1 1/4波片 ν1 ν2 ν2Δν ν1-ν2 ν1-(ν2Δν) ν2 圖6 雙頻激光干涉儀光路圖 移量。 測量反射鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為 （5） 式中為光速，為光波長。若測量所用時間為，則測量鏡的位移量可由下式計算 （6） 式中為記錄下來的累計脈沖數(shù)。 雙頻激光干涉儀的被測信號是作為頻率調(diào)制加在載頻之上的，一般應(yīng)小于載頻的三分之一，因此對應(yīng)的多普勒頻移不能超過，允許的最大測量速度約為。這樣一來，處理電路的工作頻率可以設(shè)定在之間，從而濾掉小于的全部噪聲。 8