激光外差干涉测长与测振

1、1-6 激光外差干涉测长与测振激光外差干涉测试技术激光外差干涉测试技术4)(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),(222x,yt-eex,yteex,yteteyxtetetyxitrtrtrtr),(cos2/2/),(22yxteeeetyxitrtr)/1/(2),(),(00vttyxyx/2vfv2fv2nvfv 主要内容主要内容 一、双频激光外差干涉一、双频激光外差干涉二、双频激光外差干涉的应用二、双频激光外差干涉的应用三、条纹小数重合法原理三、条纹小数重合法原理四、红外双线氦氖激光绝对干涉测长系统四、红外双线氦氖激光绝对干涉测长系统

2、一、双频激光外差干涉仪一、双频激光外差干涉仪光源光源: 双频双频he-ne激光器激光器在全内腔单频在全内腔单频hene激光器上加上约激光器上加上约30010-4t的轴向磁场的轴向磁场 由于塞曼效应由于塞曼效应和频率牵引效和频率牵引效应，使该激光应，使该激光器输出一束有器输出一束有两个不同频率两个不同频率的左旋和右旋的左旋和右旋圆偏振光圆偏振光 ，它，它们的频率差们的频率差v约为约为15mhz tttttfnlltvtvtf0000d22 2d2d2d 所以由于双频激光器双频激光器1发出双频激光束发出双频激光束 通过通过14波片波片2变成两束振动方向互相垂直的线偏振变成两束振动方向互相垂直的线偏

3、振光光(v1垂直于纸面，垂直于纸面，v2平行于纸面平行于纸面) ，一小部分被反一小部分被反射到检偏器射到检偏器5上，检偏器的上，检偏器的透光轴与纸面透光轴与纸面成成450 一部分光束透过分束一部分光束透过分束镜镜4沿原方向射向偏振沿原方向射向偏振分束棱镜分束棱镜8。偏振方向。偏振方向互相正交的线偏振光互相正交的线偏振光被偏振分束镜按偏振被偏振分束镜按偏振方向分光，方向分光， v1被反射被反射至参考角锥棱镜至参考角锥棱镜9， v2则透过则透过8到测量角锥到测量角锥棱镜棱镜10 工作原理工作原理经光束扩束器经光束扩束器3适当扩束准直后，光束被分束镜适当扩束准直后，光束被分束镜4分为两部分分为两部分

4、根据马吕斯定律，根据马吕斯定律，两个互相垂直的两个互相垂直的线偏振光在线偏振光在450方方向上的投影，形向上的投影，形成新的同向线偏成新的同向线偏振光并产生振光并产生“拍拍”，其拍频，其拍频就等于两个光频就等于两个光频之差，即之差，即vv1v21.5mhz 由光电接收器由光电接收器6接收后接收后进入交流放大器进入交流放大器7，放，放大后的信号作为参考大后的信号作为参考信号送给计算机信号送给计算机 光束返回后重新通过偏振分束镜光束返回后重新通过偏振分束镜10与与v1的返回光会合，经的返回光会合，经反射镜反射镜11及透光轴与纸面成及透光轴与纸面成450的检偏器的检偏器12后也形成后也形成“拍拍”

5、，其拍频信号可表示为，其拍频信号可表示为若测量镜以速度若测量镜以速度v运动运动(移动或振动移动或振动)，则由于多普勒，则由于多普勒效应，从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移效应，从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移 正负号由动镜移动方向决定，当动镜正负号由动镜移动方向决定，当动镜向偏振分束器方向移动时，向偏振分束器方向移动时，v为负为负 拍频信号被光电拍频信号被光电13接收后，进入交流前置放大器接收后，进入交流前置放大器14，最后，最后也被送入计算机也被送入计算机 计算机工作计算机工作（1）计算机先将拍频信号）计算机先将拍频信号v0 v 与参考信号与参考信号v0进行相进行相减处理后，就得到

6、所需的测量信息减处理后，就得到所需的测量信息v 设在动镜设在动镜10移动的时间移动的时间t内。由内。由v引起的条纹亮暗引起的条纹亮暗变化次数为变化次数为n，则有，则有于是于是（2）由）由v换算成换算成l的工作由计算机通过软件自动进行，最的工作由计算机通过软件自动进行，最后由显示器显示被测长度值。后由显示器显示被测长度值。优点：优点：前置放大器可采用交流放大器，避免了用直前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器时所遇到的棘手的直流漂移问题流放大器时所遇到的棘手的直流漂移问题 交流干涉仪抗干扰性能好交流干涉仪抗干扰性能好 测量范围大测量范围大(可测大于可测大于60m的距离的距离) 应用应用

7、：测长外，还可用于测角、测直线度及测振等测长外，还可用于测角、测直线度及测振等 稳频措施稳频措施 ：塞曼稳频法塞曼稳频法 二、双频激光外差干涉的应用二、双频激光外差干涉的应用应用：应用：车间现场进行精密计量、精密测角车间现场进行精密计量、精密测角 为便于测量，往往将干涉仪的干涉系统作为一个部件装在为便于测量，往往将干涉仪的干涉系统作为一个部件装在被测的机床上，而把激光器、照明系统与接收系统组合成被测的机床上，而把激光器、照明系统与接收系统组合成一体，装在一个箱体内，且与干涉系统远远地分开，这种一体，装在一个箱体内，且与干涉系统远远地分开，这种结构称为遥置式结构结构称为遥置式结构 优点：优点：

8、减少热气流的影响减少热气流的影响 有利于消除闲区误差有利于消除闲区误差 便于更换干涉仪的组件，以扩大应用范围，使双频干便于更换干涉仪的组件，以扩大应用范围，使双频干涉仪成为多功能干涉仪涉仪成为多功能干涉仪 双频激光器双频激光器1发出的双频激光束发出的双频激光束 被双膜块组下部的偏振分束镜按偏振方向分开被双膜块组下部的偏振分束镜按偏振方向分开 其中其中v1光透过光透过偏振分束镜射偏振分束镜射向角锥棱镜向角锥棱镜i v2光被反射向上，经以光被反射向上，经以膜双块上部的普通反射膜双块上部的普通反射镜反射到角锥棱镜镜反射到角锥棱镜ii 工作原理工作原理分别由这两个角锥棱镜返回的光束在偏分别由这两个角锥

9、棱镜返回的光束在偏振分光镜处重新会合，然后经反射镜反振分光镜处重新会合，然后经反射镜反射到检偏振器及光电接收器射到检偏振器及光电接收器 (一一)双频激光干涉仪用于精密测角双频激光干涉仪用于精密测角 干涉系统中用一双膜块组取代测长时所用的偏振分束器，干涉系统中用一双膜块组取代测长时所用的偏振分束器，另外用一双角锥棱镜组分别作为干涉仪的测量镜和参考镜另外用一双角锥棱镜组分别作为干涉仪的测量镜和参考镜 双角锥棱镜组安故在被测物体上，当它在导轨上平移且没有摆双角锥棱镜组安故在被测物体上，当它在导轨上平移且没有摆动时，两支光路的多普勒频移动时，两支光路的多普勒频移v1=v2，会合后经检偏振器产，会合后经

10、检偏振器产生拍频，并在拍频中互相抵消，计算机无多普勒频移值出现。生拍频，并在拍频中互相抵消，计算机无多普勒频移值出现。如果双角锥棱镜组在移动过程中，由于导轨的直线度偏差而发如果双角锥棱镜组在移动过程中，由于导轨的直线度偏差而发生生角的倾斜，则两棱镜的角点在光轴方向将产生一个相对位角的倾斜，则两棱镜的角点在光轴方向将产生一个相对位移量移量。此时两路的多普勒频移。此时两路的多普勒频移v1和和v2不相等，即有不相等，即有v=v1-v精度：精度：应用应用 ：精确测量导轨的直线度和平板的平面度等精确测量导轨的直线度和平板的平面度等 测导轨的直线度时，双膜块组被固定在适当位置，而双角锥棱镜测导轨的直线度时

11、，双膜块组被固定在适当位置，而双角锥棱镜组固定在工作台上，移动工作台即可测出以角量表示的直线度组固定在工作台上，移动工作台即可测出以角量表示的直线度 测角最小显示值测角最小显示值(分辨率分辨率)可达可达01。其测角精。其测角精度在度在100”范围内可达范围内可达0.5，量程可达土，量程可达土1000” (二二)双频激光干涉仪测量直线度双频激光干涉仪测量直线度(以线量表示以线量表示)双频激光器发出双频激光束双频激光器发出双频激光束 通过半反射镜至渥拉斯顿偏振分束器上，正交通过半反射镜至渥拉斯顿偏振分束器上，正交线偏振光线偏振光v1和和v2被分开被分开theta的两束线偏振光的两束线偏振光 分别射

12、向双面反射镜的分别射向双面反射镜的两翼并由原路返回两翼并由原路返回 工作原理工作原理返回光在渥拉斯顿镜处重新会和后，经返回光在渥拉斯顿镜处重新会和后，经半反射镜、全反射镜反射到检偏器。半反射镜、全反射镜反射到检偏器。 两光束在检偏器后形成拍频并两光束在检偏器后形成拍频并被光电接收器接收被光电接收器接收 （1）若双面反射镜沿）若双面反射镜沿z轴平移到轴平移到a点，由于点，由于v1和和v2所走的光程相所走的光程相等，所以等，所以v1=v2，拍频互相抵消，计算机显示器无多普勒频，拍频互相抵消，计算机显示器无多普勒频移显示。移显示。 计算机工作计算机工作（2）在移动过程中由于导轨的直线度偏差而使双面反

13、射镜沿）在移动过程中由于导轨的直线度偏差而使双面反射镜沿y方向下落到方向下落到b点。点。 v1光的光程较原来的减少了光的光程较原来的减少了2ac；与此相反，；与此相反，v2光的光程光的光程却增加了却增加了2bd。两者总差值等于。两者总差值等于2（ac+bd），根据这一），根据这一数值，即可以算出下落量数值，即可以算出下落量 以线量表示以线量表示的导轨直线的导轨直线性偏差性偏差 测直线度的精度可达土测直线度的精度可达土15m，其分辨率为，其分辨率为lm，最大，最大检测距离可达检测距离可达3m，最大下落量可测到，最大下落量可测到15mm 精度精度(三三)双频激光干涉用于同轴度的精密测量双频激光干涉

14、用于同轴度的精密测量 双频激光直线度测量仪，在长距离上测量直双频激光直线度测量仪，在长距离上测量直线度，具有很高的精度和可靠性，但是这种线度，具有很高的精度和可靠性，但是这种仪器能否用于长距离同轴度的精密测量呢？仪器能否用于长距离同轴度的精密测量呢？ 提出问题提出问题同轴度测量仪器应具有以下的特点同轴度测量仪器应具有以下的特点 解决问题解决问题(1)能够进行间断测量能够进行间断测量 (2)测量系统对激光束的平漂和角漂具有自适应能力，测量系统对激光束的平漂和角漂具有自适应能力，光束漂移应不影响测量结果。光束漂移应不影响测量结果。 (3)光学系统对大气扰动应具有较强的抵抗力。光学系统对大气扰动应具

15、有较强的抵抗力。 (4)由于同轴度测量时，定心靶必须从一个孔移到另一由于同轴度测量时，定心靶必须从一个孔移到另一个孔，还要进行找正，测量所用时间较长，因而要求个孔，还要进行找正，测量所用时间较长，因而要求仪器具有较好的长时间稳定性。仪器具有较好的长时间稳定性。 现有的双频激光直线度干涉仪是无法满足上述要求的现有的双频激光直线度干涉仪是无法满足上述要求的 原因原因（1）双频激光直线度干涉仪在信号处理上采用锁相倍）双频激光直线度干涉仪在信号处理上采用锁相倍频计数技术，不允许信号中断，否则计数立即无效。频计数技术，不允许信号中断，否则计数立即无效。 （2）即使对信号处理系统进行了改进，也有近程死区和

16、）即使对信号处理系统进行了改进，也有近程死区和测量范围的矛盾，实现相位测量的一个必要条件是：在测量范围的矛盾，实现相位测量的一个必要条件是：在测量范围内相位的变化范围必须在测量范围内相位的变化范围必须在之间之间 希望把现有的激光直线度测量仪通过参数优化改造来实现同轴希望把现有的激光直线度测量仪通过参数优化改造来实现同轴度是不可能的度是不可能的 结论结论 此外，在此外，在hp5528中，采用了等光强稳频方案中，采用了等光强稳频方案(塞曼稳频塞曼稳频)，虽然，虽然光频比较稳定，但频差变化比较大，频差值也比较高，不利于光频比较稳定，但频差变化比较大，频差值也比较高，不利于相位测量。相位测量。 从以上

17、几点看、要用双频激光干涉法测量同轴度，需重新考虑从以上几点看、要用双频激光干涉法测量同轴度，需重新考虑双频激光干涉仪的总体方案。清华大学精仪系经过多年的研究，双频激光干涉仪的总体方案。清华大学精仪系经过多年的研究，提出了一种双频激光测量同轴度的新方案，并研制了实用型的提出了一种双频激光测量同轴度的新方案，并研制了实用型的sjd3t双频激光同轴度干涉仪。双频激光同轴度干涉仪。 1双频激光同轴度干涉仪双频激光同轴度干涉仪 双频激光头出射的正交线偏振光通过第一个渥拉双频激光头出射的正交线偏振光通过第一个渥拉斯顿棱镜斯顿棱镜w1后，彼此分开一个小角度后，彼此分开一个小角度 再通过第二个涅拉斯顿棱镜再通

18、过第二个涅拉斯顿棱镜w2变成两束平行光束变成两束平行光束 经双面直角棱镜反射经双面直角棱镜反射 工作原理工作原理依次通过依次通过w2、w1后又会合成一束光，经检偏后又会合成一束光，经检偏振器振器p后被探测器后被探测器d2接收，形成测量信号接收，形成测量信号 两光束在检偏器后形成拍频并两光束在检偏器后形成拍频并被光电接收器接收被光电接收器接收 sjd3t方案与方案与hp5528主要区别主要区别 (1)sjd3t方案中用了两个渥拉斯顿棱镜，而方案中用了两个渥拉斯顿棱镜，而hp5528方案只用一个方案只用一个 (2)sjd3t中反射镜用的是双面直角棱镜，而中反射镜用的是双面直角棱镜，而hp5528用

19、的是两个用的是两个具有一定夹角的平面反射镜具有一定夹角的平面反射镜 这两点区别，使得这两点区别，使得sjd3t能够既保持双频干涉仪所特有能够既保持双频干涉仪所特有的高精度和稳定性，又解决了同轴度测量的难题的高精度和稳定性，又解决了同轴度测量的难题 参考信号由探测器参考信号由探测器d1接收。当接收。当w1(或或)w2沿被测表面移动而产沿被测表面移动而产生上下横移时，可使测量信号相对参考信号相位发生变化，生上下横移时，可使测量信号相对参考信号相位发生变化，那么通过测量两者的位相差，可得那么通过测量两者的位相差，可得w1(或或w2)的横向移动量。的横向移动量。 结论结论 (1)sjd3t采用了两个握

20、拉斯顿棱镜和一个直角反射镜，测量采用了两个握拉斯顿棱镜和一个直角反射镜，测量时对两束光的分离量无特别要求，因而对长距离直线度测量时对两束光的分离量无特别要求，因而对长距离直线度测量只需一套附件，无近程死区。而现有的双频激光干涉仪对只需一套附件，无近程死区。而现有的双频激光干涉仪对033m，330m直线度测量各需一套测量附件，远距离测直线度测量各需一套测量附件，远距离测量附件有近程死区。量附件有近程死区。 (2)sjd3t在测量中光程差变化对应的信号位相变化在一个周期在测量中光程差变化对应的信号位相变化在一个周期内内(即土即土内内)，使位相测量值与渥拉斯顿棱镜的横移量单值对，使位相测量值与渥拉斯

21、顿棱镜的横移量单值对应，由于位相测量是状态测量，程拉斯顿棱镜移出光路后再放应，由于位相测量是状态测量，程拉斯顿棱镜移出光路后再放回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度测量回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度测量 (3)在在sjd3t中，干涉的两束光在中，干涉的两束光在30m内中心距只有内中心距只有26mm (hp5528)可达十几个厘米可达十几个厘米)，因此对外干扰能很好共模抑制，因此对外干扰能很好共模抑制，具有很高的抗干扰能力具有很高的抗干扰能力 2sjd3t对激光频差稳定性的要求对激光频差稳定性的要求 激光波长的稳定性激光波长的稳定性 频差稳频方法：基于频差稳频方法：基于80

22、98单片机系统的智能稳频方法单片机系统的智能稳频方法 激光器置于激光器置于磁铁架中磁铁架中 用于固定永磁铁，以用于固定永磁铁，以形成纵向磁场形成纵向磁场 给双频激光器形成一个密封腔，以减给双频激光器形成一个密封腔，以减少外界热扰动对激光器温度的影响少外界热扰动对激光器温度的影响 激光器尾光通过检激光器尾光通过检偏器由光电探测器偏器由光电探测器测得拍频信号测得拍频信号f 经放大整形后由经放大整形后由8098单片机计数器单片机计数器测量该频率的大小测量该频率的大小 单片机系统的内部程序根据测得的频率大小，依一定的算法，利单片机系统的内部程序根据测得的频率大小，依一定的算法，利用用8098芯片内部的

23、芯片内部的da功能，输出伺服电压，该伺服电压经功率功能，输出伺服电压，该伺服电压经功率驱动后，通过绕在激光器外壳上的电阻丝对激光管加热，形成闭驱动后，通过绕在激光器外壳上的电阻丝对激光管加热，形成闭环控制，这样就可通过控制加热量的大小获得稳定的频差环控制，这样就可通过控制加热量的大小获得稳定的频差 要求要求作用作用 fffffffdd00ss()（五）激光外差测振仪（五）激光外差测振仪 2.双光束双频激光器双光束双频激光器 （四）双频激光束频差的确定（四）双频激光束频差的确定 1.声光调制器声光调制器disa系统与系统与nasa系统的不同之处系统的不同之处 它应用偏振分光镜作发射和接收的光束耦

24、合器，该光学系统中它应用偏振分光镜作发射和接收的光束耦合器，该光学系统中分束器分束器2为偏振分光器，它防止了返回的测量光回授到激光器的为偏振分光器，它防止了返回的测量光回授到激光器的可能性。可能性。 该仪器用两只光电接收器该仪器用两只光电接收器d1和和d2来分别接收拍频信号，并在来分别接收拍频信号，并在d1和和d2前分别安置检偏振片前分别安置检偏振片p1和和p2，又使两者的光轴互相垂直，又使两者的光轴互相垂直 其目的是使其起电子共模抑制的作用，以便进一其目的是使其起电子共模抑制的作用，以便进一步抑制噪声，提高拍频信号的信噪比步抑制噪声，提高拍频信号的信噪比 disa外差激光测振仪外差激光测振仪

25、（六）激光外差表面微观轮廓仪（六）激光外差表面微观轮廓仪 测量表面微观的高低不平，可以确定测量表面微观的高低不平，可以确定微观轮廓及表面粗糙度微观轮廓及表面粗糙度 应用：应用：仪器要有极高的纵向分辨率及横向分辨率仪器要有极高的纵向分辨率及横向分辨率 要求：要求：这种高低不平往往只有几埃的数量级，有的甚至只有不到这种高低不平往往只有几埃的数量级，有的甚至只有不到1埃埃 hene激光器发出的光束激光器发出的光束被分束器分成两路被分束器分成两路 一路经声光调制器一路经声光调制器m1、偏振、偏振器器p1 （p1光轴平行于纸面）光轴平行于纸面）另一路经光调制器另一路经光调制器m2、偏振、偏振器器p2（p

26、2光轴垂直于纸面）光轴垂直于纸面） 一部分经检偏器一部分经检偏器p3 该拍频信号被光电接该拍频信号被光电接收器收器d1接收转换后作接收转换后作为参考拍频信号为参考拍频信号 另一部分偏振光进入右边另一部分偏振光进入右边的测量干涉系统，偏振分的测量干涉系统，偏振分束器束器pbs使平行于纸面的使平行于纸面的偏振光偏振光(v1)透过，垂直于透过，垂直于纸面的偏振光纸面的偏振光(v2)反射。反射。 又被分束器又被分束器bs2分成两路分成两路 工作原理工作原理这两支光束在检偏振器这两支光束在检偏振器p4后产生拍频信号后产生拍频信号v1-v2v=v0v，v与被测表面的微观高低起伏有关与被测表面的微观高低起伏

27、有关 v1光经反射镜光经反射镜m3，l4波片、波片、ll和和l2透镜后成平行细光束射到被测表面上，透镜后成平行细光束射到被测表面上，经表面反射后沿原路返回复经经表面反射后沿原路返回复经14波片。波片。由于两次通过由于两次通过l4波片波片(其光轴与其光轴与v1光光成成45度角度角)，故其偏振方向改变，故其偏振方向改变900，最，最后被后被pbs反射并经检偏器反射并经检偏器p4而被光电接而被光电接收器收器d2接收接收 v2光经光经14波片、反射镜波片、反射镜m4、bs3及物镜及物镜l2后会聚到被测表面，后会聚到被测表面，形成光学探针。由被测表面反射形成光学探针。由被测表面反射后，也沿原路返回，复经

28、后，也沿原路返回，复经l4波片，波片，偏振方向改变偏振方向改变900，最后透过，最后透过pbs及检偏振器及检偏振器p4也被光电接收器接也被光电接收器接收。收。 该拍频信号由光电接收器接收，经交流前置放大器进入混频器该拍频信号由光电接收器接收，经交流前置放大器进入混频器与由从来的参考拍频信号混频，从而可解调出被测信号与由从来的参考拍频信号混频，从而可解调出被测信号v 计算机将根据接收到的计算机将根据接收到的v的变化，求出表面各点的微观高差，并的变化，求出表面各点的微观高差，并由此可换算出表征表面粗糙度的各个参数及表面的微观三维轮廓由此可换算出表征表面粗糙度的各个参数及表面的微观三维轮廓 (七七)

29、具有光程锁定的激光外差测振仪具有光程锁定的激光外差测振仪 应用：应用：测量分辨率为人量级的微振动振幅或微位移测量分辨率为人量级的微振动振幅或微位移 优点：优点：能克服光强波动引起的直流漂移和减少激光功率能克服光强波动引起的直流漂移和减少激光功率噪声，使在现场环境中也能进行稳定的干涉测量，噪声，使在现场环境中也能进行稳定的干涉测量，且具有很高的测量分辨率且具有很高的测量分辨率(灵敏度灵敏度) 缺点：缺点：不能消除环境的干扰不能消除环境的干扰(外界振动及气流外界振动及气流等等)引起的附加程差引起的附加程差 程锁定的目的程锁定的目的窄带检测窄带检测2.伺服锁定干涉系统伺服锁定干涉系统 就是为了消除这种附加差以保证微振动就是为了消除这种附加差以保证微振动或微位移