光学精密检测技术第八讲

1、光学精密检测技术与光学精密检测技术与检测仪器检测仪器光学精密检测技术与检测仪器系列八激光PBS棱镜M1M2成像镜滤波孔像面1/2波片1/4波片1/4波片1/4波片检偏器移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片琼斯矩阵1/ 4=45波片，时22222222iJi1222222201222222202222222222222pippiiiEEEEieiii2222222202222222122222220222222isssiiiieEEEEiii移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪1tancos2tansin

2、222cos2tansin 21tancos222iiJii波片琼斯矩阵1/ 4=45波片，时22222222iJi1222222022222ppipiEEEE ei212222ipsipsEEEEEEE2222022222222isssiEEEEi移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片琼斯矩阵1/ 4=90波片，时2202222022iJi404222202222222202222ippissiiEeEEEEeEii移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪22cossincossincossinJ偏振片琼斯矩

3、阵=45时11221122J =135时11221122J 44414441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE5444334441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE21112211222psppssEEEEEEE41112211222ippsispsEEE eEEe EE移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪90018027045135090移相干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪n偏振调制4D动态干涉仪移相干涉仪ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDAAAAAAAAABBBBBBBBBCCCCCCCC

4、CDDDDDDDDDABCD4213( , )arctanIIx yIIn偏振调制4D动态干涉仪移相干涉仪n动态干涉测量空间移相干涉仪优点： 瞬时测量能够有效抑制震动对测量结果的影响； 能够对大口径、长焦距的系统进行测量。缺点： 没有抑制大气湍流对测量结果的影响； 空间相移用四个相邻点的偏振移相表示一个点的加工精度，数据可信度低，特别对大孔径光学镜面。ABCD移相干涉仪nESDI斐索干涉仪移相干涉仪 气流对干涉图的影响气流对干涉图的影响风扇及送风机可以用来减小操作环境中的局部温差。然而，设置不当的风扇会造成气流干扰以及震动干扰。气流干扰会使局部区域内空气密度不均匀，对测量光束引起局部偏折，改变

5、了测量波面，影响了测量结果。必须避免气流造成的干涉条纹不规则扰动。如果温度的空间梯度大，也会产生明显的气流影响。 有条件最好在恒温室内再布置一个小房间，以减少外界温度的变化影响。影响测量结果的外界因素n气流影响测量结果的外界因素n气流振动可能由很多原因产生：支撑不够刚性的地板、声波、其它设备(风扇、空调或远处的车床、马路上的汽车等)、人的活动等等。振动是最难控制的环境问题。 理论上，最好是将仪器放在一块混凝土浇注的地基上使用，这样会大大衰减大幅的振动。小幅的振动，例如由人员活动造成的震动，可以通过防震系统隔离。 环境震动对干涉仪的影响，在于它在两相干波面之间引入了随机的位相变化，主要表现为干涉

6、条纹出现抖动现象，从而造成条纹模糊。影响测量结果的外界因素n振动 从下图可以看出，将干涉图调到三根条纹(下图左)，当没有环境震动时，测得的波面是连续光滑的(下图中)；当引入环境震动时，测得的波面中出现与干涉条纹方向一致的波动，且波动的频率正好是干涉条纹频率的2倍(下图右)。如果将干涉图尽量调整到零条纹时，则波面将不出现波动。所以，为了抑制环境震动的影响，在移相干涉测量时，应尽量将干涉图调整到零条纹再进行测量。影响测量结果的外界因素n振动 减振一般可以使用气垫光学平台，另外还有多种方法:地基隔离减震、橡胶剪切减震脚、软垫与大理石联合减震、干涉腔刚性固化减震等都可以使用，如右图。根据不同的环境条件

7、可以使用其中一种或两种以上组合。 影响测量结果的外界因素n振动n 距离干涉测量光源参考面探测器L1L21112120121121201222( )cos( 2()22)22cos 2()22aaItIfftLLIfftLL双频干涉测量基础12ff、1f2f221211201221211201222( )cos( 2()2()2)22cos 2()2()2aaItIfftLLLIfftLLL L1V11(2)4LN 距离 N、？n 距离干涉测量1112012122( )cos 222cos 2aaItIftLLIft（）（）双频干涉测量基础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 双频激光光源双频干涉测量基础1. 塞曼效应双频激光器2. 双纵模激光器3. 基于双折射晶体的双频激光器4. 声光移频双频激光器移频器的基频：20M-200M稳定差频最小：10KHzCCD帧频：10KHz频差高帧频

9、低n 高性能低差频移频技术全视场外差干涉仪光电院研制出高性能低差频声光移频器，各项技术指标远优于现有技术水平，能够满足各类全视场外差探测需求。技术指标技术指标国外厂家国外厂家国内厂家国内厂家自研自研稳定拍频频率稳定拍频频率100Hz1kHz3Hz频率稳定度频率稳定度10ppm30ppm0.1ppm谐波谐波-40dB-15dB-70dB相位噪声相位噪声-110dBc设计拍频设计拍频实测拍频频率实测拍频频率实测相噪实测相噪实测实测三三次次谐波谐波3Hz2.9870.004Hz-110dBc-70dB10Hz9.9630.003Hz-117dBc-73dBn 高性能低差频移频技术全视场外差干涉仪 机

10、械高精度移相技术难度大； 离焦误差 环境适应性差，应用领域受到限制；点衍射干涉仪Fizeau干涉仪Twyman-Green干涉仪n 传统干涉仪全视场外差干涉仪重复测量精度RMS: 2/10000全视场外差马赫曾德干涉仪实测干涉数据立方体n 马赫曾德干涉仪全视场外差干涉仪重复测量精度RMS: 4/10000全视场外差点衍射干涉干涉仪n 点衍射干涉仪全视场外差干涉仪n动态干涉仪全视场外差干涉仪直流测量系统，具有直流光平和电平零漂的弊端弊端。 双频测距仪干涉仪n单频测距干涉仪n基本光路双频测距仪干涉仪f1-f2f1ff测测=(f1f)-f2f参参=f1-f2M1M2M3M4f测测=(f1f)-f2s

11、pn原理框图1312121( )cos(2)21cos(2)2aaVaaItIIf tIIN 1 4121212121( )co s(2/ 2 )21co s(2/ 2 )21sin (2)21sin (2)2aaVaaaaVaaItIIf tIINIIf tIIN 双频测距仪干涉仪n数据分析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 双频测距仪干涉仪n数据分析0204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.41.61.822.2020406080100120140160180200-1.5-1-0.500.511.52双频测距仪干涉仪从从激光干涉仪的技术发展看，目前国外激光干涉仪产品主要有三种形式：激光干涉仪的技术发展看，目前国外激光干涉仪产品主要有三种形式：1 1、基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪：以、基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪：以Agilent、Exell等公司的产品为等公司的产品为代表，属于交流干涉系统。由于受到模牵引效应的影响，这种系统的测量速代

13、表，属于交流干涉系统。由于受到模牵引效应的影响，这种系统的测量速度受到限制，最大测量速度为：度受到限制，最大测量速度为：1000mm/s。2 2、基于、基于 Bragg效应的声光调制式双频激光干涉仪：以效应的声光调制式双频激光干涉仪：以Zygo、Optodyne公公司的产品为代表，采用声光调制原理产生两个激光频率构成交流干涉系统。司的产品为代表，采用声光调制原理产生两个激光频率构成交流干涉系统。由于可以得到较高的激光频率差，因此可以提高系统的测量速度，最高测量由于可以得到较高的激光频率差，因此可以提高系统的测量速度，最高测量速度可以达到：速度可以达到：1800mm/s。3 3、单频激光干涉仪：

14、以、单频激光干涉仪：以Renishow、API等公司的产品为代表，单频激光干等公司的产品为代表，单频激光干涉仪的测量速度取决于电子器件的性能，目前最高测量速度可以达到：涉仪的测量速度取决于电子器件的性能，目前最高测量速度可以达到：4000mm/s（采用专用电子器件）（采用专用电子器件）。n国外研究状况双频测距仪干涉仪1971年美国年美国HP公司推出的基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪，公司推出的基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪，具有极大的系统增益，在此后的十多年中，几乎垄断了市场具有极大的系统增益，在此后的十多年中，几乎垄断了市场。从从上世纪七十年代初期开始，国内相继有十几个单位研制双频激光上世

15、纪七十年代初期开始，国内相继有十几个单位研制双频激光干涉仪，但是由于各种原因，特别是激光器的寿命过短，都难以形干涉仪，但是由于各种原因，特别是激光器的寿命过短，都难以形成产品，有些大学主要作为科研项目进行研究，大多数单位都逐渐成产品，有些大学主要作为科研项目进行研究，大多数单位都逐渐放弃了产品放弃了产品开发开发目前，比较成功的是成都工具研究所成功目前，比较成功的是成都工具研究所成功地将产品推向地将产品推向市场，清华市场，清华大学在接收处理电路方面做得比较好。大学在接收处理电路方面做得比较好。n国内研究现状双频测距仪干涉仪nHP（Agilent）公司干涉仪 双频测距仪干涉仪nZYGO公司干涉仪双

16、频测距仪干涉仪测量测量时靶镜或者干涉仪置于被测体上，当被测体移动时靶镜或者干涉仪置于被测体上，当被测体移动时产生干涉，由激光干涉仪的电器部分记录下位移值，时产生干涉，由激光干涉仪的电器部分记录下位移值，即为长度测量。即为长度测量。2NL n激光干涉仪应用长度测量双频测距仪干涉仪激光激光头的出射光由角度干涉仪分为头的出射光由角度干涉仪分为f1和和f2两束，分别射向角度反两束，分别射向角度反射镜中的两个靶镜，当角度干涉仪或角度反射镜发生偏摆角射镜中的两个靶镜，当角度干涉仪或角度反射镜发生偏摆角时，时，f1和和f2两束光产生相位差，可以计算旋转角度值两束光产生相位差，可以计算旋转角度值:LD1sin

17、n激光干涉仪应用小角度测量双频测距仪干涉仪来自来自激光头的激光在乌拉斯顿棱镜上以激光头的激光在乌拉斯顿棱镜上以角分离为角分离为f1和和f2，它们，它们分别射向双平面反射镜，当双平面反射镜发生从位置位移到位分别射向双平面反射镜，当双平面反射镜发生从位置位移到位置时，两束光产生符号相反的相移，可以计算出双平面反射镜置时，两束光产生符号相反的相移，可以计算出双平面反射镜的横向位移量的横向位移量:22sinLYn激光干涉仪应用横向位移测量双频测距仪干涉仪从从应用角度看，近二十年来，激光干涉仪产品明显向两个方向发展：应用角度看，近二十年来，激光干涉仪产品明显向两个方向发展： 一是面向大规模集成电路、平面

18、显示器、微观结构研究等领域的激光传感器系统，一是面向大规模集成电路、平面显示器、微观结构研究等领域的激光传感器系统，要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反馈信号。典型产品有要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反馈信号。典型产品有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处理板）；处理板）； 二是面向数控机床及普通应用，这种系统也称工业用激光干涉仪，要求体积小、二是面向数控机床及

19、普通应用，这种系统也称工业用激光干涉仪，要求体积小、速度快、测量距离大，典型产品有速度快、测量距离大，典型产品有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激光干涉仪发展趋势双频测距仪干涉仪 用于一般工业计量的激光干涉仪基本功能包括长度、角度、直线度、平面度、垂直度、平行度、用于一般工业计量的激光干涉仪基本功能包括长度、角度、直线度、平面度、垂直度、平行度、数

20、控转台测量等项目。近年来，出现了许多针对数控机床检测的附加功能，包括：数控转台测量等项目。近年来，出现了许多针对数控机床检测的附加功能，包括： 1）对角线测量附件）对角线测量附件 有两种对角线测量附件有两种对角线测量附件,一种是简单地将激光束转向，使测量沿数控机床工作区的对角线进行，可一种是简单地将激光束转向，使测量沿数控机床工作区的对角线进行，可以迅速判断机床的精度状况，如以迅速判断机床的精度状况，如Agilent和和Renishaw公司的对角线测量附件；另一种方法是公司的对角线测量附件；另一种方法是Optodyne提出的提出的“向量测量方法向量测量方法”，采用长平面镜为干涉仪的靶镜，测量沿

21、角线方向以阶梯折线轨，采用长平面镜为干涉仪的靶镜，测量沿角线方向以阶梯折线轨迹进行，得到测量数组（迹进行，得到测量数组（X1、Y1、Z1 Xn、Yn、Zn），它包含了机床各轴向定位），它包含了机床各轴向定位精度、直线度和垂直度的信息，由软件处理得到螺距误差和空间误差的补偿数据精度、直线度和垂直度的信息，由软件处理得到螺距误差和空间误差的补偿数据。2）数控机床圆轨迹的测量）数控机床圆轨迹的测量 Optodyne公司的干涉仪用平面镜作为靶镜，提出了测量数控机床圆轨迹的新方法，从公司的干涉仪用平面镜作为靶镜，提出了测量数控机床圆轨迹的新方法，从X和和Y两个两个方向测量机床运动的位移方向测量机床运动的

22、位移 角度曲线（正弦和余弦），由软件计算出圆轨迹误差，包括圆滞后角度曲线（正弦和余弦），由软件计算出圆轨迹误差，包括圆滞后H、圆偏差圆偏差G等等。3）双轴测量软件）双轴测量软件 Agilent和和Renishaw都提供了双轴测量软件，用于双驱动系统，测量两驱动的同步性。都提供了双轴测量软件，用于双驱动系统，测量两驱动的同步性。 n激光干涉仪发展趋势双频测距仪干涉仪 4）多维测量系统）多维测量系统 多维测量系统实际是激光干涉和其他测量方法的组合，一次测量可以得到单轴六个自由度的误差多维测量系统实际是激光干涉和其他测量方法的组合，一次测量可以得到单轴六个自由度的误差数值（位移，二个直线度和三个摆角

23、），借助五棱镜可以测量机床三轴之间的轴的垂直度，一般通数值（位移，二个直线度和三个摆角），借助五棱镜可以测量机床三轴之间的轴的垂直度，一般通过五次测量即可得到机床的全部过五次测量即可得到机床的全部21项误差值。这些误差值经分析软件处理生成机床三维空间的网格项误差值。这些误差值经分析软件处理生成机床三维空间的网格补偿数据。由于各项误差都是相互关联的，多维测量更能反映误差的真实情况，测量效率也高。补偿数据。由于各项误差都是相互关联的，多维测量更能反映误差的真实情况，测量效率也高。API公司的公司的XD系列可以测量系列可以测量1、3、5、6个分量，个分量，Excel公司的公司的1100B系统也是六维

24、测量系统系统也是六维测量系统。5）动态测量）动态测量 动态测量包括位移动态测量包括位移-时间，速度时间，速度-时间、加速度时间、加速度-时间，振动测量，并可以进行时间，振动测量，并可以进行FFT分析。数控机床分析。数控机床加工是在动态下进行的，因此其动态误差更真切地反映了工作状态。动态测量可以帮助找到数控机加工是在动态下进行的，因此其动态误差更真切地反映了工作状态。动态测量可以帮助找到数控机床的误差根源，指导机床的设计，是研究分析数控机床性能的重要手段。床的误差根源，指导机床的设计，是研究分析数控机床性能的重要手段。 6）机床漂移测试）机床漂移测试 由于仪器稳定性提高，可以进行长时间飘移测试，

25、几小时到几天，以暴露温度对机床几何精度的由于仪器稳定性提高，可以进行长时间飘移测试，几小时到几天，以暴露温度对机床几何精度的影响，影响，Agilent的的5530系统特别强调了这一功能。系统特别强调了这一功能。n激光干涉仪发展趋势双频测距仪干涉仪 总之，激光干涉仪的发展趋势是小型化、高精度、多功能，使用起来方总之，激光干涉仪的发展趋势是小型化、高精度、多功能，使用起来方便、快捷、高效。对于数控机床而言，传统的单轴误差修正是目前最常用的便、快捷、高效。对于数控机床而言，传统的单轴误差修正是目前最常用的误差补偿方法，但它仅仅补偿了单轴的线性定位误差，不是完整的误差修正误差补偿方法，但它仅仅补偿了单

26、轴的线性定位误差，不是完整的误差修正概念，因为在一个机床的加工区域中，实际存在的误差由概念，因为在一个机床的加工区域中，实际存在的误差由21项参数决定。项参数决定。单坐标直线运动误差模型单坐标直线运动误差模型n激光干涉仪发展趋势双频测距仪干涉仪三维空间三维空间网格修正是一种更加有效网格修正是一种更加有效提高数控机床精度的方法，目前部分提高数控机床精度的方法，目前部分高端数控机床已具备这个功能，其基高端数控机床已具备这个功能，其基础是机床的础是机床的21项误差数据，但采用传项误差数据，但采用传统方法检测非常困难。统方法检测非常困难。激光激光多维测量系统是在激光干涉多维测量系统是在激光干涉仪的基础上发展起来的一种新型测量仪的基础上发展起来的一种新型测量仪器，可以同时测量多维误差，使过仪器，可以同时测量多维误差，使过去耗时几十小时的检测减少到几个小去耗时几十小时的检测减少到几个小时，为传统检测方法的时，为传统检测方法的1/8，且拥有测，且拥有测量速度快、各项误差值具有即时性等量速度快、各项误差值具有即时性等优点，极大地提高了工作效率。优点，极