第五講激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)與測(cè)振

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1、1-6 激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)與測(cè)振韋 宏 艷光探測(cè)方法光探測(cè)方法n光（強(qiáng)）的探測(cè)方法分為直接探測(cè)法（非相干探測(cè)）和外差探光（強(qiáng)）的探測(cè)方法分為直接探測(cè)法（非相干探測(cè)）和外差探測(cè)法（相干探測(cè)）。直接探測(cè)簡(jiǎn)單實(shí)用，外差探測(cè)靈敏度高，測(cè)法（相干探測(cè)）。直接探測(cè)簡(jiǎn)單實(shí)用，外差探測(cè)靈敏度高，探測(cè)目標(biāo)時(shí)的作用距離遠(yuǎn)。探測(cè)目標(biāo)時(shí)的作用距離遠(yuǎn)。n直接探測(cè)的基本原理：直接探測(cè)的基本原理：所謂直接探測(cè)是將待測(cè)光信號(hào)直接射入到光探測(cè)器光敏面，光探所謂直接探測(cè)是將待測(cè)光信號(hào)直接射入到光探測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測(cè)系統(tǒng)可測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測(cè)系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線或

2、直接由探測(cè)器接收光信號(hào)，在其前端可經(jīng)過(guò)頻率經(jīng)光學(xué)天線或直接由探測(cè)器接收光信號(hào)，在其前端可經(jīng)過(guò)頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信號(hào)入射到光探測(cè)器的光敏面上。號(hào)入射到光探測(cè)器的光敏面上。n光外差探測(cè)的基本原理：光外差探測(cè)的基本原理：外差探測(cè)技術(shù)是利用光的相干性對(duì)光所攜帶的信息進(jìn)行探測(cè)。它外差探測(cè)技術(shù)是利用光的相干性對(duì)光所攜帶的信息進(jìn)行探測(cè)。它只有采用相干性好激光器作光源才能實(shí)現(xiàn)。從理論上說(shuō)，它能只有采用相干性好激光器作光源才能實(shí)現(xiàn)。從理論上說(shuō)，它能準(zhǔn)確探測(cè)到光波振幅和頻率所攜帶的信息，比直接探測(cè)有更大準(zhǔn)確探測(cè)到光波振幅和

3、頻率所攜帶的信息，比直接探測(cè)有更大的信息容量和更低的探測(cè)極限。的信息容量和更低的探測(cè)極限。激光外差干涉測(cè)試技術(shù)激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4激光外差干涉測(cè)試技術(shù))(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),(222x,yt-EEx,ytEEx,ytEtEyxtEtEtyxItrtrtrtr),(cos2/2/),(22yxtEEEEtyxitrtr)/1/(2),(),(00vttyxyx激光外差干涉測(cè)試技術(shù)（一）激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理（一）激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源激光外差干涉儀的光源n外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。外差干涉

4、需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。n1）塞曼效應(yīng)）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器激光器可得到可得到12MHz的頻差的頻差 /2vfv2（一） 激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源fv2nVfv 激光外差干涉測(cè)試技術(shù)（一）（一） 激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源激光外差干涉儀的光源激光外差干涉測(cè)試技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、雙頻激光外差干涉一、雙頻激光外差干涉二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用三、條紋小數(shù)重合法原理三、條紋小數(shù)重合法原理四、紅外雙線氦氖激光絕對(duì)干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)四、紅外雙線氦氖激光絕對(duì)干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)一、雙頻激光外差干涉儀一、雙頻激

5、光外差干涉儀光源光源: 雙頻雙頻He-Ne激光器激光器在全內(nèi)腔單頻在全內(nèi)腔單頻HeNe激光器上加上約激光器上加上約30010-4T的軸向磁場(chǎng)的軸向磁場(chǎng) 由于塞曼效應(yīng)由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效和頻率牽引效應(yīng)，使該激光應(yīng)，使該激光器輸出一束有器輸出一束有兩個(gè)不同頻率兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋的左旋和右旋圓偏振光圓偏振光 ，它，它們的頻率差們的頻率差V約為約為15MHz tttttfNLLtvtvtf0000d22 2d2d2d 所以由于雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束發(fā)出雙頻激光束 通過(guò)通過(guò)14波片波片2變成兩束振動(dòng)方向互相垂直的線偏振變成兩束振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光光(v1垂直于紙面，垂直于紙

6、面，v2平行于紙面平行于紙面) ，一小部分被反一小部分被反射到檢偏器射到檢偏器5上，檢偏器的上，檢偏器的透光軸與紙面透光軸與紙面成成450 一部分光束透過(guò)分束一部分光束透過(guò)分束鏡鏡4沿原方向射向偏振沿原方向射向偏振分束棱鏡分束棱鏡8。偏振方向。偏振方向互相正交的線偏振光互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振被偏振分束鏡按偏振方向分光，方向分光， v1被反射被反射至參考角錐棱鏡至參考角錐棱鏡9， v2則透過(guò)則透過(guò)8到測(cè)量角錐到測(cè)量角錐棱鏡棱鏡10 工作原理工作原理經(jīng)光束擴(kuò)束器經(jīng)光束擴(kuò)束器3適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡4分為兩部分分為兩部分根據(jù)馬呂斯定律，根據(jù)馬呂斯定律，

7、兩個(gè)互相垂直的兩個(gè)互相垂直的線偏振光在線偏振光在450方方向上的投影，形向上的投影，形成新的同向線偏成新的同向線偏振光并產(chǎn)生振光并產(chǎn)生“拍拍”，其拍頻，其拍頻就等于兩個(gè)光頻就等于兩個(gè)光頻之差，即之差，即vv1v21.5MHz 由光電接收器由光電接收器6接收后接收后進(jìn)入交流放大器進(jìn)入交流放大器7，放，放大后的信號(hào)作為參考大后的信號(hào)作為參考信號(hào)送給計(jì)算機(jī)信號(hào)送給計(jì)算機(jī) 光束返回后重新通過(guò)偏振分束鏡光束返回后重新通過(guò)偏振分束鏡10與與v1的返回光會(huì)合，經(jīng)的返回光會(huì)合，經(jīng)反射鏡反射鏡11及透光軸與紙面成及透光軸與紙面成450的檢偏器的檢偏器12后也形成后也形成“拍拍” ，其拍頻信號(hào)可表示為，其拍頻信號(hào)

8、可表示為若測(cè)量鏡以速度若測(cè)量鏡以速度V運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或振動(dòng)移動(dòng)或振動(dòng))，則由于多普勒，則由于多普勒效應(yīng)，從測(cè)量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移效應(yīng)，從測(cè)量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移 正負(fù)號(hào)由動(dòng)鏡移動(dòng)方向決定，當(dāng)動(dòng)鏡正負(fù)號(hào)由動(dòng)鏡移動(dòng)方向決定，當(dāng)動(dòng)鏡向偏振分束器方向移動(dòng)時(shí)，向偏振分束器方向移動(dòng)時(shí)，v為負(fù)為負(fù) 拍頻信號(hào)被光電拍頻信號(hào)被光電13接收后，進(jìn)入交流前置放大器接收后，進(jìn)入交流前置放大器14，最后，最后也被送入計(jì)算機(jī)也被送入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)工作計(jì)算機(jī)工作（1）計(jì)算機(jī)先將拍頻信號(hào)）計(jì)算機(jī)先將拍頻信號(hào)v0 v 與參考信號(hào)與參考信號(hào)v0進(jìn)行相進(jìn)行相減處理后，就得到所需的測(cè)量信息減處理后，就得到所

9、需的測(cè)量信息v 設(shè)在動(dòng)鏡設(shè)在動(dòng)鏡10移動(dòng)的時(shí)間移動(dòng)的時(shí)間t內(nèi)。由內(nèi)。由v引起的條紋亮暗引起的條紋亮暗變化次數(shù)為變化次數(shù)為N，則有，則有于是于是（2）由）由v換算成換算成L的工作由計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件自動(dòng)進(jìn)行，最的工作由計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件自動(dòng)進(jìn)行，最后由顯示器顯示被測(cè)長(zhǎng)度值。后由顯示器顯示被測(cè)長(zhǎng)度值。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：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時(shí)所遇到的棘手的直流漂移問(wèn)題流放大器時(shí)所遇到的棘手的直流漂移問(wèn)題 交流干涉儀抗干擾性能好交流干涉儀抗干擾性能好 測(cè)量范圍大測(cè)量范圍大(可測(cè)大于可測(cè)大于60m的距離的距離) 應(yīng)用應(yīng)用 ：測(cè)長(zhǎng)外，還可用于測(cè)角、測(cè)直線度

10、及測(cè)振等測(cè)長(zhǎng)外，還可用于測(cè)角、測(cè)直線度及測(cè)振等 穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施 ：塞曼穩(wěn)頻法塞曼穩(wěn)頻法 二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用應(yīng)用：應(yīng)用：車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精密計(jì)量、精密測(cè)角車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精密計(jì)量、精密測(cè)角 為便于測(cè)量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個(gè)部件裝在為便于測(cè)量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個(gè)部件裝在被測(cè)的機(jī)床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成被測(cè)的機(jī)床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成一體，裝在一個(gè)箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地分開(kāi)，這種一體，裝在一個(gè)箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地分開(kāi)，這種結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 減少熱氣流的影響減少熱氣流的影響

11、 有利于消除閑區(qū)誤差有利于消除閑區(qū)誤差 便于更換干涉儀的組件，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使雙頻干便于更換干涉儀的組件，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使雙頻干涉儀成為多功能干涉儀涉儀成為多功能干涉儀 雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出的雙頻激光束發(fā)出的雙頻激光束 被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開(kāi)被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開(kāi) 其中其中v1光透過(guò)光透過(guò)偏振分束鏡射偏振分束鏡射向角錐棱鏡向角錐棱鏡I v2光被反射向上，經(jīng)以光被反射向上，經(jīng)以膜雙塊上部的普通反射膜雙塊上部的普通反射鏡反射到角錐棱鏡鏡反射到角錐棱鏡II 工作原理工作原理分別由這兩個(gè)角錐棱鏡返回的光束在偏分別由這兩個(gè)角錐棱鏡返回的光束在偏振分光鏡處重新

12、會(huì)合，然后經(jīng)反射鏡反振分光鏡處重新會(huì)合，然后經(jīng)反射鏡反射到檢偏振器及光電接收器射到檢偏振器及光電接收器 (一一)雙頻激光干涉儀用于精密測(cè)角雙頻激光干涉儀用于精密測(cè)角 干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測(cè)長(zhǎng)時(shí)所用的偏振分束器，干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測(cè)長(zhǎng)時(shí)所用的偏振分束器，另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測(cè)量鏡和參考鏡另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測(cè)量鏡和參考鏡 雙角錐棱鏡組安故在被測(cè)物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒(méi)有擺雙角錐棱鏡組安故在被測(cè)物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒(méi)有擺動(dòng)時(shí)，兩支光路的多普勒頻移動(dòng)時(shí)，兩支光路的多普勒頻移v1=v2，會(huì)合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)，會(huì)合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)生拍頻，并在拍頻中互相

13、抵消，計(jì)算機(jī)無(wú)多普勒頻移值出現(xiàn)。生拍頻，并在拍頻中互相抵消，計(jì)算機(jī)無(wú)多普勒頻移值出現(xiàn)。如果雙角錐棱鏡組在移動(dòng)過(guò)程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)如果雙角錐棱鏡組在移動(dòng)過(guò)程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)生生角的傾斜，則兩棱鏡的角點(diǎn)在光軸方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位角的傾斜，則兩棱鏡的角點(diǎn)在光軸方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移量移量。此時(shí)兩路的多普勒頻移。此時(shí)兩路的多普勒頻移v1和和v2不相等，即有不相等，即有v=v1-v精度：精度：應(yīng)用應(yīng)用 ：精確測(cè)量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等精確測(cè)量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等 測(cè)導(dǎo)軌的直線度時(shí)，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙角錐棱鏡測(cè)導(dǎo)軌的直線度時(shí)，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙

14、角錐棱鏡組固定在工作臺(tái)上，移動(dòng)工作臺(tái)即可測(cè)出以角量表示的直線度組固定在工作臺(tái)上，移動(dòng)工作臺(tái)即可測(cè)出以角量表示的直線度 測(cè)角最小顯示值測(cè)角最小顯示值(分辨率分辨率)可達(dá)可達(dá)01。其測(cè)角精。其測(cè)角精度在度在100”范圍內(nèi)可達(dá)范圍內(nèi)可達(dá)0.5，量程可達(dá)土，量程可達(dá)土1000” (二二)雙頻激光干涉儀測(cè)量直線度雙頻激光干涉儀測(cè)量直線度(以線量表示以線量表示)雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束 通過(guò)半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交通過(guò)半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交線偏振光線偏振光v1和和v2被分開(kāi)被分開(kāi)theta的兩束線偏振光的兩束線偏振光 分別射向雙面反射鏡的分別射向雙面反射鏡

15、的兩翼并由原路返回兩翼并由原路返回 工作原理工作原理返回光在渥拉斯頓鏡處重新會(huì)和后，經(jīng)返回光在渥拉斯頓鏡處重新會(huì)和后，經(jīng)半反射鏡、全反射鏡反射到檢偏器。半反射鏡、全反射鏡反射到檢偏器。 兩光束在檢偏器后形成拍頻并兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收被光電接收器接收 （1）若雙面反射鏡沿）若雙面反射鏡沿z軸平移到軸平移到A點(diǎn)，由于點(diǎn)，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，拍頻互相抵消，計(jì)算機(jī)顯示器無(wú)多普勒頻，拍頻互相抵消，計(jì)算機(jī)顯示器無(wú)多普勒頻移顯示。移顯示。 計(jì)算機(jī)工作計(jì)算機(jī)工作（2）在移動(dòng)過(guò)程中由于導(dǎo)軌的直線度偏差而使雙面反射鏡沿）在移動(dòng)過(guò)程中由于導(dǎo)軌的直

16、線度偏差而使雙面反射鏡沿y方向下落到方向下落到B點(diǎn)。點(diǎn)。 v1光的光程較原來(lái)的減少了光的光程較原來(lái)的減少了2AC；與此相反，；與此相反，v2光的光程光的光程卻增加了卻增加了2BD。兩者總差值等于。兩者總差值等于2（AC+BD），根據(jù)這一），根據(jù)這一數(shù)值，即可以算出下落量數(shù)值，即可以算出下落量 以線量表示以線量表示的導(dǎo)軌直線的導(dǎo)軌直線性偏差性偏差 測(cè)直線度的精度可達(dá)土測(cè)直線度的精度可達(dá)土15m，其分辨率為，其分辨率為lm，最大，最大檢測(cè)距離可達(dá)檢測(cè)距離可達(dá)3m，最大下落量可測(cè)到，最大下落量可測(cè)到15mm 精度精度(三三)雙頻激光干涉用于同軸度的精密測(cè)量雙頻激光干涉用于同軸度的精密測(cè)量 雙頻激光直

17、線度測(cè)量?jī)x，在長(zhǎng)距離上測(cè)量直雙頻激光直線度測(cè)量?jī)x，在長(zhǎng)距離上測(cè)量直線度，具有很高的精度和可靠性，但是這種線度，具有很高的精度和可靠性，但是這種儀器能否用于長(zhǎng)距離同軸度的精密測(cè)量呢？?jī)x器能否用于長(zhǎng)距離同軸度的精密測(cè)量呢？ 提出問(wèn)題提出問(wèn)題同軸度測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有以下的特點(diǎn)同軸度測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有以下的特點(diǎn) 解決問(wèn)題解決問(wèn)題(1)能夠進(jìn)行間斷測(cè)量能夠進(jìn)行間斷測(cè)量 (2)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，光束漂移應(yīng)不影響測(cè)量結(jié)果。光束漂移應(yīng)不影響測(cè)量結(jié)果。 (3)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大氣擾動(dòng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力。光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大氣擾動(dòng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力。 (4)由于同軸

18、度測(cè)量時(shí)，定心靶必須從一個(gè)孔移到另一由于同軸度測(cè)量時(shí)，定心靶必須從一個(gè)孔移到另一個(gè)孔，還要進(jìn)行找正，測(cè)量所用時(shí)間較長(zhǎng)，因而要求個(gè)孔，還要進(jìn)行找正，測(cè)量所用時(shí)間較長(zhǎng)，因而要求儀器具有較好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。儀器具有較好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。 現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無(wú)法滿足上述要求的現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無(wú)法滿足上述要求的 原因原因（1）雙頻激光直線度干涉儀在信號(hào)處理上采用鎖相倍）雙頻激光直線度干涉儀在信號(hào)處理上采用鎖相倍頻計(jì)數(shù)技術(shù)，不允許信號(hào)中斷，否則計(jì)數(shù)立即無(wú)效。頻計(jì)數(shù)技術(shù)，不允許信號(hào)中斷，否則計(jì)數(shù)立即無(wú)效。 （2）即使對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，也有近程死區(qū)和）即使對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，

19、也有近程死區(qū)和測(cè)量范圍的矛盾，實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量的一個(gè)必要條件是：在測(cè)量范圍的矛盾，實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量的一個(gè)必要條件是：在測(cè)量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在測(cè)量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在之間之間 希望把現(xiàn)有的激光直線度測(cè)量?jī)x通過(guò)參數(shù)優(yōu)化改造來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸希望把現(xiàn)有的激光直線度測(cè)量?jī)x通過(guò)參數(shù)優(yōu)化改造來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸度是不可能的度是不可能的 結(jié)論結(jié)論 此外，在此外，在HP5528中，采用了等光強(qiáng)穩(wěn)頻方案中，采用了等光強(qiáng)穩(wěn)頻方案(塞曼穩(wěn)頻塞曼穩(wěn)頻)，雖然，雖然光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于相位測(cè)量。相位測(cè)量。 從以上幾點(diǎn)看、要用雙頻激光干涉法測(cè)量同

20、軸度，需重新考慮從以上幾點(diǎn)看、要用雙頻激光干涉法測(cè)量同軸度，需重新考慮雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過(guò)多年的研究，雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過(guò)多年的研究，提出了一種雙頻激光測(cè)量同軸度的新方案，并研制了實(shí)用型的提出了一種雙頻激光測(cè)量同軸度的新方案，并研制了實(shí)用型的SJD3T雙頻激光同軸度干涉儀。雙頻激光同軸度干涉儀。 1雙頻激光同軸度干涉儀雙頻激光同軸度干涉儀 雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過(guò)第一個(gè)渥拉雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過(guò)第一個(gè)渥拉斯頓棱鏡斯頓棱鏡W1后，彼此分開(kāi)一個(gè)小角度后，彼此分開(kāi)一個(gè)小角度 再通過(guò)第二個(gè)涅拉斯頓棱鏡再通過(guò)第二個(gè)涅拉斯頓棱鏡W2變成兩束

21、平行光束變成兩束平行光束 經(jīng)雙面直角棱鏡反射經(jīng)雙面直角棱鏡反射 工作原理工作原理依次通過(guò)依次通過(guò)W2、W1后又會(huì)合成一束光，經(jīng)檢偏后又會(huì)合成一束光，經(jīng)檢偏振器振器P后被探測(cè)器后被探測(cè)器D2接收，形成測(cè)量信號(hào)接收，形成測(cè)量信號(hào) 兩光束在檢偏器后形成拍頻并兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收被光電接收器接收 SJD3T方案與方案與HP5528主要區(qū)別主要區(qū)別 (1)SJD3T方案中用了兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡，而方案中用了兩個(gè)渥拉斯頓棱鏡，而HP5528方案只用一個(gè)方案只用一個(gè) (2)SJD3T中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而HP5528用的是兩個(gè)用的是兩個(gè)具有一定夾角的

22、平面反射鏡具有一定夾角的平面反射鏡 這兩點(diǎn)區(qū)別，使得這兩點(diǎn)區(qū)別，使得SJD3T能夠既保持雙頻干涉儀所特有能夠既保持雙頻干涉儀所特有的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測(cè)量的難題的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測(cè)量的難題 參考信號(hào)由探測(cè)器參考信號(hào)由探測(cè)器D1接收。當(dāng)接收。當(dāng)W1(或或)W2沿被測(cè)表面移動(dòng)而產(chǎn)沿被測(cè)表面移動(dòng)而產(chǎn)生上下橫移時(shí)，可使測(cè)量信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)相位發(fā)生變化，生上下橫移時(shí)，可使測(cè)量信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)相位發(fā)生變化，那么通過(guò)測(cè)量?jī)烧叩奈幌嗖睿傻媚敲赐ㄟ^(guò)測(cè)量?jī)烧叩奈幌嗖?，可得W1(或或W2)的橫向移動(dòng)量。的橫向移動(dòng)量。 結(jié)論結(jié)論 (1)SJD3T采用了兩個(gè)握拉斯頓棱鏡和一個(gè)直角反射鏡，測(cè)量

23、采用了兩個(gè)握拉斯頓棱鏡和一個(gè)直角反射鏡，測(cè)量時(shí)對(duì)兩束光的分離量無(wú)特別要求，因而對(duì)長(zhǎng)距離直線度測(cè)量時(shí)對(duì)兩束光的分離量無(wú)特別要求，因而對(duì)長(zhǎng)距離直線度測(cè)量只需一套附件，無(wú)近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對(duì)只需一套附件，無(wú)近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對(duì)033m，330m直線度測(cè)量各需一套測(cè)量附件，遠(yuǎn)距離測(cè)直線度測(cè)量各需一套測(cè)量附件，遠(yuǎn)距離測(cè)量附件有近程死區(qū)。量附件有近程死區(qū)。 (2)SJD3T在測(cè)量中光程差變化對(duì)應(yīng)的信號(hào)位相變化在一個(gè)周期在測(cè)量中光程差變化對(duì)應(yīng)的信號(hào)位相變化在一個(gè)周期內(nèi)內(nèi)(即土即土內(nèi)內(nèi))，使位相測(cè)量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對(duì)，使位相測(cè)量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對(duì)應(yīng)，由于位相

24、測(cè)量是狀態(tài)測(cè)量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放應(yīng)，由于位相測(cè)量是狀態(tài)測(cè)量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放回光路中，測(cè)量還能繼續(xù)進(jìn)行，因而可用于同軸度測(cè)量回光路中，測(cè)量還能繼續(xù)進(jìn)行，因而可用于同軸度測(cè)量 (3)在在SJD3T中，干涉的兩束光在中，干涉的兩束光在30m內(nèi)中心距只有內(nèi)中心距只有26mm (HP5528)可達(dá)十幾個(gè)厘米可達(dá)十幾個(gè)厘米)，因此對(duì)外干擾能很好共模抑制，因此對(duì)外干擾能很好共模抑制，具有很高的抗干擾能力具有很高的抗干擾能力 2SJD3T對(duì)激光頻差穩(wěn)定性的要求對(duì)激光頻差穩(wěn)定性的要求 激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性 頻差穩(wěn)頻方法：基于頻差穩(wěn)頻方法：基于8098單片機(jī)系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法單片

25、機(jī)系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法 激光器置于激光器置于磁鐵架中磁鐵架中 用于固定永磁鐵，以用于固定永磁鐵，以形成縱向磁場(chǎng)形成縱向磁場(chǎng) 給雙頻激光器形成一個(gè)密封腔，以減給雙頻激光器形成一個(gè)密封腔，以減少外界熱擾動(dòng)對(duì)激光器溫度的影響少外界熱擾動(dòng)對(duì)激光器溫度的影響 激光器尾光通過(guò)檢激光器尾光通過(guò)檢偏器由光電探測(cè)器偏器由光電探測(cè)器測(cè)得拍頻信號(hào)測(cè)得拍頻信號(hào)f 經(jīng)放大整形后由經(jīng)放大整形后由8098單片機(jī)計(jì)數(shù)器單片機(jī)計(jì)數(shù)器測(cè)量該頻率的大小測(cè)量該頻率的大小 單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測(cè)得的頻率大小，依一定的算法，利單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測(cè)得的頻率大小，依一定的算法，利用用8098芯片內(nèi)部的芯片內(nèi)部的DA功能，輸出伺服電壓

26、，該伺服電壓經(jīng)功率功能，輸出伺服電壓，該伺服電壓經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)繞在激光器外殼上的電阻絲對(duì)激光管加熱，形成閉驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)繞在激光器外殼上的電阻絲對(duì)激光管加熱，形成閉環(huán)控制，這樣就可通過(guò)控制加熱量的大小獲得穩(wěn)定的頻差環(huán)控制，這樣就可通過(guò)控制加熱量的大小獲得穩(wěn)定的頻差 要求要求作用作用 fffffffDD00ss()（五）激光外差測(cè)振儀（五）激光外差測(cè)振儀 2.雙光束雙頻激光器雙光束雙頻激光器 （四）雙頻激光束頻差的確定（四）雙頻激光束頻差的確定 1.聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器DISA系統(tǒng)與系統(tǒng)與NASA系統(tǒng)的不同之處系統(tǒng)的不同之處 它應(yīng)用偏振分光鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中它應(yīng)用偏振分光

27、鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中分束器分束器2為偏振分光器，它防止了返回的測(cè)量光回授到激光器的為偏振分光器，它防止了返回的測(cè)量光回授到激光器的可能性?？赡苄浴?該儀器用兩只光電接收器該儀器用兩只光電接收器D1和和D2來(lái)分別接收拍頻信號(hào)，并在來(lái)分別接收拍頻信號(hào)，并在D1和和D2前分別安置檢偏振片前分別安置檢偏振片P1和和P2，又使兩者的光軸互相垂直，又使兩者的光軸互相垂直 其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進(jìn)一其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進(jìn)一步抑制噪聲，提高拍頻信號(hào)的信噪比步抑制噪聲，提高拍頻信號(hào)的信噪比 DISA外差激光測(cè)振儀外差激光測(cè)振儀（六）激光外差表面微觀輪廓儀（六

28、）激光外差表面微觀輪廓儀 測(cè)量表面微觀的高低不平，可以確定測(cè)量表面微觀的高低不平，可以確定微觀輪廓及表面粗糙度微觀輪廓及表面粗糙度 應(yīng)用：應(yīng)用：儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率 要求：要求：這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級(jí)，有的甚至只有不到這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級(jí)，有的甚至只有不到1埃埃 HeNe激光器發(fā)出的光束激光器發(fā)出的光束被分束器分成兩路被分束器分成兩路 一路經(jīng)聲光調(diào)制器一路經(jīng)聲光調(diào)制器M1、偏振、偏振器器P1 （P1光軸平行于紙面）光軸平行于紙面）另一路經(jīng)光調(diào)制器另一路經(jīng)光調(diào)制器M2、偏振、偏振器器P2（P2光軸垂直于紙面）光軸垂直于紙面

29、） 一部分經(jīng)檢偏器一部分經(jīng)檢偏器P3 該拍頻信號(hào)被光電接該拍頻信號(hào)被光電接收器收器D1接收轉(zhuǎn)換后作接收轉(zhuǎn)換后作為參考拍頻信號(hào)為參考拍頻信號(hào) 另一部分偏振光進(jìn)入右邊另一部分偏振光進(jìn)入右邊的測(cè)量干涉系統(tǒng)，偏振分的測(cè)量干涉系統(tǒng)，偏振分束器束器PBS使平行于紙面的使平行于紙面的偏振光偏振光(v1)透過(guò)，垂直于透過(guò)，垂直于紙面的偏振光紙面的偏振光(v2)反射。反射。 又被分束器又被分束器BS2分成兩路分成兩路 工作原理工作原理這兩支光束在檢偏振器這兩支光束在檢偏振器P4后產(chǎn)生拍頻信號(hào)后產(chǎn)生拍頻信號(hào)v1-v2v=v0v，v與被測(cè)表面的微觀高低起伏有關(guān)與被測(cè)表面的微觀高低起伏有關(guān) v1光經(jīng)反射鏡光經(jīng)反射鏡M

30、3，l4波片、波片、Ll和和L2透鏡后成平行細(xì)光束射到被測(cè)表面上，透鏡后成平行細(xì)光束射到被測(cè)表面上，經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)14波片。波片。由于兩次通過(guò)由于兩次通過(guò)l4波片波片(其光軸與其光軸與v1光光成成45度角度角)，故其偏振方向改變，故其偏振方向改變900，最，最后被后被PBS反射并經(jīng)檢偏器反射并經(jīng)檢偏器P4而被光電接而被光電接收器收器D2接收接收 v2光經(jīng)光經(jīng)14波片、反射鏡波片、反射鏡M4、BS3及物鏡及物鏡L2后會(huì)聚到被測(cè)表面，后會(huì)聚到被測(cè)表面，形成光學(xué)探針。由被測(cè)表面反射形成光學(xué)探針。由被測(cè)表面反射后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)l4波片，

31、波片，偏振方向改變偏振方向改變900，最后透過(guò)，最后透過(guò)PBS及檢偏振器及檢偏振器P4也被光電接收器接也被光電接收器接收。收。 該拍頻信號(hào)由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進(jìn)入混頻器該拍頻信號(hào)由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進(jìn)入混頻器與由從來(lái)的參考拍頻信號(hào)混頻，從而可解調(diào)出被測(cè)信號(hào)與由從來(lái)的參考拍頻信號(hào)混頻，從而可解調(diào)出被測(cè)信號(hào)v 計(jì)算機(jī)將根據(jù)接收到的計(jì)算機(jī)將根據(jù)接收到的v的變化，求出表面各點(diǎn)的微觀高差，并的變化，求出表面各點(diǎn)的微觀高差，并由此可換算出表征表面粗糙度的各個(gè)參數(shù)及表面的微觀三維輪廓由此可換算出表征表面粗糙度的各個(gè)參數(shù)及表面的微觀三維輪廓 (七七)具有光程鎖定的激光外差測(cè)振儀具有

32、光程鎖定的激光外差測(cè)振儀 應(yīng)用：應(yīng)用：測(cè)量分辨率為人量級(jí)的微振動(dòng)振幅或微位移測(cè)量分辨率為人量級(jí)的微振動(dòng)振幅或微位移 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能克服光強(qiáng)波動(dòng)引起的直流漂移和減少激光功率能克服光強(qiáng)波動(dòng)引起的直流漂移和減少激光功率噪聲，使在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中也能進(jìn)行穩(wěn)定的干涉測(cè)量，噪聲，使在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中也能進(jìn)行穩(wěn)定的干涉測(cè)量，且具有很高的測(cè)量分辨率且具有很高的測(cè)量分辨率(靈敏度靈敏度) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能消除環(huán)境的干擾不能消除環(huán)境的干擾(外界振動(dòng)及氣流外界振動(dòng)及氣流等等)引起的附加程差引起的附加程差 程鎖定的目的程鎖定的目的1.窄帶檢測(cè)窄帶檢測(cè)2.伺服鎖定干涉系統(tǒng)伺服鎖定干涉系統(tǒng) 就是為了消除這種附加差以保證微振動(dòng)就是為了

33、消除這種附加差以保證微振動(dòng)或微位移的測(cè)量精度或微位移的測(cè)量精度(八八)絕對(duì)長(zhǎng)度絕對(duì)長(zhǎng)度(距離距離)干涉計(jì)量干涉計(jì)量(無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)無(wú)導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng))由于該技術(shù)只測(cè)量干涉條紋的尾數(shù)，測(cè)量鏡無(wú)須移動(dòng)，因由于該技術(shù)只測(cè)量干涉條紋的尾數(shù)，測(cè)量鏡無(wú)須移動(dòng)，因此免除了干涉測(cè)長(zhǎng)儀中加工困難而又價(jià)格昂貴的精密導(dǎo)軌，此免除了干涉測(cè)長(zhǎng)儀中加工困難而又價(jià)格昂貴的精密導(dǎo)軌，特別是大長(zhǎng)度特別是大長(zhǎng)度(距離距離)的干涉測(cè)長(zhǎng)，精密導(dǎo)軌的制造及設(shè)置的干涉測(cè)長(zhǎng)，精密導(dǎo)軌的制造及設(shè)置更為困難。因此，這種無(wú)導(dǎo)軌干涉測(cè)長(zhǎng)是大長(zhǎng)度測(cè)量的發(fā)更為困難。因此，這種無(wú)導(dǎo)軌干涉測(cè)長(zhǎng)是大長(zhǎng)度測(cè)量的發(fā)展方向展方向 基本原理：基本原理：條紋小數(shù)重合法條紋小數(shù)重

34、合法60年代后期興起的，是一種以多波長(zhǎng)激光為基礎(chǔ)的大長(zhǎng)度年代后期興起的，是一種以多波長(zhǎng)激光為基礎(chǔ)的大長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)計(jì)量技術(shù)三、條紋小數(shù)重合法原理三、條紋小數(shù)重合法原理 四、紅外雙線氦氖激光絕對(duì)干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)四、紅外雙線氦氖激光絕對(duì)干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)(一一) 3.39m波段雙線波段雙線He-Ne激光合成波長(zhǎng)方案激光合成波長(zhǎng)方案(二二)雙波長(zhǎng)紅外鎖定干涉儀雙波長(zhǎng)紅外鎖定干涉儀 組成組成雙波長(zhǎng)拍波干涉及鎖定兩部分雙波長(zhǎng)拍波干涉及鎖定兩部分目的目的 精確地測(cè)出不同波長(zhǎng)的條紋小數(shù)，精確地測(cè)出不同波長(zhǎng)的條紋小數(shù)，以便根據(jù)小數(shù)重合法進(jìn)行絕對(duì)長(zhǎng)度以便根據(jù)小數(shù)重合法進(jìn)行絕對(duì)長(zhǎng)度的自動(dòng)測(cè)量的自動(dòng)測(cè)量 1紅外拍波干涉原理紅外

35、拍波干涉原理 多波長(zhǎng)小數(shù)重合法絕對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，通常采用下面多波長(zhǎng)小數(shù)重合法絕對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，通常采用下面兩種干涉和探測(cè)方式兩種干涉和探測(cè)方式 (1)順序更換單波長(zhǎng)干涉探測(cè)方式。順序更換單波長(zhǎng)干涉探測(cè)方式。 （2）多波長(zhǎng)同時(shí)干涉）多波長(zhǎng)同時(shí)干涉 2. 紅外拍波干涉儀紅外拍波干涉儀 He一一Ne激光器同時(shí)輸出波長(zhǎng)激光器同時(shí)輸出波長(zhǎng)133922m和和233912m的雙波長(zhǎng)紅外激光的雙波長(zhǎng)紅外激光 ，經(jīng)分束鏡，經(jīng)分束鏡2分出約分出約15的光用于穩(wěn)頻的光用于穩(wěn)頻 透射光經(jīng)分束鏡透射光經(jīng)分束鏡7分成兩部分分成兩部分 另一部分射向參考鏡另一部分射向參考鏡9 經(jīng)經(jīng)8和和9反射回的光在反射回的光在7上上重新會(huì)合形成干涉，干重新會(huì)合形成干涉，干涉信號(hào)由兩個(gè)涉信號(hào)由兩個(gè)InAs紅外紅外接收器接收接收器接收 一部分射向測(cè)量鏡一部分射向測(cè)量鏡8 3.雙波長(zhǎng)雙波長(zhǎng) 紅外鎖定干涉儀紅外鎖定干涉儀