第五讲激光外差干涉测长与测振

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1、1-6 激光外差干涉测长与测振韦 宏 艳1光探测方法光探测方法光探测方法光探测方法n n光（强）的探测方法分为直接探测法（非相干探测）和外差探光（强）的探测方法分为直接探测法（非相干探测）和外差探光（强）的探测方法分为直接探测法（非相干探测）和外差探光（强）的探测方法分为直接探测法（非相干探测）和外差探测法（相干探测）。直接探测简单实用，外差探测灵敏度高，测法（相干探测）。直接探测简单实用，外差探测灵敏度高，测法（相干探测）。直接探测简单实用，外差探测灵敏度高，测法（相干探测）。直接探测简单实用，外差探测灵敏度高，探测目标时的作用距离远。探测目标时的作用距离远。探测目标时的作用距离远。探测目标

2、时的作用距离远。n n直接探测的基本原理：直接探测的基本原理：直接探测的基本原理：直接探测的基本原理：所谓直接探测是将待测光信号直接射入到光探测器光敏面，光探所谓直接探测是将待测光信号直接射入到光探测器光敏面，光探所谓直接探测是将待测光信号直接射入到光探测器光敏面，光探所谓直接探测是将待测光信号直接射入到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，探测系统可测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，探测系统可测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，探测系统可测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，探测系统可经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端可经过频率经光

3、学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端可经过频率经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端可经过频率经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端可经过频率滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）处理。接收到得光信滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）处理。接收到得光信滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）处理。接收到得光信滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）处理。接收到得光信号入射到光探测器的光敏面上。号入射到光探测器的光敏面上。号入射到光探测器的光敏面上。号入射到光探测器的光敏面上。n n光外差探测的基本原理：光外差探测的基本原理：光外差探测的基本原理：光外差探测的基本原理：外差探测技术是利用光

4、的相干性对光所携带的信息进行探测。它外差探测技术是利用光的相干性对光所携带的信息进行探测。它外差探测技术是利用光的相干性对光所携带的信息进行探测。它外差探测技术是利用光的相干性对光所携带的信息进行探测。它只有采用相干性好激光器作光源才能实现。从理论上说，它能只有采用相干性好激光器作光源才能实现。从理论上说，它能只有采用相干性好激光器作光源才能实现。从理论上说，它能只有采用相干性好激光器作光源才能实现。从理论上说，它能准确探测到光波振幅和频率所携带的信息，比直接探测有更大准确探测到光波振幅和频率所携带的信息，比直接探测有更大准确探测到光波振幅和频率所携带的信息，比直接探测有更大准确探测到光波振幅

5、和频率所携带的信息，比直接探测有更大的信息容量和更低的探测极限。的信息容量和更低的探测极限。的信息容量和更低的探测极限。的信息容量和更低的探测极限。2n n引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。要原因，信号处理及细分都比

6、较困难。要原因，信号处理及细分都比较困难。要原因，信号处理及细分都比较困难。n n为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。型的光外差干涉技术。型的光外差干涉技术。型的光外差干涉技术。n n概念：概念：概念：概念：光外差干涉光外差干涉光外

7、差干涉光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一是指两只相干光束的光波频率产生一是指两只相干光束的光波频率产生一是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。和计算机检出干涉场的相位差。和计算机检出干涉

8、场的相位差。和计算机检出干涉场的相位差。n n特点：克服单频干涉仪的漂移问题；特点：克服单频干涉仪的漂移问题；特点：克服单频干涉仪的漂移问题；特点：克服单频干涉仪的漂移问题；n n 细分变得容易；细分变得容易；细分变得容易；细分变得容易；n n 提高了抗干扰性能。提高了抗干扰性能。提高了抗干扰性能。提高了抗干扰性能。激光外差干涉测试技术激光外差干涉测试技术34激光外差干涉测试技术(一一一一)激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理n n外差干涉技术原理外差干涉技术原理外差干涉技术原理外差干涉技术原理n n设测试光路和参考光路的光波频率分别

9、为设测试光路和参考光路的光波频率分别为设测试光路和参考光路的光波频率分别为设测试光路和参考光路的光波频率分别为 和和和和+，则，则，则，则干涉场的瞬时光强为干涉场的瞬时光强为干涉场的瞬时光强为干涉场的瞬时光强为由于光电探测器的频率响由于光电探测器的频率响由于光电探测器的频率响由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频应范围远远低于光频应范围远远低于光频应范围远远低于光频，它不能跟随光频变化，所它不能跟随光频变化，所它不能跟随光频变化，所它不能跟随光频变化，所以式中含有以式中含有以式中含有以式中含有2 2 的交变项的交变项的交变项的交变项对探测器的对探测器的对探测器的对探测器的输出响应无贡输出响应

10、无贡输出响应无贡输出响应无贡献献献献。干涉场中某点（干涉场中某点（干涉场中某点（干涉场中某点（x x，y y）处光强以低频）处光强以低频）处光强以低频）处光强以低频 随时间呈余弦变化随时间呈余弦变化随时间呈余弦变化随时间呈余弦变化 45-5 5-5 激光外差干涉测试技术激光外差干涉测试技术(一一一一)激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理n n外差干涉技术原理外差干涉技术原理外差干涉技术原理外差干涉技术原理n n在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点

11、在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x x0 0,y y0 0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号处，称之为基准探测器，其输出基准信号处，称之为基准探测器，其输出基准信号处，称之为基准探测器，其输出基准信号i i(x x0 0,y y0 0,t t)，另，另，另，另一个放在干涉场某探测点一个放在干涉场某探测点一个放在干涉场某探测点一个放在干涉场某探测点(x xi i,y yi i)处，称之为扫描探测器，处，称之为扫描探测器，处，称之为扫描探测器，处，称之为扫描探测器，输出信号为输出信号为输出信号为输出信号为i i(x xi i,y yi i,t t)。将两信号相比，测出信号的过零。将

12、两信号相比，测出信号的过零。将两信号相比，测出信号的过零。将两信号相比，测出信号的过零时间差时间差时间差时间差 t t，便可知道二者的光学位相差，便可知道二者的光学位相差，便可知道二者的光学位相差，便可知道二者的光学位相差 由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。测出干涉场各点的位相差。测出干涉场各点的位相差。测出干涉场各点的位相差。扫扫扫扫描描描描探探探探测测测测器器器器（x xi i,y yi i）基基基基 准准准准

13、 探探探探 测测测测 器器器器（x x0 0,y y0 0）（a a）t t1/1/t ti i(x,y,tx,y,t)（b b）外差干涉图样和电信号外差干涉图样和电信号外差干涉图样和电信号外差干涉图样和电信号5激光外差干涉测试技术（一）激光外差干涉测试技术原理（一）激光外差干涉测试技术原理（一）激光外差干涉测试技术原理（一）激光外差干涉测试技术原理n n激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源n n外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。外差干涉需要双频光源。其频差根

14、据需要选定。n n1 1）塞曼效应）塞曼效应）塞曼效应）塞曼效应He-NeHe-Ne激光器激光器激光器激光器可得到可得到可得到可得到12MHz12MHz的频差的频差的频差的频差 2 2）双纵模）双纵模）双纵模）双纵模He-NeHe-Ne激光器激光器激光器激光器频差约频差约频差约频差约600MHz600MHz（较大）（较大）（较大）（较大）3 3）光学机械移频）光学机械移频）光学机械移频）光学机械移频当干涉仪中的当干涉仪中的当干涉仪中的当干涉仪中的参考镜参考镜参考镜参考镜以匀速以匀速以匀速以匀速v v 沿光轴方向移动时，则垂沿光轴方向移动时，则垂沿光轴方向移动时，则垂沿光轴方向移动时，则垂直入射

15、的反射光将产生的频移为直入射的反射光将产生的频移为直入射的反射光将产生的频移为直入射的反射光将产生的频移为 。如果圆偏振光通过一个如果圆偏振光通过一个如果圆偏振光通过一个如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片旋转中的半波片旋转中的半波片旋转中的半波片，则透射光将，则透射光将，则透射光将，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率产生两倍于半波片旋转频率产生两倍于半波片旋转频率产生两倍于半波片旋转频率f f 的频移，即的频移，即的频移，即的频移，即 。6（一）（一）激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理n n激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源 3 3）光学机械移频）光学机械移频）光学机械移频

16、）光学机械移频在参考光路中放入一个固定的在参考光路中放入一个固定的在参考光路中放入一个固定的在参考光路中放入一个固定的1/41/4波片和一旋转的波片和一旋转的波片和一旋转的波片和一旋转的1/41/4波片波片波片波片，如果，如果，如果，如果固定固定固定固定1/41/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转

17、的1/41/4波片，使其产生波片，使其产生波片，使其产生波片，使其产生2 2f f的频的频的频的频移。圆偏振光再次穿过固定移。圆偏振光再次穿过固定移。圆偏振光再次穿过固定移。圆偏振光再次穿过固定1/41/4波片后又恢复为线偏振光，但频率波片后又恢复为线偏振光，但频率波片后又恢复为线偏振光，但频率波片后又恢复为线偏振光，但频率已发生偏移已发生偏移已发生偏移已发生偏移 。垂直于入射光束方向垂直于入射光束方向垂直于入射光束方向垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅移动（匀速）光栅移动（匀速）光栅移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅的方法也可以使通过光栅的方法也可以使通过光栅的方法也可以使通过光栅的第的

18、第的第的第n n级衍射光产生的级衍射光产生的级衍射光产生的级衍射光产生的 频移，此处频移，此处频移，此处频移，此处f f 是光栅的空间频率，是光栅的空间频率，是光栅的空间频率，是光栅的空间频率，V V是光栅移动速度。是光栅移动速度。是光栅移动速度。是光栅移动速度。激光外差干涉测试技术7（一）（一）（一）（一）激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理激光外差干涉测试技术原理n n激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源激光外差干涉仪的光源 4 4）声光调制器）声光调制器）声光调制器）声光调制器 利用布拉格盒（利用布拉格盒（利用布拉格盒（利用布拉

19、格盒（BraggCellBraggCell）声光调制器可以起到与移动）声光调制器可以起到与移动）声光调制器可以起到与移动）声光调制器可以起到与移动光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f f，而与光的波长无关。，而与光的波长无关。，而与光的波长无

20、关。，而与光的波长无关。激光外差干涉测试技术8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9数数 据据 处处 理理数数 据据 处处 理理双频激光器双频激光器双频激光器双频激光器1/41/4波片波片波片波片准直系统准直系统准直系统准直系统可动角可动角可动角可动角隅棱镜隅棱镜隅棱镜隅棱镜检偏器检偏器检偏器检偏器v v探测器探测器探测器探测器 前置前置前置前置放大器放大器放大器放大器f f2 2 f f1 1f f1 1

21、f ff f2 2f f1 1f f2 2f f1 1f f双频激光器外差干涉测长原理图双频激光器外差干涉测长原理图双频激光器外差干涉测长原理图双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜偏振分光镜偏振分光镜偏振分光镜f f2 2f f1 1f f2 2（f f1 1f f）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

22、振光圆偏振光，它，它们的频率差们的频率差V约为约为15MHz 10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

23、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”，其拍频就等，其拍频就等于两个光频之差，于两个光频之差，即即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信大后的信号作为参考信号送给计算机号送给计算机 11

24、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”，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

25、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 12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。13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

26、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：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 14二、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

27、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：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 15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

28、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

29、镜 16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时，两支光路的多普勒频移v1=v2，会合后经检偏振器产生，会合后经检偏振器产生拍频，并在拍频中互相抵消，计算机无多普勒频移值出现。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v

30、2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，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”17(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

31、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，经半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。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 18（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

32、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

33、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，最大检，最大检测距离可达测距离可达3m，最大下落量可测到，最大下落量可测到15mm 精度精度19(三三)双频激光干涉用于同轴度的精密测量双频激光干涉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)

34、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 20原因原因（1）双频激光直线度干涉仪在信

35、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）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

36、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，不利于相光频比较稳定，但频差变化比较大，频差值也比较高，不利于相位测量。位测量。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。211双频激光同轴度干

37、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 22SJD3T方案与方案与HP5528主要区别主要区

38、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

39、发生变化，那生上下横移时，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。23结论结论(1)SJD3T采用了两个握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，远距离测量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。附件

40、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

41、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 242SJD3T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8098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

42、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 25f f0 0f f0 0f fs s1 12 23 34 41/21/2波

43、片波片5 510106 67 71/41/4波片波片9 9振动体振动体激光外差测振仪（双频激光测量振动光路示意图）激光外差测振仪（双频激光测量振动光路示意图）8 8f f0 0f fD D 方解石棱镜及方解石棱镜及方解石棱镜及方解石棱镜及1/41/4波片的作用是波片的作用是波片的作用是波片的作用是使测量光束的光路既作发射光使测量光束的光路既作发射光使测量光束的光路既作发射光使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。通过路，又作接收光路。通过路，又作接收光路。通过路，又作接收光路。通过o o光和光和光和光和e e光在方解石中光路的不同，起光在方解石中光路的不同，起光在方解石中光路的不同，起光在

44、方解石中光路的不同，起到到到到“光学定向耦合光学定向耦合光学定向耦合光学定向耦合”作用，使作用，使作用，使作用，使发射与接收的光无损失地通过发射与接收的光无损失地通过发射与接收的光无损失地通过发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜方解石棱镜方解石棱镜方解石棱镜(不考虑光吸收损失不考虑光吸收损失不考虑光吸收损失不考虑光吸收损失)。频率频率频率频率f fs s信号由声光调制器信号由声光调制器信号由声光调制器信号由声光调制器的信号源直接输入混频的信号源直接输入混频的信号源直接输入混频的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把器与拍频信号混频，把器与拍频信号混频，把器与拍频信号混频，把多普勒频移多普勒频移

45、多普勒频移多普勒频移f fD D解调出来。解调出来。解调出来。解调出来。（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26DISA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，

46、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27（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

47、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 28HeNe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（P2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PB

48、S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29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

49、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

50、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 30(七七)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

51、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1.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的测量精度或微位移的测量精度31(八八)绝对长度绝对长度(距离距离)干涉计量干涉计量(无导轨测长无导轨测长)由于该技术只测量干涉条纹的尾数，测量镜无须移动，因由于该技术只测量干涉条纹的尾数，测量镜无须移动

52、，因此免除了干涉测长仪中加工困难而又价格昂贵的精密导轨，此免除了干涉测长仪中加工困难而又价格昂贵的精密导轨，特别是大长度特别是大长度(距离距离)的干涉测长，精密导轨的制造及设置的干涉测长，精密导轨的制造及设置更为困难。因此，这种无导轨干涉测长是大长度测量的发更为困难。因此，这种无导轨干涉测长是大长度测量的发展方向展方向 基本原理：基本原理：条纹小数重合法条纹小数重合法60年代后期兴起的，是一种以多波长激光为基础的大长度计年代后期兴起的，是一种以多波长激光为基础的大长度计量技术量技术32三、条纹小数重合法原理三、条纹小数重合法原理 33四、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

53、干涉测长系统(一一)3.39m波段双线波段双线He-Ne激光合成波长方案激光合成波长方案(二二)双波长红外锁定干涉仪双波长红外锁定干涉仪 组成组成双波长拍波干涉及锁定两部分双波长拍波干涉及锁定两部分目的目的 精确地测出不同波长的条纹小数，精确地测出不同波长的条纹小数，以便根据小数重合法进行绝对长度以便根据小数重合法进行绝对长度的自动测量的自动测量 1红外拍波干涉原理红外拍波干涉原理 多波长小数重合法绝对测量长度时，通常采用下面多波长小数重合法绝对测量长度时，通常采用下面两种干涉和探测方式两种干涉和探测方式(1)顺序更换单波长干涉探测方式。顺序更换单波长干涉探测方式。（2）多波长同时干涉）多波长同时干涉 342.红外拍波干涉仪红外拍波干涉仪 He一一Ne激光器同时输出波长激光器同时输出波长133922m和和233912m的双波长红外激光的双波长红外激光，经分束镜，经分束镜2分出约分出约15的光用于稳频的光用于稳频 透射光经分束镜透射光经分束镜7分成两部分分成两部分 另一部分射向参考镜另一部分射向参考镜9 经经8和和9反射回的光在反射回的光在7上上重新会合形成干涉，干重新会合形成干涉，干涉信号由两个涉信号由两个InAs红外红外接收器接收接收器接收 一部分射向测量镜一部分射向测量镜8 3.双波长双波长 红外锁定干涉仪红外锁定干涉仪 35