激光干涉测量
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xxxxx 摘要：干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。
20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电
子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。本文
介绍了激光干涉的基本原理。
关键词：激光干涉测量双频激光干涉仪
由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。
激光的出现在世界计量史上具有重大的意义。用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到±0.2μm，这就是激光干涉仪的成功例证。
一、激光干涉仪的介绍
激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量，有单频的和双频的两种。
1、单频激光干涉仪
从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。
2、双频激光干涉仪
双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪，，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、
垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
单频的激光仪最根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。这是因为单频激光仪是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪的应用范围。
双频激光干涉仪克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f，结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样，即使光强衰减90%，依然可以得到合适的电信号。由于这一特点，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
二、干涉仪的应用
原理介绍
双频激光干涉仪其双频激光测量系统由氦氖双频遥置激光干涉仪和电子实时分解系统所组成。它具有以下优点：稳定性好，抗干扰能力强，可在较快的位移速度下测量较大的距离，使用范围广，使用方便，测量精度高。
基本原理：激光双频干涉仪的氦氖激光管，在外加直流轴向磁场的作用下，产生塞曼效应，将激光分成频率为f1和f2，旋向相反的两圆偏振光，经λ/4波片变为线偏振光。调整λ/4玻片的旋转角度，使fl和f2 的振动平面相互垂直，当两个线偏振光经过参考分光镜3时，大部分则由偏振分光棱境4分成两束。偏振面垂直入射面的f2全反射到与分光镜固定在一起的基准锥体棱镜上；偏振面在入射面内的fl则全部通过而射到移动测量棱体6上。由这两个锥体棱镜反射回来的光束在偏振分光镜上合并，并在检偏振镜上混频。当移动锥体棱镜时，由于多普勒效应，f1变成f1 +△f，因而光电元件8所得到的信号是(f1+△f)-f2。在可逆计数器中与参考信号(f1-f2)相减，棱镜每移动半个波长，光程变化是整个波长。测得的位移是l=λ/2×N，经计算机处理，所测得的位移值可在计算机显示器上读出。位移量测量原理如图11-3所示。
典型的激光干涉仪由激光器L、偏振分光镜PBS、测量反射镜M、参考反射镜R、光电检测器D、检偏器P和三个λ/4波片Q1、Q2和Q3组成。激光为线偏振光，经偏振分光镜分为E1和E2两线偏振光。当两干涉臂中λ/4波片快轴(或慢轴)与X轴夹角相等且为45度时，两束光通过λ/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过λ/4波片，又转换为线偏振光，但其振动方向相对原振动方向旋转了90度，且由于两干涉臂光程产生了相位差φ，根据公式：
φ=2θ=φ=4πL/λ
式中：λ为激光波长，干涉光路的作用是把位移L转变为合成光振动方向的旋转角θ，进而转换成光电信号的相位φ，信号处理器的作用就是测量出φ，从而计算出位移L。
迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法等。激光干涉测长系统的另一个重要组成部分是干涉条纹计数与测量结果处理系统。干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正反两个方向的移动，或由于外界振动，导轨误差等干扰，使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正反两方向移动的总和，就不代表真正的位移值。另外为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90度的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。存在的问题： 1、稳定激光的工作环境。保证系统有一个好的工作环境，特别是从保证激光频率稳定角度出发，要保证系统的工
作环境相对稳定。
1、激光干涉在长度测量中的应用
高精度7m万能测长机是一种由激光干涉系统、光学高精度系统、精密机械、电气驱动、微机控制和计量管理相结合的大型长度计量仪器，其结构如图2-10所示。光学测量原理在前面已经论述，测量原理图所示。如图
2、激光干涉在位移测量中的应用
布朗布维尔干涉仪的工作原理如图2-14所示。从激扩光器1发出的平行光束，经望远镜系统2束分，被镀有半透反射膜的分光镜3成两路，分别投射到可动角锥棱镜9和固定角锥棱镜10上。再经分光镜3会合的两支光束投射到棱镜6上，棱镜6按波阵面把光束分成两部分。在光电接收器4与8前，安装两个光阑5与7，把干涉条纹分成两部分，相互间错开0.25条条纹宽度。为了使干涉光束之间形成某个楔角，从而达到所要求的条纹宽度和方
向，采用楔形板11。反射镜13和毛玻璃12构成目视窗，用于调整仪器时观察干涉条纹。这种激光器望远镜系统分光镜一光电接收器干涉仪的特点是：
● 从干涉仪出来的光束，不会返回到激光1中，从而保证了激光器的稳定工作。
● 由于激光具有高单色性，因此在干涉仪的光路中，不需要一般迈克尔逊干涉仪都有的 用于补偿两支光路中玻璃厚度不相等的补偿板。
● 由于激光具有很小的发散性，在干涉仪的两支光路不相同的情况下，干涉图样对比度 还是很好的。在该干涉仪中，可动角锥棱镜9的位移量可通过数字读数0.1μm ，最小读数值测量范围为1m 。
3、激光干涉在角度测量中的应用
小角度测量系统的结构如图3-13所示，图中2
玻片3用于调整0光与e 光强度平衡，透镜的数值孔径根据测量灵敏度由式选择。反射面由两块反射镜组成，其中与压电陶瓷连为一体，可作高频振动。反射光经原路返回，在透镜焦面会合，成为椭圆偏振光，经波片变为线偏振光。其偏振方向为（推导从略）
2-L T δ?=
式中?=λπ
δ2，则?=d d λ
π?。即光程差变化一个波长，相位变化，π线偏振光方位角转过π，条纹变化一个周期。
当反射面有一个角位移θ时，合成偏振光光程差变化?d ，经检偏器可观察到干涉条纹的变化，检出条纹变化量即可得知角位移量。
4、光线基准双频激光干涉法 测量原理如图所示。两束偏振面相互正交、频率为1f 和2f 的激光束经分光组件1射向渥拉斯顿棱镜2，渥拉斯顿棱2将1f 和2f 两束光分开成夹角?2射向双面反射镜3，双面反射镜的夹角为?2补角，即光束1f 和2f 垂直射向双面反射镜的两个面，然后光束从双面反射镜返回到渥拉斯顿棱镜上会合，再由分光组件返回进行拍频、接收、计算机处理等。当渥拉斯顿棱镜固定不动，双面反射镜沿被测表面x 向移动时（或反之，双面反射镜固定不动，渥拉斯顿棱镜沿被测表面移动时），如果双面反射镜在y 向无位移，仪器显示值不变；
如果被测表面不平，则当双面反射镜沿x向移动时，将同时有 y的位移，则此时1f和2f两路光光程不等，仪器显示值便有变化。
5、共模抑制干涉仪
He-Ne激光器发出的线偏振光经扩束、准直，透过半波片和分光棱镜BS进入测量头。该测量头由两部分组成，一部分为双焦透镜分束器L1，它由一块束器石英凹透镜和两块玻璃凸透镜胶合而成，石英晶体光轴设计成与透镜轴垂直，通过合理选择三透镜参数，使分束器对O光（寻常光）光焦度为正，对e光（非寻常光构）的光焦度为零；测量头的另一部分为
L、3L成的开普勒望远镜系统。平行线偏振光（旋转半波片可改变偏振方向）进入该测量2
头后，被分成两束（彼此同轴的o光和e光），其中e光成平行光垂直照射到被测表面，o 光被会聚于被测表面上某一点。两束光在被测表面反射后沿原路返回，经双焦透镜分束器后合成为一椭圆偏振光，它经BS1反射后，被分光棱镜BS2分成两部分，各自经过检偏器P1、P2后相干涉。
三、国内外开展激光检测研究与应用的现状
（1）技术上——在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。
（2）应用上——周内应用类别不少。但由于产品化程度不高，影响使用面。
（3）研究新的测量方法，研究多种技术的综合应用，降低成本，实现仪器化系统，开拓新的应用领域
参考资料
1.羡一民，双频激光干涉仪的原理与应用[J]，《工具技术》，1996年04期
2.殷纯永，《现代干涉测量技术》[M]，天津大学出版社，1999-7-1
3.扬述武，普通物理实验(光学部分)[z]，高等教育出版社，1993.15～167.
激光干涉位移测量技术 张欣（2015110034） 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮
光学干涉测量技术 ——干涉原理及双频激光干涉 1、干涉测量技术 干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。 当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为： 122I I I πλ=++ 式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）： min 12I I I I ==+ （ m λ=） 相消干涉（暗）： min 12I I I I ==+-， （12m λ? ?=+ ??? ） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。 按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。 图一 普通光源获得相干光的途径 与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
激光干涉原理在振动测量中的应用 激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往 激光干涉原理在振动测量中的应用 0 引言 振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。 由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。 1 激光干涉测振原理 激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术，测试灵敏度和准确度高，绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图1所示。 光源S处发出的频率为f、波长为λ的激光束一部分投射到记录介质H(比如全息干板)上，光波的复振幅记为E1，另一部分经物体O表面反射后投射到记录介质H上，光波的复振幅记为E2。其中： 式中：A1和A2分别为光波的振幅；σ1和σ2分别是光波的位相；当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅E为： 光强分布I为： 式(4)的四项中前三项均为高频分量，只有第四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。第四项的含义是σ2代表的物体表面与σ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等，从而得到被测物体振动速度、位移等关系式。
厨 ｆ静堂鸯溅斌技术）２００７亭第弘誊第｛Ｏ麓 激光干涉仪使用技巧 Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｇ口洫ｔｏ Ｖｓｉｎｅ ａ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ 魏纯 （广州市计最检测技术研究院，广东广州５１００３０） 瓣萎：本文讨论了激光予涉仪在使用巾的准直等技礴，用户在实际使用中增加葺芒件以及维护巾邋蓟的同舔。燕键词：激光平涉仪；准直 ｌ引言高性能激光干涉仪具有快速、高准确测量的优点，是校准数字机床、坐标测量机及其它定位装置精度及线性指标最常用的标准仪器，弦者所在单位使用的是英国ＲＥＮＩＳＨＡＷ公闭生产的ＭＬｌ０激光干涉仪，具有性能稳定，使罱方便等特点。 通过较长时闯使用，作者认为测量人员除了要考虑环境、温度、原理等影响测量的常规因素外，掌握一些激光干涉仪的使用技巧会使测量互作事半功倍。 ２原理介绍
ＭＬｌ０激光干涉仪是根据光学千涉基本原理设计磊成酌。从ＭＬｌ０激光器射出的激光束有单一频率，其标称波长隽０．６３３ｐＬＩｎ，且其长期波长稳定健（真空状态）要高于０．１ｐｐｍ。当此光束抵达偏振分光镜时，会被分为两道光束一一道反射光糯一道透射光。这两道光射向其反光镜，然后透过分光镜反射圈去，在激光头内的探测器形成一道干涉光束。若光程差没有任俺变讫，探测器会在樵长性秘楣潢性于涉的两极找到稳定的信号。若光程差确实有变化，探测器会在 每一次光程改变时，在相长性和相消性干涉的弼极找 到变动的信号。这些变化（援格）会被计算并用来测量两个光程闻的差异变化。测量的光程就是栅格数乘以光束大约一半的波长。 值褥注意的是，激光束的波长取决于所通过敖空气折射率。由于空气折射率会随着温度、压力和相对湿度而变化，用来计算测蹩值的波长值可能需要加以李｝偿，以配合这魍环境参数豹改变。实际上就测量准确度而言，此类补偿在进行线性位移（定位精度）测量，特别是量程较大时，非常重要。３激光干涉仪使用技巧 ３．１ Ｚ轴激光光路快速准直方法 用激光干涉仪进行线性测量时，无论是数字机 床、还是坐标测燮枫，ｚ轴测量酵激光光路的礁童榻对Ｘ、Ｙ轴准直来说，要困难的多。尤其是在ｚ轴距离较长的情况下，要保证激光光束经反射镜反射后回到激 先探测器的强度满足测量对对光强的要求，准妻激光光路往往需要很长时间。 根据作者长期使用的经验，按照“离处动尾部，低处动整体”的调整方法，将会大大缩短漆直时闻。（“尾部”是指ＭＬｌ０激光器电源接口边上的倾斜度调蹩旋钮和三兔架云台上的旋转微调控制旋锂，“整体”是指三
word格式文档 高精度光学测量微位移技术综述 *** （******大学光电**学院，重庆400065） 摘要 微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。 关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势 1 引言 随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在 专业资料整理
几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。 纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。 表1 常用微位移测量技术 仪器种类分辨力/nm 测量范围 电容传感器0.05-2 10nm-300μm 电感传感器 5 10μm SPM 0.05 1-10μm 激光三角测头 2.5 100-500μm 光纤位移传感器 2.5 30-100μm 双频激光干涉仪0.1 >10m 光栅尺0.1-10 70-200mm X射线干涉仪0.005 200μm F-P干涉仪0.001 5nm-300μm 2 光学微位移测量技术概述 2.1 激光三角法微位移测量技术 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和
激光干涉仪分类及应用 激光干涉仪以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。激光干涉仪有单频的和双频的两种。 激光干涉仪的分类： 单频激光干涉仪 从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。 双频激光干涉仪 在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应,激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算（乘1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直
实验二 双频激光干涉实验 一、 实验目的 了解双频激光干涉测量原理，设计测量长度与角度的干涉系统，并且比较一般干涉测量与双频激光干涉测量的异同。 二、 实验原理 1. 测长原理如图1所示： 其中L1 为稳频的激光器，Mm 、Mr 为两个全反射组件，P1、P2 为检偏器，D1、D2 为光电探测 器。Mm 固定在被测物体上。 输出激光含频差为f ?的两正交线偏振光分量1f 、2f 。输出光经分光镜 BS 后，一 部分光被反射，经检偏器 P 1, 两频率分量干涉产生拍频，该信号被光电探测器D1 接 收，形成参考信号 Sr 。透射光经线性干涉仪后，1f 、2f 被分开， 1f 进入参考臂，2f 进入测量臂，由两角锥棱镜反射返回后，在线性干涉仪上会合，经检偏器 P2 后发生干 涉，光电探测器 D2 接收干涉信号，形成测量信号 Sm 。 此时如果测量镜以速度v 移动，则1f 的返回光频率发生变化，成为1D f f +?,D f ?为多普勒频差，1D f f +?通过线性干涉仪与2f 的返回光会合，经检偏后，其拍频被光电 探测器 D2 接收，Sr ，Sm 经前置放大后进入计算机进行计数。 计算机对两路信号进行比较，计算其差值±D f ?。进而按下式计算动镜的速度?和移动的距离得出所测的长度 L 。 设在测量中动镜的移动速度v （这里v 可以随时间变化），则由多普勒效应引起的频差变化为： 122 D v v f f c λ?== (1-1) 式中：1f 激光频率，c 光速，λ波长，D f ?为动镜移动时，由它反射回来的光频率 的
变化量，也就是经计算机比较计算出来的两路信号的差值。 设动镜的移动距离为D ，时间为t 则： 000()222 t t t D D D vdt f dt f dt N λλλε==??=??=+??? (1-2) N ε+为测量过程中动镜下的条纹数（N 为整数部分，ε为小数部分）。 00()t t D D N f dt f dt ε+=??=??∑? （1-3） 所以，位移D 的计算公式为： ()2D N λε= + (1-4) 2. 测角原理如图2所示： 如图，基于正弦尺的原理，利用角度干涉仪和角度靶镜，双频激光干涉仪就可以进行角度测量。其干涉光路的工作原理和测长的相似，只不过测量的位移变成了两个角锥棱镜的相对位置变化—D 。于是，在小角度的情况下，我们得到角度测量结果（弧度）为： D L α= (1-5) 三、 实验步骤 1． 在实验箱中找出需要用的零部件（不用的不要拿出）： （1） P T-1105C 激光头、（2）PT-1303C 高速接收器、（3）PT-1201A 线性干涉仪、（4） PT-1202A 全反射组件、（5）PT-1210A 角度干涉组件、（6）角度靶镜、（7） PT-1801B 通用调节架、（8）连接电缆 各部件外形图如下所示：
实验三激光干涉测量技术 一、引言 激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。 二、实验目的 1．了解激光干涉测量的原理 2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧 三、实验原理 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。 图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。 若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。 如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为 即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当 时，P点为亮点，而当 时，P点为暗点。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角 的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀 照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。由于 测量镜M2移动l会带来2l的光程差则： 式中N为干涉条纹数。 因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。测量灵敏为：当N＝1，则
激光干涉测量技术 南京师范大学中北学院 18112122 谭昌兴 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。 干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。 干涉测长的基本原理 激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,用干涉条纹来反映被测量的信息。干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P 后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。两束光的光程差可以表为 (1) j M J j N i i i l n l n ∑∑==-=?11 式中j i n n ,分别为干涉仪两支光路的介质折射率；j i l l ,分别为干涉仪两支光路的几何路程。将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M 2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。
被测长度L 与干涉条纹变化的次数N 和干涉仪所用光源波长λ之间的关系是 2λ N L = （2） 从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析 δλδδλ λ+=?+?=?N L N N L L 即 （3） 式中δλδδ和N ，L 分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。这说明被测长度的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频率的相对误差。前者是干涉测长系统的设计问题，后者除了激光稳频技术有关之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关。因此激光干涉测长系统测量误差必须根据具体情况进行具体分析。 激光的发明和应用使干涉测长技术提高了精度，扩大了量程并且得到了普及，但是使干 涉测长技术走出实验室进入车间，成为生产过程质量控制设备的是激光外差干涉测长技术， 具体来讲就是双频激光干涉仪。 激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，在从静止到运动再 回到静止的过程中对应着频率从零到最大值再返回到零的全过程，因此光强转化出的直流电 信号的频率变化范围也是从零开始的。这样的信号只能用直流放大器来放大处理。但是在外 界环境干扰下，干涉条纹的平均光强会有很大的变化，以至于造成计数的错误。所以一般的 激光干涉仪抗干扰能力差，只能在恒温防振的条件下使用。为了克服以上缺点，可以在干涉 仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，使得干涉仪能够采用交 流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。利用这种技术设计的干涉仪称作外差干涉 仪，或交流干涉仪。产生干涉仪载波信号的方法有两种，一种是使参与干涉的两束光产生一 个频率差，这样的两束光相干的结果会出现光学拍的现象，转化为电信号以后得到差频的载 波，另一种是在干涉仪的参考臂中对参考光束进行调制，与测量臂的光干涉直接生成载波信 迈克尔逊干涉仪 图1 激光干涉测长仪的原理图
北京信息科技大学 《专业综合实践》报告 题目激光干涉微位移测量系统设计 学院仪器科学与光电工程 专业光信息科学与技术 学号2011010736、744、750、728 姓名邓伟壮、潘晗、张驰、贾希冉 指导老师 日期2015.1
目录 题目激光干涉微位移测量系统设计 (1) 目录 (2) 一、方案要求 (3) 1、设计内容 (3) 2、设计目标 (3) 3、设计预计实现目标 (3) 二、方案调研及原理 (3) 1、光学微位移测量的几种方法 (3) （1）光外差法 (3) （2）电镜法 (3) （3）激光三角测量法 (4) （4）干涉法测量 (4) 2、光电接收器件 (4) （1）光敏电阻 (4) （2）PIN光电二极管 (4) （3）利用PIN光电二极管检查光信号 (6) 三、测量系统设计 (8) 1、整体电路设计 (8) 2、光路部分 (8) 3、电路部分设计 (10) （1）前置放大电路（电流/电压转换） (10) （2）电压跟随器（电压稳定） (11) （3）去直流电路（高通滤波） (11) （4）滤波电路（低通滤波） (12) （5）两级放大电路（5~50倍放大） (12) （6）负电压电路（由于用电池供电，需要负电源） (12) 4、软件部分设计 (13) 四、系统调试分析 (13) 1、光路部分 (13) 2、电路部分 (13) 3、软件部分 (13) 五、结论 (13)
激光干涉微位移测量系统设计 课程设计总结报告 成员：邓伟壮 2011010736 潘晗 2011010744 张驰 2011010750 贾希冉 2011010728 一、方案要求 1、设计内容 基于激光干涉的方法，利用光电探测器，实现微位移的高精度测量。 设计主要包括两部分： 1）方案调研、测量系统设计及分析； 2）搭建系统，获取干涉条纹，条纹处理，完成微位移测量。 2、设计目标 1）微位移测量精度达到微米量级； 2）测量范围小于等于1毫米； 3）测量结果显示。 3、设计预计实现目标 1）光学部分得到可视性较好的干涉条纹 2）电路部分最终输入单片机前得到方波的脉冲波形 3）单片机后在LCD上显示出微测量的数值结果 4）（拓展）在电脑中显示测量结果 二、方案调研及原理 1、光学微位移测量的几种方法 光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。按使用光学的原理不同分为以下几种方法： （1）光外差法 光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。 （2）电镜法
SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。 SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。 激光干涉仪角度测量方法
1.1.1. 角度测量构建 与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。 图 16-角度测量原理及测量构建 图 17-1水平轴俯仰角度测量样图图 17-2水平轴偏摆角度测量样图1.1.2. 角度测量的应用 1.1. 2.1. 小角度精密测量 激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。
图 18-小角度测量实例 1.1. 2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量 由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。 图 19-水平方向角度测量 图 20-垂直方向角度测量 在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。
激光干涉测量 xxxxx xxxxx xxxxx 摘要：干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。 20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电 子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。本文 介绍了激光干涉的基本原理。 关键词：激光干涉测量双频激光干涉仪 由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。 激光的出现在世界计量史上具有重大的意义。用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到±0.2μm，这就是激光干涉仪的成功例证。 一、激光干涉仪的介绍 激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量，有单频的和双频的两种。 1、单频激光干涉仪 从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。 2、双频激光干涉仪 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪，，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、
激光干涉仪概述 SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(5~10分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。
SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，
为机床误差修正提供依据。 激光干涉仪性能特点 1.测量精度高、速度快，稳定性好 ①使用美国高性能氦氖激光器，结合伺服稳频控制系统，达到高精度稳频(0.05ppm) ②以光波长(633nm)为测量单位，分辨率可达nm级 ③使用高速光电信号采样和处理技术，测量速度可达到4m/s。 ④配合有环境补偿单元，在环境变化的情况下，也可以得到较高的测量精度 ⑤分离式干涉镜设计，避免了测量镜组由于主机发热而引起的镜组形变 2.应用范围广 ①可以实现线性、角度、直线度、垂直度、平面度等几何量的检测 ②结合我们的软件系统，可以用于速度，加速度，振动分析以及稳定度等分析 ③可实时监控精密加工机床等机器的动态数据，进行动态特性分析 3.软件界面友好 ①使用当前热门的软件界面开发工具，软件界面人性化，操作简单。 ②将静态测量和动态测量两种功能合并到一个软件中，更方便用户切换测量类型。
基于CCD 激光干涉微位移测量系统准确度分析 赵育良,张忠民 (海军航空工程学院青岛分院,山东青岛266041) 摘 要:条纹处理是微位移测量系统的关键,从条纹去噪入手,分别介绍了去噪装置、判向变频系统及条纹的细分方法,有效地解决了传统系统中由于噪声、位移方向误判等因素造成的错误计数,提高了系统测量的准确度。同时对系统测量准确度进行了深入分析。关键词:线阵CCD;微位移;干涉 中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2002)07-0035-03 Accuracy analysis of laser micro displacement measurement system based on CCD ZHAO Yu liang,ZHANG Zhong min (Qingdao Branch,Naval Aeronautical Engineering Academy,Qingdao 266041,China) Abstract :Str ipe handling is the key of micro displacement measur e,the w ays of eliminating noise,frequency conversion and differentiating direction are introduced,the problem of system is solv ed,the precision of system is improved.At the same time,the precision o f system is analysed deeply.Key words :linear CCD;micro displacement;interference 0 引 言 高准确度的位移测量系统越来越成为各领域特别是在军事领域技术不断进步的制约因素,高准确度的微位移测量有着重要的意义。而这些方面栅尺类及迈克尔逊激光干涉计量等测量方法以其能够精确到波长级的优势成为位移测量系统的主要代表[1]。而传统的测量方法大多以光电探测器为条纹接收工具,再加上受分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的存在,就给条纹的细分造成困难。而且由于测量过程中诸如振动等一些外界影响,经常会造成测量系统的误计数,使测量准确度受到较大影响。本文提出以一种以线阵CCD(charge coupled device)取代传统的光电探测器作为条纹拾取工具,并配以去噪装置、条纹判向系统、条纹细分系统,使系统理论误差仅为CCD 的一个像元,实现了对条纹的高准确度细分,并对微位移实现了高准确度测量,较大地提高了系统的测量准确度和系统的稳定性,并基本消除了系统的计数误差。1 干涉微位移测量原理 图1是一微位移测量原理图,系统基于位相调 收稿日期:2002-03-07 制原理,利用光的干涉效应对被测物体微位移实现测量。 图1 系统原理图 Fig 1 Schemtal d iagram of s ystem 系统主要由四部分组成,H e Ne 激光光源、迈克尔逊干涉机构、CCD 及其驱动装置和信号处理系统。由H e Ne 激光器发出的激光束经起偏器和1/4波片到达分光镜P 后分成光束1和光束2,反射光束1经迈克尔逊干涉仪上的固定反射镜M 反射后仍然回到分光镜P,透射光束2到达被测物体O 后也反射回来到达分光镜P,两束光在分光镜P 处发生干涉。由于光束1的光程长度不变,而光束2的光程长度是随被测物体的移动而改变的,因此,当两 35 2002年第21卷第7期 传感器技术(Journal of T r ansducer T echnolog y)
激光干涉位移测量技术 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表
激光干涉纳米位移测量系统设计 总体构思及方案确定： 一、光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。按使用光学的原理不同分为以下几种方法： 1、光外差法： 光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。 2 电镜法 电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。 3 激光三角测量法 三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。其工作过程主要是:激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移。 4 干涉法测量 干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值。
Precise Manufacturing Application | 精密加工应用 基于FPS3010长行程高速位移测量 Long distance and high-speed displacement measurements using the FPS3010 图1：测量旋转物体运动误差机构。当轴旋转是，采用两个干涉传感器探头测量垂直于其转轴的两个方向上的运动误差。不同的被测物体采用不同尺寸的传感器探头。 动智精密设备科技（上海）有限公司一直致力于为装备行业和科研领域提供尖端运动和测量解决方案，产品范围从超精密压电纳米扫描台，到高精度六自由度并联定位系统、皮米分辨激光干涉位移传感器，以及为工业应用设计的高精度运动模块和运动系统等。我们的产品大量应用在光电子、半导体设备、生物设备、精密、同步辐射和高端科研领域。希望通过我们的努力，帮助国内的用户在装备技术方面取得成功，并为我国产业升级和科技发展做出自己的贡献。 基于光学法珀腔传感器FPS3010干涉仪可以测量目标相对位移，测量精度达到亚纳米分辨率，实时位置输出带宽达10MHz。在工业，科研以及研发等多种应用中需要高速以及长行程精密测量。如下面所示，FPS3010可以测量距离高达3m，并且速度达2m/s。 在这些测试中，FPS3010干涉仪采用的是M12探测头，并且在被测目标安装了反射器。图1中为整体设备，包括探测头和反射器。采用商用线性电机平台，可实现目标位置多次重复测量。另外，通过采用反射器取代平面镜，安装过程更为简
易快捷：反射器相对于探测方向角度4度内都可以测出信号。反射器内部采用了3个正交式反射镜组成的几何结构。信号的高稳定性保证了FPS3010可以在全行程任意位置下进行标定，整套设备的使用方法非常友好，简易。 图2：当旋转圆柱体是测得的运动误差（黑线），结果显示为行程达微米级，分辨率可达亚纳米。中央红色线显示平均值位置（校正偏心），而每根点划线显示误差值为5微米。 第一次测试，目标距离传感器头1m。包含振动目标的0.9m振动幅度以及达1.0m/s 速度。图2（a）显示的是在振动过程中，目标位置测量和速度。 图2（b）描述了在高速运动中的测量，距离为0.5m，速度为2.0m/s。从红色曲线中可见，平台最大加速度是一个限制：在到达位置B之前，需要10毫秒才能达到2m/s速度，同时也需要10ms减速。在图2（b）中，当运动到B点位置时，FPS3010也可以记录线性位移平台的位置误差，从图中可以看到超调值为5微米。 这个应用证明了FPS3010干涉仪测量位移3m，测量速度达2.0m/s时，可以达到亚纳米的重复精度。如果需要更多的资料，请联系我们！ 更多应用文章及应用视频见官方网站！
用激光干涉仪系统进行精确的线性测量 — 最佳操作及实践经验 1 简介 本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。与激光测量方法相关的其它项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即 0.1 ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。 微米是极小的距离测量单位。（1微米比一根头发的1/25还细。由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。可实现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。尽管测量值在小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100倍）。实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。本文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。 2 光学镜组的位置 光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。方法如下： 2.1 使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低 激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。（这样可以极大降低机床俯仰 (pitch) 或扭摆 (yaw) 误差对线性精度校准数据的影响。 2.2 将光学镜组固定牢靠 要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。磁力表座应直接夹到机床铸件上。 避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。 2.3 将光学镜组直接固定在相关的点上 材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长度上。如果测量回路还包括附加的结构，该“材料死程”的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。为尽量减少此类误差，最好将光学镜组直接固定到所需的测量点上。在机床校准中，一个光学镜通常固定在工件夹具上，而另一个光学镜组则固定在刀具夹具上。激光测量将会精确地反映刀具和工件之间发生的误差。即使机器防护系统和机器盖导致难于接近，也一定要尽量将干涉镜和角锥反射镜都固定到机器上。不要将一个光学镜安装在机器内部而另一个安装在外部如支在机器外地面的三脚架上，因为整台机器在地基上的移动可能导致校准无效。然而，是否拆下导轨防护罩时需仔细考虑，因为这可能改变机器性能。