激光干涉测量技术上讲解学习教案.pptx

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1、会计学1激光干涉激光干涉(gnsh)测量技术上讲解测量技术上讲解第一页，共64页。第二章第二章 激光干涉激光干涉(gnsh)测量技测量技术术 干涉测量(cling)技术是以光波干涉原理为基础进行测量(cling)的一门技术优点优点优点优点(yu(yudindin)非接触非接触非接触非接触测量，具有很高的测量灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度和精度精度精度精度应用范围应用范围应用范围应用范围可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动等方面的测量常用干涉仪常用干

2、涉仪常用干涉仪常用干涉仪迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪第1页/共64页第二页，共64页。光波干涉光波干涉光波干涉光波干涉(gnsh)(gnsh)条件条件条件条件关于稳定关于稳定关于稳定关于稳定(wndng)(wndng)干涉条纹的理解干涉条纹的理解干涉条纹的理解干涉条纹的理解1.频率相同(xin tn)2.初始相位差恒定3.振动方向相同(xin tn)（非正交）4.光程差小于波列长度(1/）所谓稳定，是指肉眼或记录仪器能观察到或记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。显然，如果干涉项远小于两光束光强中较小的一个，就不易观察到干涉现象；如果两束光的

3、相位差随时间变化，使光强度条纹图像产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器分辨不出条纹图样时，就观察不到干涉现象了。第2页/共64页第三页，共64页。干涉干涉干涉干涉(gnsh)(gnsh)数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式设两路激光(jgung)分别为则合成则合成(hc(hchng)hng)有有第3页/共64页第四页，共64页。光的相位与走过的光程光的相位与走过的光程(unun chnchn)有关：有关：其中(qzhng)干涉干涉干涉干涉(gnsh)(gnsh)光强光强光强光强光程差通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l l或n n，还可直接获得与l和n有关的各种被测信息第4页/

4、共64页第五页，共64页。2.1 2.1 2.1 激光激光激光激光激光激光(jgung)(jgung)(jgung)干涉测量长度和干涉测量长度和干涉测量长度和干涉测量长度和干涉测量长度和干涉测量长度和位移位移位移位移位移位移一、干涉一、干涉(gnsh)测长的测长的基本原理基本原理 合成干涉(gnsh)光光强最亮合成干涉光光强最弱当当把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当被测对象移动一段距离时，该条纹明暗变化一次，光电探测器输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确

5、定了被测长度所以激光干涉测量一般是:1.相对测量 2.增量式测量3.中间过程不可忽略，要监视整个测量的过程第5页/共64页第六页，共64页。以以MichelsonMichelson干涉仪干涉仪为例为例:移动(ydng)距离开始(kish)测量时，两束光的光程差为测量结束(jish)时，两束光的光程差为光程差光程差光程差光程差变化量测量过程中干涉条纹变化次数激光光波在空气中的波长第6页/共64页第七页，共64页。二、干涉仪组成二、干涉仪组成(z chn)1.1.激光干涉仪光路系统激光干涉仪光路系统2.2.干涉条纹计数和处理测量干涉条纹计数和处理测量(cling)(cling)结果的电结果的电子系

6、统子系统3.3.机械系统机械系统第7页/共64页第八页，共64页。（一）干涉仪光路系统(xtng)主要包括(boku)：光源、分束器和反射器1.激光(jgung)干涉仪常用光源He-NeHe-Ne激光器激光器激光器激光器激光的功率和频率稳定性高连续方式运转在可见光和红外光区域有谱线2.激光干涉仪常用的分光方法（1）分波阵面法菲涅耳双面镜干涉装置第8页/共64页第九页，共64页。干涉仪的瞳和窗干涉仪的瞳和窗干涉仪的瞳和窗干涉仪的瞳和窗成像光学仪器中，入瞳大小成像光学仪器中，入瞳大小成像光学仪器中，入瞳大小成像光学仪器中，入瞳大小(dxio)(dxio)决定了进入仪器决定了进入仪器决定了进入仪器决

7、定了进入仪器光能量的多少，而窗的概念则和视场相联系。光能量的多少，而窗的概念则和视场相联系。光能量的多少，而窗的概念则和视场相联系。光能量的多少，而窗的概念则和视场相联系。干涉仪中，将光源干涉仪中，将光源干涉仪中，将光源干涉仪中，将光源(gungyun)(gungyun)或光源或光源或光源或光源(gungyun)(gungyun)的像称为的像称为的像称为的像称为干涉仪的入瞳，观测干涉图样的屏幕称为出窗。干涉仪的入瞳，观测干涉图样的屏幕称为出窗。干涉仪的入瞳，观测干涉图样的屏幕称为出窗。干涉仪的入瞳，观测干涉图样的屏幕称为出窗。第9页/共64页第十页，共64页。干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度

8、、照度和干涉干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉区域的深度仅取决于像空间区域的深度仅取决于像空间区域的深度仅取决于像空间区域的深度仅取决于像空间(kngjin)(kngjin)的出瞳和出窗的出瞳和出窗的出瞳和出窗的出瞳和出窗之间的相对位置。之间的相对位置。之间的相对位置。之间的相对位置。L到P点的光程(un chn)光程(un chn)差第10页/共64页第十一页，共64页。第11页/共64页第十二页，共64页。比累对切透镜干涉(gnsh)装置瑞利干涉仪洛埃镜干涉(gnsh)装置迈克尔逊测星干

9、涉(gnsh)装置第12页/共64页第十三页，共64页。菲涅耳双棱镜干涉(gnsh)装置梅斯林干涉(gnsh)装置特点特点特点特点(tdin)(tdin)：存在条纹亮度和条纹对比度之：存在条纹亮度和条纹对比度之：存在条纹亮度和条纹对比度之：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一般使用点光源，条纹非定域，实间的矛盾，一般使用点光源，条纹非定域，实间的矛盾，一般使用点光源，条纹非定域，实间的矛盾，一般使用点光源，条纹非定域，实际使用较少。际使用较少。际使用较少。际使用较少。第13页/共64页第十四页，共64页。（2）分振幅(zhnf)法（3 3）分偏振）分偏振(pin(pin zhn)zhn)法（

10、法（PBSPBS）平行(pngxng)平板分光器 立方体分光器双折射偏振分光偏振分光棱镜优优点点：可使用扩展光源来获得较高的条纹亮度，同时又可获得较清晰的条纹。第14页/共64页第十五页，共64页。光栅衍射(ynsh)分光（4 4）衍射）衍射(ynsh)(ynsh)分光法分光法-1级1级0级3.激光(jgung)干涉仪常用的反射器平面反射器特点：特点：特点：特点：对偏转将产生附加的光程差第15页/共64页第十六页，共64页。直角(zhjio)棱镜反射器猫眼(mo yn)反射器角锥(jio zhu)棱镜反射器特点：特点：特点：特点：可消除偏转将产生附加的光程差，抗偏摆和俯仰特点：特点：特点：特点

11、：只对一个方向的偏转敏感特点：特点：特点：特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，光程保持不变；容易加工，不影响偏振光的传输第16页/共64页第十七页，共64页。4.4.典型典型(dinxng)(dinxng)的的光路布置光路布置布置原则布置原则布置原则布置原则(yunz):(yunz):1)1)共路原则共路原则共路原则共路原则(yunz)(yunz)消除振动、温度、气流等影消除振动、温度、气流等影消除振动、温度、气流等影消除振动、温度、气流等影响响响响2)2)考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性考虑测量精度、条纹对

12、比度、稳定性及实用性等因素等因素等因素等因素3 3）避免光返回激光器）避免光返回激光器）避免光返回激光器）避免光返回激光器（1）使用角锥(jio zhu)棱镜双角锥棱镜光路单角锥棱镜光路第17页/共64页第十八页，共64页。两半(lin bn)反半透镜一体化光路双光程(un chn)光路第18页/共64页第十九页，共64页。（2 2）整体）整体(zhngt)(zhngt)布布局局优点优点优点优点:抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力(nngl)(nngl)(nngl)(nngl)、灵敏度高一倍灵敏度高一

13、倍灵敏度高一倍灵敏度高一倍缺点：不方便、吸收严重缺点：不方便、吸收严重缺点：不方便、吸收严重缺点：不方便、吸收严重（3）光学(gungxu)倍频缺缺缺缺点点点点：调整困难，对光学元件性能要求高，界面多导致光能损失大，而且使光的偏振态发生不应有的变化。第19页/共64页第二十页，共64页。1.移相器(二)干涉条纹计数与测量(cling)结果处理系统能够判断方向；为提高分辨率，需要能够判断方向；为提高分辨率，需要(xyo)(xyo)对干涉条纹进行细对干涉条纹进行细分。分。干涉(gnsh)条纹计数的要求：这样需要相位相差90度的两个电信号输出，即一个按光程正弦变化，一个余弦变化第20页/共64页第二

14、十一页，共64页。常用(chn yn)移相器种类（1）机械(jxi)法移相通过倾斜参考镜形成(xngchng)等厚干涉条纹特点特点装置简单,但条纹间距易变,使信号不完全正交，属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。第21页/共64页第二十二页，共64页。（2）阶梯(jit)板和翼形板移相属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起(ynq)波阵面畸变的影响第22页/共64页第二十三页，共64页。（3）金属膜移相原原原原 理理理理：利利利利 用用用用 金金金金 属属属属 膜膜膜膜 表表表表 面面面面 反反反反 射射射射 和和和和 透透透透 射射射射 时时时时 都都都都 产产产产 生生生生(

15、chnshng)(chnshng)附附附附加加加加位位位位相相相相差差差差的的的的原原原原理理理理，在在在在分分分分光光光光器器器器的的的的分分分分光光光光面面面面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。两反两透均一透一反优优优优点点点点：两两两两光光光光束束束束受受受受振振振振动动动动和和和和大大大大气气气气扰扰扰扰动动动动的的的的影影影影响响响响相相相相同同同同(xin(xin tn)tn)，元元元元件件件件少少少少，结构紧凑。结构紧凑。结构紧凑。结构紧凑。缺缺缺缺点点点点：两两两两相相相相干干

16、干干光光光光束束束束的的的的光光光光强强强强不不不不同同同同，影影影影响响响响条条条条纹纹纹纹对对对对比比比比度度度度第23页/共64页第二十四页，共64页。（4）分偏振(pin zhn)法移相特点特点特点特点:结构较复杂结构较复杂结构较复杂结构较复杂(fz)(fz)(fz)(fz)，不，不，不，不受大气影响受大气影响受大气影响受大气影响,可靠。可靠。可靠。可靠。第24页/共64页第二十五页，共64页。2.2.干涉条纹的计数干涉条纹的计数(j sh)(j sh)及判向原及判向原理理当1 3 2 4 定义为正向当存在反向时1 后边出现的应该是?所以只须判断第二和第四信号的脉冲次序(cx)即可由于

17、相差为90度,一个计数对应的是0.25个波长所以L=K/8,分辨率提高4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?第25页/共64页第二十六页，共64页。三、干涉三、干涉三、干涉三、干涉(gnsh)(gnsh)条条条条纹对比度纹对比度纹对比度纹对比度定义定义:明暗明暗(mn n)(mn n)变化变化的比值的比值 1.明暗变化的强度越大,PD感测出的信号信噪比越好2.当两干涉(gnsh)光的光强相等时,对比度越好影响干涉条纹对比度的因素:光源的大小、光源的单色性、两相干光波的振幅比、偏振态、背景光、各种环境因素如振动、热变形等第26页/共64页第二十七页，共64页。四、激光四、激光四、激光四、激

18、光(jgung)(jgung)干涉测干涉测干涉测干涉测长的应用长的应用长的应用长的应用1.激光(jgung)比长仪通过光波干涉(gnsh)比长的方法来检定基准米尺第27页/共64页第二十八页，共64页。2.激光(jgung)跟踪干涉仪Radian激光激光(jgung)跟踪仪主要参数跟踪仪主要参数 线性测量范围（直径(zhjng)）40米、100米、160米三种型号可选角度测量指标水平方向：640（320）垂直方向：79到60角度分辨力：0.018角秒角度精度：3.5微米/米空间精度静态：5ppm；最佳精度5微米动态：10ppm（2Sigma）系统分辨力：0.1微米跟踪速度：6米/秒最大加速度：

19、2g第28页/共64页第二十九页，共64页。第29页/共64页第三十页，共64页。第30页/共64页第三十一页，共64页。3.Renishaw新型(xnxng)单频激光干涉仪D1、D2、D3的信号(xnho)分别为经过差分(ch fn)放大后调节运放消去直流分量，使交流幅值相等在仪器中查表可得到相位值第31页/共64页第三十二页，共64页。QWPRetro-reflectorPBSPBSQWPHWPBSD1D2D3D4He-Ne LaserQWPRetro-reflectorPBSMeasured mirror偏振(pin zhn)干涉仪光学细分和移相优点优点优点优点:去掉直流分量和实现共模抑

20、制；三个信号完全共路，去掉直流分量和实现共模抑制；三个信号完全共路，去掉直流分量和实现共模抑制；三个信号完全共路，去掉直流分量和实现共模抑制；三个信号完全共路，有效地去掉了外界振动等噪声，保证有效地去掉了外界振动等噪声，保证有效地去掉了外界振动等噪声，保证有效地去掉了外界振动等噪声，保证(bozhng)(bozhng)(bozhng)(bozhng)了干涉仪低了干涉仪低了干涉仪低了干涉仪低频稳定性频稳定性频稳定性频稳定性第32页/共64页第三十三页，共64页。4.激光(jgung)小角度干涉仪原理原理原理原理:利用激光干涉测位移和三角利用激光干涉测位移和三角利用激光干涉测位移和三角利用激光干涉

21、测位移和三角(snjio)(snjio)(snjio)(snjio)正弦原理正弦原理正弦原理正弦原理角角角角锥锥锥锥棱棱棱棱镜镜镜镜2 2 2 2与与与与反反反反射射射射镜镜镜镜5 5 5 5的的的的作作作作用用用用:使使使使测测测测量量量量光光光光束束束束按按按按原原原原路路路路返返返返回回回回，不不不不产产产产生生生生(chnshng)(chnshng)(chnshng)(chnshng)光光光光点点点点的的的的移移移移动动动动，保保保保证证证证干干干干涉涉涉涉图图图图形形形形相相相相对对对对接接接接收收收收元元元元件件件件的的的的位置保持不变。位置保持不变。位置保持不变。位置保持不变。角

22、锥棱镜在位置和位置的光程差为位移为则被测角度为第33页/共64页第三十四页，共64页。改进改进改进改进:为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵敏度，在对称直径位置上布置两个敏度，在对称直径位置上布置两个敏度，在对称直径位置上布置两个敏度，在对称直径位置上布置两个(lin)(lin)(lin)(lin)角角角角锥棱镜锥棱镜锥棱镜锥棱镜测测测测量量量量范范范范围围围围：1111以以以以内内内内(y(y(y(y ni)ni)ni)ni)，最最最最大大大大测测测测量量量量误误误误差差差差 0.05

23、 0.05 0.05 0.05 为扩大(kud)量程，采用移动式转向反射镜，测量范围可达95,测量精度0.3第34页/共64页第三十五页，共64页。36傅立叶变换傅立叶变换(binhun)(binhun)光谱光谱仪仪【补补补补】按照分光原理，光谱仪器可分为三类：棱镜光谱仪、光栅(gungshn)光谱仪、干涉光谱仪基于干涉原理的典型光谱(gungp)仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪法珀干涉仪的缺点缺点缺点缺点：自由光谱范围小，需要与单色仪联合使用，分辨率高色散型光谱仪的缺缺缺缺点点点点：自由光谱范围大，但分辨率较低，为保证光谱分辨率，色散型光谱仪必需使用狭缝，这样导致光谱仪的分光本领减小，光谱

24、仪检测的灵敏度降低。第35页/共64页第三十六页，共64页。干涉仪产生(chnshng)的干涉条纹是光谱相干涉的结果，能否利用干涉条纹的信息去获得相干光谱的信息？也就是从分析干涉条纹得到参与干涉的光谱线的位置（波长）及其强度呢？光谱仪器把被研究的辐射分解为光谱，记录单条(dntio)谱线的位置，并测量其强度。对于对于对于对于(duy)(duy)(duy)(duy)单色单色单色单色光谱：光谱：光谱：光谱：第36页/共64页第三十七页，共64页。对于对于对于对于(duy)(duy)(duy)(duy)复复复复色光谱：色光谱：色光谱：色光谱：复色干涉图是单色干涉图的加合。由于零程差时各单色光的干涉强

25、度都为极大值，其它光程差时各单色光相长或相消，加合的结果形成一个中心突起并向两边迅速衰减的对称(duchn)图形。第37页/共64页第三十八页，共64页。傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波段范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一段范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一段范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一段范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同，般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同，般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同，

26、般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同，在不到在不到在不到在不到1 1秒时间内完成全部光谱扫描秒时间内完成全部光谱扫描秒时间内完成全部光谱扫描秒时间内完成全部光谱扫描(somio)(somio)。信噪比高，波长准确度高，分辨率高，杂散辐信噪比高，波长准确度高，分辨率高，杂散辐信噪比高，波长准确度高，分辨率高，杂散辐信噪比高，波长准确度高，分辨率高，杂散辐射低，以及光谱范围宽（从紫外、可见、近红射低，以及光谱范围宽（从紫外、可见、近红射低，以及光谱范围宽（从紫外、可见、近红射低，以及光谱范围宽（从紫外、可见、近红外直到中远红外区）外直到中远红外区）外直到中远红外区）外直到中远红外区）第38页/

27、共64页第三十九页，共64页。单频激光单频激光单频激光单频激光(jgung)(jgung)(jgung)(jgung)干涉干涉干涉干涉仪的特点：仪的特点：仪的特点：仪的特点：2.2 2.2 2.2 激光外差干涉激光外差干涉激光外差干涉激光外差干涉激光外差干涉激光外差干涉(gnsh)(gnsh)(gnsh)测测测测测测量技术量技术量技术量技术量技术量技术1.测量(cling)精度高，但前置放大器为直流放大器；2.对环境要求高，不允许干涉仪两臂光强有较大的变化；原原原原因因因因：输出信号的频率随测量镜的运动速度而改变，当测量镜静止时，输出直流信号；原原原原因因因因：干涉仪光强的变化总要以计数器的平

28、均触发电平为中心对等分布，如果光强由于外界环境干扰引起变动，则干涉信号强度就可能落于触发电平之下，从而使仪器停止工作。第39页/共64页第四十页，共64页。解解解解决决决决方方方方案案案案：在在在在某某某某一一一一光光光光臂臂臂臂中中中中引引引引入入入入一一一一定定定定频频频频率率率率的的的的载载载载波波波波，被被被被测测测测信信信信息息息息通通通通过过过过载载载载波波波波传传传传递递递递：测测测测量量量量镜镜镜镜静静静静止止止止时时时时，光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器的的的的输输输输出出出出信信信信号号号号(xnho)(xnho)为为为为载载载载波波波波频频频频率率率率的的的的交交

29、交交流流流流信信信信号号号号(xnho)(xnho)；测测测测量量量量镜镜镜镜运运运运动动动动时时时时，输输输输出出出出信信信信号号号号(xnho)(xnho)的的的的频频频频率率率率只只只只在在在在某某某某一一一一范范范范围围围围内内内内增增增增加加加加或或或或减减减减少少少少。使使使使前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器可可可可采采采采用用用用交交交交流流流流放放放放大大大大器器器器，可可可可以以以以隔隔隔隔绝绝绝绝由由由由于于于于外外外外界界界界条条条条件件件件引引引引起起起起的的的的直直直直流流流流电电电电平平平平漂漂漂漂移移移移，可可可可在在在在现现现现场场场场稳定工作。稳定工作

30、。稳定工作。稳定工作。这种利用(lyng)外差技术的干涉仪，称为外差干涉仪或者交流（AC）干涉仪优点优点优点优点(yudin)(yudin)：1 1、滤掉了背景噪声；、滤掉了背景噪声；、滤掉了背景噪声；、滤掉了背景噪声；2 2、滤掉了直流放大器的噪滤掉了直流放大器的噪滤掉了直流放大器的噪滤掉了直流放大器的噪声。声。声。声。第40页/共64页第四十一页，共64页。光光光光学学学学拍拍拍拍频频频频原原原原理理理理(yunl)(yunl)：两两两两个个个个振振振振幅幅幅幅相相相相同同同同、振振振振动动动动方方方方向向向向相相相相同同同同，且且且且在在在在同同同同一一一一方方方方向向向向传传传传播播播

31、播，频频频频率率率率接接接接近近近近的的的的两两两两单单单单色色色色光光光光叠叠叠叠加加加加也也也也能能能能产产产产生生生生干涉，这种特殊的干涉称为光学干涉，这种特殊的干涉称为光学干涉，这种特殊的干涉称为光学干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍拍拍拍”。uu塞曼效应和声光调制是实现光学塞曼效应和声光调制是实现光学塞曼效应和声光调制是实现光学塞曼效应和声光调制是实现光学“拍拍拍拍”的常用的常用的常用的常用(chn(chn yn)yn)方法方法方法方法塞塞塞塞曼曼曼曼双双双双频频频频激激激激光光光光：两两两两个个个个旋旋旋旋转转转转方方方方向向向向相相相相反反反反的的的的左左左左旋旋旋旋和和和和右右右

32、右旋旋旋旋圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光光光光，振振振振幅幅幅幅相相相相同同同同，频频频频率率率率相相相相差差差差(xin(xin ch)ch)很很很很小小小小，一一一一般般般般为为为为12MHz12MHz。设左旋圆偏光频率为f1，右旋圆偏光频率f2，初始相位为零，振动方程分别为第41页/共64页第四十二页，共64页。光束通过(tnggu)偏振方向与y轴平行的偏振片，则x方向分量被截止，y方向分量通过(tnggu)。按光波叠加原理，通过(tnggu)偏振片后的光场为合成波的振幅为，则光强为合成波的强度随时间t在04a2之间作缓慢的周期变化，这种强度时大时小的现象(xinxing)称为“拍”，拍频为

33、f1-f2。拍波信号空间(kngjin)传播示意图第42页/共64页第四十三页，共64页。一、一、一、一、ZeemanZeeman双频激光双频激光双频激光双频激光(jgung)(jgung)干涉仪干涉仪干涉仪干涉仪经B1反射透过检偏器P1被光电探测器D1接收的拍频信号，经滤波(lb)放大后送入混频器作为测量过程中的参考信号。若测量镜M2以速度v运动，由DopplerDoppler效效效效应应应应，返回光束的频率将变成第43页/共64页第四十四页，共64页。测量光束与参考光束会合后经过检片器P2后产生拍频。D1和D2探测到的两路拍频信号进行同步(tngb)相减便得到多普勒频移信号。测量镜移动(y

34、dng)距离L为其中为记录下来的累计脉冲数电路静态频率,动态频率,为不失真(sh zhn)，应满足第44页/共64页第四十五页，共64页。塞曼双频激光器频差1.5-1.8MHz，允许(ynx)测量速度约为150mm/s。处理电路的工作频带(pndi)可以设定在12MHz之间，滤掉了小于1MHz的全部噪声。双双双双频频频频激激激激光光光光干干干干涉涉涉涉仪仪仪仪的的的的特特特特点点点点：“双双双双频频频频”起起起起到到到到了了了了调调调调制制制制作作作作用用用用，它它它它在在在在测测测测量量量量镜镜镜镜静静静静止止止止时时时时，仍仍仍仍然然然然保保保保持持持持一一一一个个个个1.5MHz1.5M

35、Hz的的的的交交交交流流流流信信信信号号号号，被被被被测测测测物物物物体体体体(wt)(wt)的的的的运运运运动动动动只只只只是是是是这这这这个个个个信信信信号号号号频频频频率率率率的的的的增增增增加加加加或或或或减减减减小小小小，因因因因而而而而前前前前置置置置放放放放大大大大可可可可采采采采用用用用较较较较高高高高放放放放大大大大倍倍倍倍数数数数的的的的交交交交流流流流放放放放大大大大器器器器，采采采采用用用用带带带带通通通通滤滤滤滤波波波波，滤滤滤滤掉掉掉掉低低低低频频频频噪噪噪噪声声声声，避避避避免免免免了了了了直直直直流流流流放放放放大大大大所所所所遇遇遇遇到到到到的直流漂移、低频干

36、扰等问题。的直流漂移、低频干扰等问题。的直流漂移、低频干扰等问题。的直流漂移、低频干扰等问题。第45页/共64页第四十六页，共64页。测量测量测量测量测量测量(cling(cling(cling)角度角度角度角度角度角度双频激光(jgung)干涉仪测角分辨力 0.1，测量范围可达1000角锥棱镜组件2的移动使两光束产生频如果角锥棱镜完全平移运动，则如果运动导轨不直，角锥棱镜组发生转动，则转动(zhun dng)角度为第46页/共64页第四十七页，共64页。改进改进改进改进(gijn)(gijn)：用平面镜取代角锥棱：用平面镜取代角锥棱：用平面镜取代角锥棱：用平面镜取代角锥棱镜组，提高干涉仪的测

37、量分辨力，并镜组，提高干涉仪的测量分辨力，并镜组，提高干涉仪的测量分辨力，并镜组，提高干涉仪的测量分辨力，并扩大测量范围扩大测量范围扩大测量范围扩大测量范围第47页/共64页第四十八页，共64页。测量测量测量测量测量测量(cling)(cling)(cling)空气折射率空气折射率空气折射率空气折射率空气折射率空气折射率探测器接收到的两路测量(cling)信号打开真空泵，测量过程开始，这 一 瞬 间 真 空 室 内 的 空 气(kngq)折射率就是要测量的量值在某一中间时刻，由于抽气造成的Doppler频率变化为其中第48页/共64页第四十九页，共64页。则有如果整个抽空时间为t，对上式两端(

38、lin dun)积分，可得即式中，N为抽气过程(guchng)中记录下来的累计脉冲数 当真空室抽成真空后，如果真空室外的空气折射率发生变化，干涉仪可以立即(lj)反映出这种变化，做到“实时”测量。第49页/共64页第五十页，共64页。二、声光二、声光二、声光二、声光(shn(shn unun)调制调制调制调制双频外差干涉仪双频外差干涉仪双频外差干涉仪双频外差干涉仪1.声光(shn un)调制器换能器将超声波转换为声光介质中折射率的周期性改变，这样介质可看成(kn chn)是连续移动的三维全息光栅。衍射为布拉格衍射超声频率不能低于数十兆赫，这么高的频移对于一般应用太高，不利于计数，尤其是小数测量

39、。第50页/共64页第五十一页，共64页。2.2.声光声光声光声光(shn un)(shn un)调制双调制双调制双调制双频外差测振仪频外差测振仪频外差测振仪频外差测振仪现场振动的特点：大都是非周期性的随机振动，并且(bngqi)现场环境的干扰严重，被测振动体往往是漫反射体。方方方方解解解解石石石石棱棱棱棱镜镜镜镜和和和和1/41/4波波波波片片片片的的的的作作作作用用用用：使使使使振振振振动动动动体体体体表表表表面面面面返返返返回回回回的的的的测测测测量量量量光光光光经经经经方方方方解解解解石石石石发发发发生生生生偏偏偏偏折折折折，经经经经半半半半反反反反射射射射镜镜镜镜7 7及及及及中中中

40、中继继继继望望望望远远远远镜镜镜镜9 9做做做做为为为为反反反反射射射射和和和和接接接接收收收收光光光光学学学学天天天天线线线线，即即即即能能能能最最最最大大大大限限限限度度度度地地地地接接接接收收收收在在在在不不不不同同同同测测测测量量量量环环环环境境境境下下下下来来来来自自自自漫漫漫漫反反反反射射射射振振振振动动动动的的的的返返返返回回回回光光光光，又又又又可可可可以以以以(ky)(ky)最最最最可可可可能能能能的的的的减减减减小小小小测测测测量量量量光光光光束束束束的的的的波波波波面面面面变变变变形形形形，以以以以保保保保证证证证获获获获得得得得最最最最大大大大的的的的拍拍拍拍频频频频信

41、信信信号。号。号。号。1/21/2波波波波片片片片的的的的作作作作用用用用：调节参考光强，使与测量光束的光强大致相同，改善拍频信号的对比度。第51页/共64页第五十二页，共64页。第52页/共64页第五十三页，共64页。2.3 2.3 2.3 激光移相干涉测量激光移相干涉测量激光移相干涉测量激光移相干涉测量激光移相干涉测量激光移相干涉测量(cling)(cling)(cling)技术技术技术技术技术技术光电接收(jishu)器接收(jishu)到的光强可表示为双光束干涉仪相位双光束干涉仪相位双光束干涉仪相位双光束干涉仪相位(xingwi)(xingwi)细分方法细分方法细分方法细分方法分分分分

42、步调相法步调相法步调相法步调相法如果改变加在晶体上的电压，使相位差步进变化/2三次，每次移相后的光强可表示为可得这种细分方法常用标准平面镜取代参考镜R，以被测平面取代测量反射镜M，实现对平面形状的测量，可应用CCD阵列器件对光场扫描接收，做出表面的三维形状图形。第53页/共64页第五十四页，共64页。在双光束干涉中，用目视或照相记录方式来测量波面的误差，一般只能(zh nn)达到1/20到1/30波长的测试不确定度。被测面的波前为利用激光移相干涉测试(csh)技术可以快速而高准确度地检测波面面形误差，可达到1/100波长的测试(csh)不确定度。压电晶体(jngt)带动参考镜以一定的振幅和频率

43、作正弦振动，设振动的瞬时振幅为li，则参考镜波前为一、激光移相干涉测试技术原理一、激光移相干涉测试技术原理第54页/共64页第五十五页，共64页。当参考波前与被测面干涉(gnsh)以后，干涉(gnsh)条纹的光强分布为写成傅里叶级数(j sh)的形式其中(qzhng)被测表面的面形由傅里叶系数的比值求得至少需要移相三次，采集三幅干涉图才可求得波形第55页/共64页第五十六页，共64页。对每一点(y din)的傅里叶级数的系数，有为便于实际的抽样(chu yn)检测，用和式代替积分，有第56页/共64页第五十七页，共64页。可求得波面面形四步移相，即n=4，使则四式中含有加法和除法，干涉场中的固

44、有(gyu)噪声和面阵探测器的不一致性影响可以自动消除u优点(yudin)第57页/共64页第五十八页，共64页。为提高测量可靠性，消除大气湍流(tunli)、振动及漂移的影响，可以测量傅里叶级数的系数在p个周期内的累加数据，应用最小二乘法，系数表达式为则第58页/共64页第五十九页，共64页。为提高测量可靠性，被测表面(biomin)上任意点的波面W(x,y)的相对位相是由在该点的条纹轮廓函数的np个测定值计算得到的1、采用最小二乘法拟合来确定被测波面，可以消除(xioch)随机的大气湍流、振动及漂移的影响。部分求和的形式要求(yoqi)数据无限的累积，通过最小二乘法，使位相误差或波面误差减

45、小至原来的二、激光移相干涉测试技术的特点二、激光移相干涉测试技术的特点2、可以消除干涉仪调整过程中及安置被测件的过程中产生的位移、倾斜及离焦误差。干涉仪及被测金属件在装调以后，被测波面可以表示为第59页/共64页第六十页，共64页。3、可以极大地降低(jingd)对干涉仪本身的准确度要求方方方方法法法法(fngf)(fngf)：在在在在孔孔孔孔径径径径范范范范围围围围内内内内对对对对所所所所有有有有点点点点用用用用做做做做小小小小二二二二乘乘乘乘法法法法求求求求取取取取对对对对应应应应于于于于A A、B B、C C、D D各各各各项项项项的的的的最最最最小小小小W(x,W(x,y)y)。式中，

46、W(x,y)为被测波面上任意点的位相；W0(x,y)为消除了位移(A)、倾斜(qngxi)(B和C)以及离焦(D)后的波面。为求出W0(x,y)，就必须确定并减去含有A、B、C、D的各项。可以先把干涉仪系统本身的波面误差存储起来，而后在检测被测波面时在后续的波面数据中自动减去。放宽了对干涉仪元件的加工精度要求。例例例例：当要求总的测量不确定度达到1/100波长时，干涉系统本身的波面误差小于一个波长就可以满足要求。第60页/共64页第六十一页，共64页。三、激光移相干涉仪测试三、激光移相干涉仪测试(csh)技术技术的应用的应用1.1.光光学学零零件件(ln(ln jin)jin)表表面面面形测量

47、面形测量干涉仪为改型的泰曼-格林双光束干涉仪，采用压电晶体驱动参考镜，探测系统采用3232的光电二极管阵列，计算机自动计算并显示等高线，以实现对被检表面（平面或球面）及光学(gungxu)镜头1024点的位相测量。测量平面的最大直径为125mm，测量不确定度达1/100波长。缺缺缺缺点点点点：干涉系统采用分光路的结构布局，对机械振动等外界环境干扰敏感，需要采取隔振、恒温等技术措施，而且还需要高质量的参考镜。第61页/共64页第六十二页，共64页。2.2.表表面面(biomin)(biomin)轮轮 廓廓测量测量设渥拉斯顿棱镜(lngjng)的剪切方向为x，则干涉场上的光强分布为被测表面(bio

48、min)轮廓满足下面方程可通过旋转检偏器对微分干涉图像进行调制，采用移相干涉技术直接测量被测位相的分布。与压电移相干涉方法相比，这种旋转检偏器移相的方法不存在非线性、滞后和漂移等问题，具有很高的测量准确度。第62页/共64页第六十三页，共64页。由于采用CCD和计算机组成的数字图像采集系统，表面轮廓的坐标量被量化了，可以用数值积分的方法计算表面轮廓。将积分区间分成(fn chn)n等份，则积分步长为=l/n，积分点,设起始(q sh)点轮廓高度为0，则 3.MEMS3.MEMS器器件件(qjin)(qjin)微微运运动动测量测量频闪显微移相干涉系统采用频闪成像以及基于最小二乘法的图像相关技术实现面内微运动的测量。运动幅度分辨率在20X物镜下为3.6nm，采用频闪成像以及相移干涉技术实现离面微运动的测量，运动幅度的测量范围为20um,分辨率为0.7nm，可测量的周期运动频率达500kHz。第63页/共64页第六十四页，共64页。