光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)

1、光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù) 干涉原理及雙頻激光干涉1、干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)和干涉儀在光學(xué)測(cè)量中占有重要地位。干涉測(cè)量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一門技術(shù)。相干光波在干涉場(chǎng)中產(chǎn)生亮、暗交替的干涉條紋，通過分析處理干涉條紋獲取被測(cè)量的有關(guān)信息。當(dāng)兩束光亮度滿足頻率相同，振動(dòng)方向相同以及相位差恒定的條件，兩束光就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，在干涉場(chǎng)中任一點(diǎn)的合成光強(qiáng)為：式中是兩束光到達(dá)某點(diǎn)的光程差。明暗干涉條紋出現(xiàn)的條件如下。相長(zhǎng)干涉（明）：， （） 相消干涉（暗）：， （）當(dāng)把被測(cè)量引入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差則發(fā)生變化。通過測(cè)量干涉條紋的變化量，即可以獲得與介質(zhì)折射率和幾何路程有關(guān)的各種物理量和

2、幾何量。按光波分光的方法，干涉儀有分振幅式和分波陣面式兩類。按相干光束傳播路徑，干涉儀可分為共程干涉和非共程干涉兩種。按用途又可將干涉儀分為兩類，一類是通過測(cè)量被測(cè)面與參考標(biāo)準(zhǔn)波面產(chǎn)生的干涉條紋分布及其變形量，進(jìn)而求得試樣表面微觀幾何形狀、場(chǎng)密度分布和光學(xué)系統(tǒng)波像差等，即所謂靜態(tài)干涉；另一類是通過測(cè)量干涉場(chǎng)上指定點(diǎn)干涉條紋的移動(dòng)或光程差的變化量，進(jìn)而求得試樣的尺寸大小、位移量等，即所謂動(dòng)態(tài)干涉。下圖是通過分波面法和分振幅法獲得相干光的途徑示意圖。光學(xué)測(cè)量常用的是分振幅式等厚測(cè)量技術(shù)。圖一 普通光源獲得相干光的途徑與一般光學(xué)成像測(cè)量技術(shù)相比，干涉測(cè)量具有大量程、高靈敏度、高精度等特點(diǎn)。干涉測(cè)量應(yīng)

3、用范圍十分廣泛，可用于位移、長(zhǎng)度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化及振動(dòng)等方面的測(cè)量。在測(cè)量技術(shù)中，常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀（圖二）、馬赫-澤德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼-格林干涉儀等；隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)及其在干涉測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用，使干涉測(cè)量技術(shù)在量程、分辨率、抗干涉能力、測(cè)量精度等方面有了顯著的進(jìn)步。70年代以后，抗環(huán)境干擾的外差干涉儀(交流干涉儀)發(fā)展迅速，如雙頻激光干涉儀等；近年來，光纖干涉儀的出現(xiàn)使干涉儀結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊，干涉儀性能也更加穩(wěn)定。從光學(xué)零件的質(zhì)量控制到光學(xué)系統(tǒng)的象質(zhì)評(píng)價(jià)，從經(jīng)典的光學(xué)技術(shù)到自適應(yīng)光學(xué)工程，現(xiàn)代干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。另一方面，現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)、傳

4、感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)使干涉圖像判讀技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)判讀，大大提高了干涉測(cè)量的精度和靈敏度。圖二 邁克爾遜干涉儀原理圖下面我們主要介紹干涉測(cè)量原理的實(shí)際應(yīng)用雙頻激光干涉儀，并簡(jiǎn)單介紹其工作原理以及其測(cè)量中具有的優(yōu)勢(shì)。2、干涉測(cè)量原理的實(shí)際應(yīng)用雙頻激光干涉儀2.1 干涉儀：實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量的儀器叫干涉儀。激光干涉儀是一種所謂“增量法”測(cè)長(zhǎng)的儀器，它是把目標(biāo)反射鏡與被測(cè)對(duì)象固聯(lián)，參考反射鏡固定不動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩路光束的光程差即發(fā)生變化，干涉條紋也將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測(cè)器接收，當(dāng)被測(cè)對(duì)象移動(dòng)一定距離時(shí)，條紋亮暗交替變化一次光電探測(cè)器輸出信號(hào)將變化一個(gè)周期，記錄下信號(hào)變

5、化的周期數(shù)，便確定了被測(cè)長(zhǎng)度。2.2 單頻激光干涉儀：從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋（其原理圖類似邁克爾遜干涉儀原理圖）。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由相應(yīng)的公式算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。2.3 雙頻激光干涉儀：雙頻激光干涉儀是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種外差式干涉儀。和單頻激光干涉儀一樣，雙頻激光干

6、涉儀也是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。它可用于精密機(jī)床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線在位測(cè)量、誤差修正和控制。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測(cè)量原理,克服了普通單頻干涉儀測(cè)量信號(hào)直流漂移的問題,具有信號(hào)噪聲小、抗環(huán)境干擾、允許光源多通道復(fù)用等諸多優(yōu)點(diǎn),使得干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)能真正用于實(shí)際生產(chǎn)。目前干涉儀產(chǎn)品大多為雙頻激光干涉儀。2.4 雙頻激光干涉儀原理：圖三為雙頻激光干涉儀的工作原理圖。單模氦氖激光器置于縱向磁場(chǎng)中，由于塞曼效應(yīng)使輸出激光分裂為具有一定頻差（約1-2MHz），旋轉(zhuǎn)方向相反的左右圓偏振光。雙頻激光干涉儀就是以這兩個(gè)具有不同頻率的圓偏振光作為光源的。左右圓偏振光通過1/4破

7、片后成為互相垂直的線偏振光、（其中垂直于紙面，平行于紙面）。圖三 雙頻激光干涉儀的工作原理分光鏡使 、 的部分光反射，另一部分光透射。反射光經(jīng)偏振片1后由左側(cè)的光電探測(cè)器接收并經(jīng)前置放大整形電路處理，作為后續(xù)電路處理的基準(zhǔn)信號(hào)。透射光經(jīng)過偏振分光鏡后使 、分離，偏振方向平行于紙面的光透過偏正分光鏡到固定在被測(cè)量物體上的可動(dòng)反射鏡，當(dāng)可動(dòng)反射鏡隨被測(cè)量物體移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生光的多普勒效應(yīng)，返回的頻率變?yōu)?，為多普勒頻移量，它包含了可動(dòng)反射鏡的位移信息。返回的、光在偏振分光鏡處再度匯合，經(jīng)反射鏡后由右側(cè)的光電探測(cè)器接收并經(jīng)前置放大整形電路處理，作為系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)。下面是對(duì)兩處光電探測(cè)器處光強(qiáng)情況的討論：設(shè)

8、左側(cè)光電探測(cè)器處兩束光 、的波動(dòng)方程分別為： （1） （2）合成振幅為： （3）光強(qiáng)函數(shù)為： （4）由于光電探測(cè)器的頻響限制，實(shí)際接收光強(qiáng)為： （5）同理，可以計(jì)算右側(cè)光電探測(cè)器處接收光強(qiáng)為： （6）由式（5）和式（6）可見，左側(cè)光電探測(cè)器接收信號(hào)為一直流分量與一交流信號(hào)的疊加，這一信號(hào)經(jīng)由交流放大器和過零觸發(fā)器組成的前置放大整形電路處理后，輸出一組頻率為的連續(xù)脈沖；同樣右側(cè)光電探測(cè)器接收信號(hào)經(jīng)放大整形后，輸出一組頻率為的連續(xù)脈沖。經(jīng)過減法器實(shí)現(xiàn)兩組脈沖相減得到的值（包含了被測(cè)量的位移信息），即 （7）又由多普勒效應(yīng) （8）式中V為測(cè)量反射鏡的移動(dòng)速度，C為光速，f為光頻。設(shè)測(cè)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有

9、 （9）頻率的時(shí)間積分為周期數(shù)N，所以上式可以化為 （10）此式即為雙頻激光干涉儀的原理公式。由式（6）可見，雙頻激光干涉儀的測(cè)量信息是疊加在一個(gè)固定頻差上的，屬于交流信號(hào)，具有很大的增益和高信噪比，完全克服了單頻激光干涉儀因光強(qiáng)變動(dòng)造成直流電平漂移，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作的弊端。測(cè)量時(shí)即使光強(qiáng)衰弱90%，雙頻激光干涉儀仍能夠正常工作。由于其具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因而特別適合現(xiàn)場(chǎng)條件下適用。 2.5單、雙頻激光干涉儀比較及分析：?jiǎn)晤l的激光器它的一個(gè)根本弱點(diǎn)就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測(cè)試環(huán)境惡劣，測(cè)量距離較長(zhǎng)時(shí)，這一缺點(diǎn)十分突出。其原因在于它是一種直流測(cè)量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉

10、儀可動(dòng)反光鏡移動(dòng)時(shí)，光電接收器會(huì)輸出信號(hào)，如果信號(hào)超過了計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來，而如果激光束強(qiáng)度發(fā)生變化，就有可能使光電信號(hào)低于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，使激光器強(qiáng)度或干涉信號(hào)強(qiáng)度變化的主要原因是空氣湍流，機(jī)床油霧，切削屑對(duì)光束的影響，結(jié)果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。這種無(wú)規(guī)則的變化較難通過觸發(fā)電平的自動(dòng)調(diào)整來補(bǔ)償，因而限制了單頻干涉儀的應(yīng)用范圍，只有設(shè)法用交流測(cè)量系統(tǒng)代替直流測(cè)量系統(tǒng)才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點(diǎn)。而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點(diǎn)，它是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種外差式干涉儀。和單頻激光干涉儀一樣，雙頻激光干涉儀也是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)

11、度進(jìn)行度量的儀器，所不同者，一方面是當(dāng)可動(dòng)棱鏡不動(dòng)時(shí)，前者的干涉信號(hào)是介于最亮和最暗之間的某個(gè)直流光平，而后者的干涉信號(hào)是一個(gè)頻率約為1.5MHz的交流信號(hào)；另一方面，當(dāng)可動(dòng)棱鏡移動(dòng)時(shí)，前者的干涉信號(hào)是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號(hào)，而后者的干涉信號(hào)是使原有的交流信號(hào)頻率增加或減少了f，結(jié)果依然是一個(gè)交流信號(hào)。因而對(duì)于雙頻激光干涉儀來說，可用放大倍數(shù)較大的交流放大器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行放大，這樣，即使光強(qiáng)衰減90%，依然可以得到合適的電信號(hào)。由于這一特點(diǎn)，雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對(duì)幾十米的大量

12、程進(jìn)行精密測(cè)量，也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量，既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。圖四是雙頻激光干涉儀的實(shí)物圖，圖五是雙頻激光干涉儀在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用。圖四 雙頻激光干涉儀實(shí)物圖圖五 對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量2.6雙頻激光干涉儀的優(yōu)越性：l 精度高：雙頻激光干涉儀以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到um量級(jí)，細(xì)分后更可達(dá)到nm量級(jí)。l 應(yīng)用范圍廣：雙頻激光干涉儀除了可用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量外，配上適當(dāng)?shù)母郊€可測(cè)量角度、直線度、平面度、振動(dòng)距離及速度等等。

13、l 環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)：即使光強(qiáng)衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號(hào)。由于這一特點(diǎn)，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。l 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高：現(xiàn)代的雙頻激光干涉儀測(cè)速普遍達(dá)到1 m/s，有的甚至于十幾m/s，適于高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。2.7雙頻激光干涉儀發(fā)展趨勢(shì)：同大多數(shù)測(cè)量?jī)x器一樣，雙頻激光干涉儀也有向高分辨率，高精度，高測(cè)速的發(fā)展趨勢(shì)。3、總結(jié)雙頻激光干涉儀是激光在計(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一,是工業(yè)中最具權(quán)威的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器。雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計(jì)量室的束縛，更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)

14、生產(chǎn)和科學(xué)研究中。用激光干涉儀作為機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)可以提高機(jī)床的精度和效率。起初僅用于高精度的磨床、鏜床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，以后又用于加工中心的定位系統(tǒng)中。但由于在一般機(jī)床上使用感應(yīng)同步器和光柵一般能達(dá)到精度要求，而激光儀器的抗振性和抗環(huán)境的干擾性能差，且價(jià)格較貴，目前在機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)使用較少。隨著雙頻激光干涉儀向著高分辨率、高精度、高測(cè)速方向的發(fā)展，其研究領(lǐng)域也在進(jìn)一步拓寬。希望我們能在雙頻激光干涉儀這方面的研究有所進(jìn)展和突破，研制出具有先進(jìn)水平的測(cè)量?jī)x器。參考文獻(xiàn)1. 梁銓廷，物理光學(xué)，電子工業(yè)出版社，2012.2. 所睿，范志軍，李巖，張書練，雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展，激光與紅外，2004.

15、3. 羨一民，雙頻激光干涉儀的原理與應(yīng)用，1996.4. 高冬蘭，雙頻激光干涉儀的設(shè)計(jì)，2013.5. 高賽，殷純永，高測(cè)速雙頻激光干涉儀，光學(xué)技術(shù)，2001.6. 王虹宇，激光原理與應(yīng)用，2009.7. 杜振輝,蔣誠(chéng)志,桂垣,王斌，激光干涉儀測(cè)量長(zhǎng)度J，河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào). 2003(02).8. Jin Yuye ,Zhang Shulian ,Li Yan ,et al. Zeeman-Birefringence He-Ne Dual Frequency Lasers J . Chinese Physics Letters ,2001 ,18 (4) :533 - 536.9. Li

16、Yan ,Fan Zhijun ,Zhang shulian. Dual2frequency He-Ne lasers of 3MHz240MHz frequency2difference A .10. InYukihiro Ishii ed. proceedings of SPIE , Shanghai , 2002 ,4916 :424 - 430.11. YANG Jun,WU Bing,LIU Zhi-hai,YUAN Li-bo.Nonlinear Errors of Passive Homodyne Polarized Laser Interferometer. Chinese J

17、ournal of Lasers . 2006。12. Liao Yan-Biao.Polarization Optics. . 200313. Wen Hou,Wilkening G.Investigation and compensation of the Nonlinearity of heterodyne interferometer. Precision Engineering . 199214. CHEN Hong-fang,DING Xue-mei,ZHONG Zhi,TAN Jiu-bin(Institute of Ultra-Precision Optoelectronic

18、Instrument Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150001,China).Effect of Nonlinearity by the Rotation of the Polarizer in Laser Heterodyne Interferometric. Chinese Journal of Lasers . 2005.15. ZHONG Zhi,TAN Jiu-bin,CHEN Hong-fang,SHAN Ming-guang(Institute of Ultra-precise Op

19、toelectronic Instrument Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China).Nonlinearity from difference between transmission coefficients of PBS in laser heterodyne interferometer. Opto Electronics . 2005.16. Interferograms processing for zone-plate interferometerA. Proceedings of 2010

20、International Conference on Display and PhotonicsC. 201017. Enhancing the sensitivity of interferometer by the way of Slow LightA. Proceedings of Conference 7853 Advanced Sensor Systems and ApplicationsC. 2010.18. The Influence of Tested Mirror Adjustment in Point Diffraction InterferometerA. Proceedings of International Conference on Micro/Nano Optical Engineeri