光学精密检测技术第八讲_ppt课件

光学精密检测技术与 检测仪器 中国科学院大学 2015年10月13日 张文喜 光学精密检测技术与检测仪器系列八 激光 PBS棱镜 M1 M2 成像镜 滤波孔 像面 1/2波片 1/4波片 1/4波片 1/4波片 检偏器 移相干涉仪 n偏振调制4D动态干涉仪 波片琼斯矩阵 移相干涉仪 n偏振调制4D动态干涉仪 波片琼斯矩阵 移相干涉仪 n偏振调制4D动态干涉仪 波片琼斯矩阵 移相干涉仪 n偏振调制4D动态干涉仪 偏振片琼斯矩阵 移相干涉仪 n偏振调制4D动态干涉仪 AB CD AB CD AB CD AB CD AB CD AB CD AB CD AB CD AB CD AA AA A A AAA BBB BB BB B B CCC CC CC C C DDD DD DD D D AB CD n偏振调制4D动态干涉仪 移相干涉仪 n动态干涉测量空间移相干涉仪 优点： 瞬时测量能够有效抑制震动对测量结果 的影响； 能够对大口径、长焦距的系统进行测 量。 缺点： 没有抑制大气湍流对测量结果的影响； 空间相移用四个相邻点的偏振移相表示 一个点的加工精度，数据可信度低，特 别对大孔径光学镜面。 AB CD 移相干涉仪 nESDI斐索干涉仪 移相干涉仪 气流对干涉图的影响 风扇及送风机可以用来减小操作环 境中的局部温差。然而，设置不当 的风扇会造成气流干扰以及震动干 扰。气流干扰会使局部区域内空气 密度不均匀，对测量光束引起局部 偏折，改变了测量波面，影响了测 量结果。必须避免气流造成的干涉 条纹不规则扰动。如果温度的空间 梯度大，也会产生明显的气流影 响。 有条件最好在恒温室内再布置 一个小房间，以减少外界温度的变 化影响。 影响测量结果的外界因素 n气流 影响测量结果的外界因素 n气流 振动可能由很多原因产生：支撑不够刚性的地 板、声波、其它设备(风扇、空调或远处的车床、马路 上的汽车等)、人的活动等等。振动是最难控制的环境 问题。 理论上，最好是将仪器放在一块混凝土浇注的地 基上使用，这样会大大衰减大幅的振动。小幅的振动 ，例如由人员活动造成的震动，可以通过防震系统隔 离。 环境震动对干涉仪的影响，在于它在两相干波面 之间引入了随机的位相变化，主要表现为干涉条纹出 现抖动现象，从而造成条纹模糊。 影响测量结果的外界因素 n振动 从下图可以看出，将干涉图调到三根条纹(下图左)，当没有 环境震动时，测得的波面是连续光滑的(下图中)；当引入环境震 动时，测得的波面中出现与干涉条纹方向一致的波动，且波动的 频率正好是干涉条纹频率的2倍(下图右)。如果将干涉图尽量调整 到零条纹时，则波面将不出现波动。所以，为了抑制环境震动的 影响，在移相干涉测量时，应尽量将干涉图调整到零条纹再进行 测量。 影响测量结果的外界因素 n振动 减振一般可以使用气垫光学 平台，另外还有多种方法:地 基隔离减震、橡胶剪切减震 脚、软垫与大理石联合减震、 干涉腔刚性固化减震等都可以 使用，如右图。根据不同的环 境条件可以使用其中一种或两 种以上组合。 影响测量结果的外界因素 n振动 n 距离干涉测量 光源 参考面 探测器 L1 L2 双频干涉测量基础 L1 距离 n 距离干涉测量 双频干涉测量基础 n 双频激光光源 双频干涉测量基础 1. 塞曼效应双频激光器 2. 双纵模激光器 3. 基于双折射晶体的双频激光器 4. 声光移频双频激光器 移频器的基频：20M-200M 稳定差频最小：10KHz CCD帧频：10KHz 频差高帧频低 n 高性能低差频移频技术 全视场外差干涉仪 光电院研制出高性能低差频声光移频器，各项技术指标远优 于现有技术水平，能够满足各类全视场外差探测需求。 技术指标国外厂家国内厂家自研 稳定拍频频率 100Hz1kHz3Hz 频率稳定度 10ppm30ppm0.1ppm 谐波 -40dB-15dB-70dB 相位噪声 -110dBc 设计 拍频实测拍频频率实测相噪实测三次谐波 3Hz2.9870.004Hz-110dBc-70dB 10Hz9.9630.003Hz-117dBc-73dB n 高性能低差频移频技术 全视场外差干涉仪 机械高精度移相技术难度大； 离焦误差 环境适应性差，应用领域受到限制 ； 点衍射干涉仪 Fizeau干涉仪 Twyman-Green干涉仪 n 传统干涉仪 全视场外差干涉仪 重复测量精度RMS: 2/10000 全视场外差马赫曾德干涉仪 实测干涉数据立方体 n 马赫曾德干涉仪 全视场外差干涉仪 重复测量精度 RMS: 4/10000 全视场外差点衍射干涉干涉仪 n 点衍射干涉仪 全视场外差干涉仪 n动态干涉仪 全视场外差干涉仪 直流测量系统，具有直流光平和电平零漂的弊端。 双频测距仪干涉仪 n单频测距干涉仪 n基本光路 双频测距仪干涉仪 f1- f2 f1f f测=(f1f)-f2 f参=f1-f2 M 1 M 2 M 3 M 4 f测=(f1f)-f2 s p n原理框图 双频测距仪干涉仪 n数据分析 双频测距仪干涉仪 n数据分析 双频测距仪干涉仪 从激光干涉仪的技术发展看，目前国外激光干涉仪产品主要有三种形式： 1、基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪：以Agilent、Exell等公司的产品为 代表，属于交流干涉系统。由于受到模牵引效应的影响，这种系统的测量速度 受到限制，最大测量速度为：1000mm/s。 2、基于 Bragg效应的声光调制式双频激光干涉仪：以Zygo、Optodyne公司 的产品为代表，采用声光调制原理产生两个激光频率构成交流干涉系统。由于 可以得到较高的激光频率差，因此可以提高系统的测量速度，最高测量速度可 以达到：1800mm/s。 3、单频激光干涉仪：以Renishow、API等公司的产品为代表，单频激光干涉 仪的测量速度取决于电子器件的性能，目前最高测量速度可以达到： 4000mm/s（采用专用电子器件）。 n国外研究状况 双频测距仪干涉仪 1971年美国HP公司推出的基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪， 具有极大的系统增益，在此后的十多年中，几乎垄断了市场。 从上世纪七十年代初期开始，国内相继有十几个单位研制双频激光 干涉仪，但是由于各种原因，特别是激光器的寿命过短，都难以形 成产品，有些大学主要作为科研项目进行研究，大多数单位都逐渐 放弃了产品开发 目前，比较成功的是成都工具研究所成功地将产品推向市场，清华 大学在接收处理电路方面做得比较好。 n国内研究现状 双频测距仪干涉仪 nHP（Agilent）公司干涉仪 双频测距仪干涉仪 nZYGO公司干涉仪 双频测距仪干涉仪 测量时靶镜或者干涉仪置于被测体上，当被测体移动时 产生干涉，由激光干涉仪的电器部分记录下位移值，即 为长度测量。 n激光干涉仪应用长度测量 双频测距仪干涉仪 激光头的出射光由角度干涉仪分为f1和f2两束，分别射向角度反 射镜中的两个靶镜，当角度干涉仪或角度反射镜发生偏摆角时 ，f1和f2两束光产生相位差，可以计算旋转角度值: n激光干涉仪应用小角度测量 双频测距仪干涉仪 来自激光头的激光在乌拉斯顿棱镜上以角分离为f1和f2，它们分 别射向双平面反射镜，当双平面反射镜发生从位置位移到位置 时，两束光产生符号相反的相移，可以计算出双平面反射镜的 横向位移量: n激光干涉仪应用横向位移测量 双频测距仪干涉仪 从应用角度看，近二十年来，激光干涉仪产品明显向两个方向发展： 一是面向大规模集成电路、平面显示器、微观结构研究等领域的激光传感器系统 ，要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反馈信号。典型产品有Agilent 公司的5517/5527系列、Zygo公司的ZMI系列、Piezosystem jena 公司的sios 系列，最高分辨率0.15nm、速度2550mm/s（Zygo公司的4000处理板）； 二是面向数控机床及普通应用，这种系统也称工业用激光干涉仪，要求体积小、 速度快、测量距离大，典型产品有Agilent的5529/5530、Renishaw公司的ML- 10/XL-80、Excel公司的1100A/1100B、Optodyne的MCV系列、API公司的XD 系列、成都工具研究所有限公司的MJS系列等。 n激光干涉仪发展趋势 双频测距仪干涉仪 用于一般工业计量的激光干涉仪基本功能包括长度、角度、直线度、平面度、垂直度、平行度、 数控转台测量等项目。近年来，出现了许多针对数控机床检测的附加功能，包括： 1）对角线测量附件 有两种对角线测量附件,一种是简单地将激光束转向，使测量沿数控机床工作区的对角线进行，可 以迅速判断机床的精度状况，如Agilent和Renishaw公司的对角线测量附件；另一种方法是 Optodyne提出的“向量测量方法”，采用长平面镜为干涉仪的靶镜，测量沿角线方向以阶梯折线轨迹 进行，得到测量数组（X1、Y1、Z1 Xn、Yn、Zn），它包含了机床各轴向定位精 度、直线度和垂直度的信息，由软件处理得到螺距误差和空间误差的补偿数据。 2）数控机床圆轨迹的测量 Optodyne公司的干涉仪用平面镜作为靶镜，提出了测量数控机床圆轨迹的新方法，从X和Y两个 方向测量机床运动的位移 角度曲线（正弦和余弦），由软件计算出圆轨迹误差，包括圆滞后H、 圆偏差G等。 3）双轴测量软件 Agilent和Renishaw都提供了双轴测量软件，用于双驱动系统，测量两驱动的同步性。 n激光干涉仪发展趋势 双频测距仪干涉仪 4）多维测量系统 多维测量系统实际是激光干涉和其他测量方法的组合，一次测量可以得到单轴六个自由度的误差 数值（位移，二个直线度和三个摆角），借助五棱镜可以测量机床三轴之间的轴的垂直度，一般通过 五次测量即可得到机床的全部21项误差值。这些误差值经分析软件处理生成机床三维空间的网格补偿 数据。由于各项误差都是相互关联的，多维测量更能反映误差的真实情况，测量效率也高。API公司 的XD系列可以测量1、3、5、6个分量，Excel公司的1100B系统也是六维测量系统。 5）动态测量 动态测量包括位移-时间，速度-时间、加速度-时间，振动测量，并可以进行FFT分析。数控机床 加工是在动态下进行的，因此其动态误差更真切地反映了工作状态。动态测量可以帮助找到数控机床 的误差根源，指导机床的设计，是研究分析数控机床性能的重要手段。 6）机床漂移测试 由于仪器稳定性提高，可以进行长时间飘移测试，几小时到几天，以暴露温度对机床几何精度的 影响，Agilent的5530系统特别强调了这一功能。 n激光干涉仪发展趋势 双频测距仪干涉仪 总之，激光干涉仪的发展趋势是小型化、高精度、多功能，使用起来方 便、快捷、高效。对于数控机床而言，传统的单轴误差修正是目前最常用的 误差补偿方法，但它仅仅补偿了单轴的线性定位误差，不是完整的误差修正 概念，因为在一个机床的加工区域中，实际存在的误差由21项参数决定。 单坐标直线运动误差模型 n激光干涉仪发展趋势 双频测距仪干涉仪 三维空间网格修正是一种更加有效 提高数控机床精度的方法，目前部分 高端数控机床已具备这个功能，其基 础是机床的21项误差数据，但采用传 统方法检测非常困难。 激光多维测量系统是在激光干涉 仪的基础上发展起来的一种新型测量 仪器，可以同时测量多维误差，使过 去耗时几十小时的检测减少到几个小 时，为传统检测方法的1/8，且拥有测 量速度快、各项误差值具有即时性等 优点，极大地提高了工作效率。 n激光干涉仪发展趋势 双频测距仪干涉仪 不存在散斑 相干长度短，容易找到0光程差位置以实现绝对测量 在待测物体表面面型不连续时，激光干涉无法判断台阶尺寸 量级 其他光学元件表面产生的反射光之间不会存在干涉，也不会 产生寄生干涉条纹 低成本，易操控 n白光测量优点 白光干涉测量基础 LED LD SLD ASD 乌卤灯 钠灯 n 常见的白光光源 白光干涉测量基础 特点： 低相干性； 高亮度； 长寿命； n白光光源的干涉 白光干涉测量基础 LED等光源光谱的高斯分布 LED光源的高斯分布 n 白光光源的干涉强度 白光干涉测量基础 LED干涉公式 进一步整理： n 白光光源的干涉强度 白光干涉测量基础 n 白光形貌干涉仪 白光干涉测量基础 n 数据分析 白光干涉测量基础 例如： 在干涉条纹扫描某一平面时，被测零件上两点A和B的采样光强变化曲线如下图所示 ： 可知A点在第38个采样点处干涉光强达到最大值210，B点在第51个采样点处干涉光强达 到最大值219，则平面上不同高度的点会在不同的采样点达到干涉光强最大值。 n 数据分析 白光干涉测量基础 采用三点拟合得到干涉光强包络，进一步提高测量精度。 根据干涉光强的极值位置差来决定高度差，对光强的要求较高，对噪声 比较敏感。 n 白光光源的干涉强度 白光干涉测量基础 Michelson型形貌检测系统Mirau型形貌检测系统Linnik型形貌检测系统 n 常见的形貌白光测量系统 白光干涉测量基础 Michel