第五讲激光外差干涉测长与测振2011.ppt

1 6激光外差干涉测长与测振 韦宏艳 光探测方法 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 探测目标时的作用距离远 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 光外差探测的基本原理 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 比直接探测有更大的信息容量和更低的探测极限 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要原因 信号处理及细分都比较困难 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 发展了一种新型的光外差干涉技术 概念 光外差干涉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 特点 克服单频干涉仪的漂移问题 细分变得容易 提高了抗干扰性能 激光外差干涉测试技术 4 激光外差干涉测试技术 一 激光外差干涉测试技术原理 外差干涉技术原理设测试光路和参考光路的光波频率分别为 和 则干涉场的瞬时光强为 由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频 它不能跟随光频变化 所以式中含有2 的交变项对探测器的输出响应无贡献 干涉场中某点 x y 处光强以低频 随时间呈余弦变化 5 5激光外差干涉测试技术 一 激光外差干涉测试技术原理 外差干涉技术原理在干涉场中 放入两个探测器 一个放在基准点 x0 y0 处 称之为基准探测器 其输出基准信号i x0 y0 t 另一个放在干涉场某探测点 xi yi 处 称之为扫描探测器 输出信号为i xi yi t 将两信号相比 测出信号的过零时间差 t 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 就可以测出干涉场各点的位相差 激光外差干涉测试技术 一 激光外差干涉测试技术原理 激光外差干涉仪的光源外差干涉需要双频光源 其频差根据需要选定 1 塞曼效应He Ne激光器 可得到1 2MHz的频差 2 双纵模He Ne激光器 频差约600MHz 较大 3 光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v沿光轴方向移动时 则垂直入射的反射光将产生的频移为 如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片 则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f的频移 即 一 激光外差干涉测试技术原理 激光外差干涉仪的光源 3 光学机械移频在参考光路中放入一个固定的1 4波片和一旋转的1 4波片 如果固定1 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圆偏振光 该圆偏振光两次穿过旋转的1 4波片 使其产生2f的频移 圆偏振光再次穿过固定1 4波片后又恢复为线偏振光 但频率已发生偏移 垂直于入射光束方向移动 匀速 光栅的方法也可以使通过光栅的第n级衍射光产生的频移 此处f是光栅的空间频率 V是光栅移动速度 激光外差干涉测试技术 一 激光外差干涉测试技术原理 激光外差干涉仪的光源 4 声光调制器利用布拉格盒 BraggCell 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栅 其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f 而与光的波长无关 激光外差干涉测试技术 主要内容 一 双频激光外差干涉 二 双频激光外差干涉的应用 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 一 双频激光外差干涉仪 光源 双频He Ne激光器 在全内腔单频He Ne激光器上加上约300 10 4T的轴向磁场 由于塞曼效应和频率牵引效应 使该激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光 它们的频率差 V约为1 5MHz 双频激光器1发出双频激光束 通过1 4波片2变成两束振动方向互相垂直的线偏振光 v1垂直于纸面 v2平行于纸面 一小部分被反射到检偏器5上 检偏器的透光轴与纸面成450 一部分光束透过分束镜4沿原方向射向偏振分束棱镜8 偏振方向互相正交的线偏振光被偏振分束镜按偏振方向分光 v1被反射至参考角锥棱镜9 v2则透过8到测量角锥棱镜10 工作原理 经光束扩束器3适当扩束准直后 光束被分束镜4分为两部分 由光电接收器6接收后进入交流放大器7 放大后的信号作为参考信号送给计算机 光束返回后重新通过偏振分束镜10与v1的返回光会合 经反射镜11及透光轴与纸面成450的检偏器12后也形成 拍 其拍频信号可表示为 若测量镜以速度V运动 移动或振动 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 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 v为负 拍频信号被光电13接收后 进入交流前置放大器14 最后也被送入计算机 计算机工作 1 计算机先将拍频信号 v0 v与参考信号 v0进行相减处理后 就得到所需的测量信息 v 设在动镜10移动的时间t内 由 v引起的条纹亮暗变化次数为N 则有 于是 2 由 v换算成L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 优点 前置放大器可采用交流放大器 避免了用直流放大器时所遇到的棘手的直流漂移问题 交流干涉仪抗干扰性能好 测量范围大 可测大于60m的距离 应用 测长外 还可用于测角 测直线度及测振等 稳频措施 塞曼稳频法 二 双频激光外差干涉的应用 应用 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 这种结构称为遥置式结构 优点 减少热气流的影响 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 使双频干涉仪成为多功能干涉仪 双频激光器1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 其中v1光透过偏振分束镜射向角锥棱镜I v2光被反射向上 经以膜双块上部的普通反射镜反射到角锥棱镜II 工作原理 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 然后经反射镜反射到检偏振器及光电接收器 一 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 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 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 v1 v2 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 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 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 此时两路的多普勒频移 v1和 v2不相等 即有 v v1 v 精度 应用 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 分辨率 可达0 1 其测角精度在100 范围内可达0 5 量程可达土1000 二 双频激光干涉仪测量直线度 以线量表示 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 正交线偏振光v1和v2被分开theta的两束线偏振光 分别射向双面反射镜的两翼并由原路返回 工作原理 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 两光束在检偏器后形成拍频并被光电接收器接收 1 若双面反射镜沿z轴平移到A点 由于v1和v2所走的光程相等 所以 v1 v2 拍频互相抵消 计算机显示器无多普勒频移显示 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y方向下落到B点 v1光的光程较原来的减少了2AC 与此相反 v2光的光程却增加了2BD 两者总差值等于2 AC BD 根据这一数值 即可以算出下落量 测直线度的精度可达土1 5 m 其分辨率为l m 最大检测距离可达3m 最大下落量可测到1 5mm 精度 三 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 提出问题 同轴度测量仪器应具有以下的特点 解决问题 1 能够进行间断测量 2 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 3 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 现有的双频激光直线度干涉仪是无法满足上述要求的 原因 1 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 2 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 在测量范围内相位的变化范围必须在 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度是不可能的 结论 此外 在HP5528中 采用了等光强稳频方案 塞曼稳频 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SJD3T双频激光同轴度干涉仪 1 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斯顿棱镜W1后 彼此分开一个小角度 再通过第二个涅拉斯顿棱镜W2变成两束平行光束 经双面直角棱镜反射 工作原理 依次通过W2 W1后又会合成一束光 经检偏振器P后被探测器D2接收 形成测量信号 两光束在检偏器后形成拍频并被光电接收器接收 SJD3T方案与HP5528主要区别 1 SJD3T方案中用了两个渥拉斯顿棱镜 而HP5528方案只用一个 2 SJD3T中反射镜用的是双面直角棱镜 而HP5528用的是两个具有一定夹角的平面反射镜 这两点区别 使得SJD3T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 参考信号由探测器D1接收 当W1 或 W2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发生变化 那么通过测量两者的位相差 可得W1 或W2 的横向移动量 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0 3 3m 3 30m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 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内 即土 内 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回光路中 测量还能继续进行 因而可用于同轴度测量 3 在SJD3T中 干涉的两束光在30m内中心距只有2 6mm HP5528 可达十几个厘米 因此对外干扰能很好共模抑制 具有很高的抗干扰能力 2 SJD3T对激光频差稳定性的要求 激光波长的稳定性 频差稳频方法 基于8098单片机系统的智能稳频方法 激光器置于磁铁架中 用于固定永磁铁 以形成纵向磁场 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 激光器尾光通过检偏器由光电探测器测得拍频信号 f 经放大整形后由8098单片机计数器测量该频率的大小 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 利用8098芯片内部的D A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 作用 方解石棱镜及1 4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路 又作接收光路 通过o光和e光在方解石中光路的不同 起到 光学定向耦合 作用 使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜 不考虑光吸收损失 频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频 把多普勒频移fD解调出来 五 激光外差测振仪 2 双光束双频激光器 四 双频激光束频差的确定 1 声光调制器 DISA系统与NASA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可能性 该仪器用两只光电接收器D1和D2来分别接收拍频信号 并在D1和D2前分别安置检偏振片P1和P2 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 以便进一步抑制噪声 提高拍频信号的信噪比 DISA外差激光测振仪 六 激光外差表面微观轮廓仪 测量表面微观的高低不平 可以确定微观轮廓及表面粗糙度 应用 仪器要有极高的纵向分辨率及横向分辨率 要求 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 He Ne激光器发出的光束 被分束器分成两路 一路经声光调制器M1 偏振器P1 P1光轴平行于纸面 另一路经光调制器M2 偏振器P2 P2光轴垂直于纸面 一部分经检偏器P3该拍频信号被光电接收器D1接收转换后作为参考拍频信号 另一部分偏振光进入右边的测量干涉系统 偏振分束器PBS使平行于纸面的偏振光 v1 透过 垂直于纸面的偏振光 v2 反射 又被分束器BS2分成两路 工作原理 这两支光束在检偏振器P4后产生拍频信号v1 v2 v v0 v v与被测表面的微观高低起伏有关 v1光经反射镜M3 l 4波片 Ll和L2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1 4波片 由于两次通过l 4波片 其光轴与v1光成45度角 故其偏振方向改变900 最后被PBS反射并经检偏器P4而被光电接收器D2接收 v2光经1 4波片 反射镜M4 BS3及物镜L2后会聚到被测表面 形成光学探针 由被测表面反射后 也沿原路返回 复经l 4波片 偏振方向改变900 最后透过PBS及检偏振器P4也被光电接收器接收 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 v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 七 具有光程锁定的激光外差测振仪 应用 测量分辨率为人量级的微振动振幅或微位移 优