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干涉测量法说明

激光干涉测量法是一种完善的高精度测距方法。

基本介绍

“干涉测量法”是一种利用波的干涉现象(常见的波有光波,无线电波或声波)进行测量的一种方法。测量可能涉及对波本身的某些特性以及与波相互作用的材料的测量。此外,“干涉测量法”用于描述通过光波研究位移变化的技术。在精密加工中广泛采用这一位移干涉测量法来校准和控制机械台运动。

通过使用两束光(通常将一束光分为两束光),可在其叠加时形成干涉图。由于可见光的波长非常短,两束光的光路(传播距离)稍有不同,就能被检测出来(因为这些差异会在干涉图上产生明显的变化)。因此,光学干涉测量法上百年来一直是一项非常有价值的测量技术。随着激光的发明,干涉测量法的精度得以改进。

Albert A. Michelson于19世纪80年代发明了第一台干涉仪,成为使用光的干涉原理作为测量工具的首个代表人物。尽管多年来该技术(和测量精度)不断发展和改进,但麦克逊 (Michelson) 干涉仪的基本原理仍然是干涉测量法的核心。

麦克逊 (Michelson) 干涉仪包含一个分光镜(半镀银镜)和两个镜片。当光透过半镀银镜/分光镜(部分反射)时便分裂为具有不同光路的两束光(一束光射向镜片1,另一束光射向镜片2)。这两束光被两个镜片反射回来后,在分光镜上重新组合,然后到达探测器。两束光光路的不同导致相位差,从而形成干涉条纹图形。发射头则对该图形进行分析,以评估波的特性、材料属性或其中一个镜片的位移(取决于干涉仪测量正在执行什么测量)。

麦克逊 (Michelson) 干涉仪示意图

应用干涉测量

要生成高清干涉图(清晰的干涉条纹),使用XL-80激光头产生一个高度稳定的波长光源非常重要。

根据麦克逊原理,激光干涉仪有不同的干涉光学镜组件,而线性组件则是解释起来最简单的类型。

XL-80激光系统上的两个镜片(在麦克逊 (Michelson) 干涉仪上使用)为角锥反射镜(即棱镜,将入射光线以与射出平行的方向反射回去)。其中一个角锥反射镜连接在分光镜上,形成参考臂。另一个角锥反射镜形成可变长度测量臂,因为其距离可相对于分光镜发生变化。

从XL-80激光头发出的激光光束 (1) 分成两束光(透过 (3) 极化分光镜和被反射 (2))。这些光束从两个角锥反射镜反射回来,并在到达发射头前,在分光镜上重新组合。使用角锥反射镜可确保从参考臂和测量臂发出的光束在分光镜上重新组合时保持平行。重新组合的光束到达探测器后,以相长或相消的方式相互干涉。在相长干涉过程中,两束光同相,它们的波峰相互加强,产生明亮的干涉条纹;而在相消干涉过程中,两束光异相,其中一束光的波峰被另一束光的波谷抵消,形成灰暗的干涉条纹。

激光光学镜组件

探测器中的光学信号处理功能允许用户观察这两束光的干涉情况。测量臂的位移使两束光的相对相位发生变化。这一相消和相长的干涉循环导致重新组合的光的光强发生周期变化。每次测量臂/角锥反射镜移动316.5 nm时,光强都会出现明-暗-明的一个周期变化,这个长度是激光波长的一半(因为这一移动会导致光路发生633 nm变化,即激光波长)。因此,使用下列公式计算循环次数就可以测量出移动距离:

公式

其中,d为位移(微米),λ为激光波长(0.633微米),N为测量的条纹数量。1 nm的更高分辨率通过这些循环中的相位内插实现。

无论您的激光装置性能多么优异(即精确和稳定程度如何),线性位置测量精度取决于激光光束波长的精度。激光光束的工作波长取决于光透过空气的折射率,该波长会随着温度、气压和相对湿度发生变化。因此,需要改变(补偿)激光的波长,以便包含这些参数的任何变化。

环境补偿

当温度、湿度、气压与标称值之间的误差影响组合到一起时,若没有可靠准确的波长补偿,很容易导致线性测量读数出现20 ppm - 30 ppm的误差(即使测试条件保持稳定也不例外)。可以使用环境补偿单元 (XC-80) 来减少这些误差,确保XL-80测量在各种不同的条件下保持精度。下面右图是未补偿的干涉仪的误差和这些误差的来源。

 XC-80补偿的影响

XC-80测量气温、气压和湿度,然后计算空气的折射率(及激光波长)。这样,激光读数自动得到调整,以补偿激光波长的变化。自动系统的优点是无需用户干预及经常进行补偿更新。

注:使用雷尼绍激光干涉仪系统时,角度或直线度测量不需要环境补偿。这是因为这些测量值是通过彼此靠近的两个光束路径的差计算得出的,其中环境因素的影响本身被抵消。由于回转轴、平面度和垂直度测量也以这些测量为基础,因此也不需要进行环境补偿。

分离式干涉仪测量法

某些厂家的系统将干涉仪/分光镜置于激光头内。激光头的热膨胀会改变测量路径的长度,因此需要额外的预热时间才能进行准确的测量。通过使用分离式分光镜,雷尼绍避免了这一问题。

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