1、光學干涉測量技術 干涉原理及雙頻激光干涉1、干涉測量技術干涉測量技術和干涉儀在光學測量中占有重要地位。干涉測量技術是以光波干涉原理為基礎進行測量的一門技術。相干光波在干涉場中產生亮、暗交替的干涉條紋，通過分析處理干涉條紋獲取被測量的有關信息。當兩束光亮度滿足頻率相同，振動方向相同以及相位差恒定的條件，兩束光就會產生干涉現象，在干涉場中任一點的合成光強為：式中是兩束光到達某點的光程差。明暗干涉條紋出現的條件如下。相長干涉（明）：， （） 相消干涉（暗）：， （）當把被測量引入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差則發生變化。通過測量干涉條紋的變化量，即可以獲得與介質折射率和幾何路程有關的各種物理量和

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，一類是通過測量被測面與參考標準波面產生的干涉條紋分布及其變形量，進而求得試樣表面微觀幾何形狀、場密度分布和光學系統波像差等，即所謂靜態干涉；另一類是通過測量干涉場上指定點干涉條紋的移動或光程差的變化量，進而求得試樣的尺寸大小、位移量等，即所謂動態干涉。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。光學測量常用的是分振幅式等厚測量技術。圖一 普通光源獲得相干光的途徑與一般光學成像測量技術相比，干涉測量具有大量程、高靈敏度、高精度等特點。干涉測量應

3、用范圍十分廣泛，可用于位移、長度、角度、面形、介質折射率的變化及振動等方面的測量。在測量技術中，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；隨著激光技術的出現及其在干涉測量領域中應用，使干涉測量技術在量程、分辨率、抗干涉能力、測量精度等方面有了顯著的進步。70年代以后，抗環境干擾的外差干涉儀(交流干涉儀)發展迅速，如雙頻激光干涉儀等；近年來，光纖干涉儀的出現使干涉儀結構更加簡單、緊湊，干涉儀性能也更加穩定。從光學零件的質量控制到光學系統的象質評價，從經典的光學技術到自適應光學工程，現代干涉測量技術的應用領域不斷擴展。另一方面，現代數字圖像處理技術、傳

4、感器技術和計算機技術使干涉圖像判讀技術實現了計算機實時自動判讀，大大提高了干涉測量的精度和靈敏度。圖二 邁克爾遜干涉儀原理圖下面我們主要介紹干涉測量原理的實際應用雙頻激光干涉儀，并簡單介紹其工作原理以及其測量中具有的優勢。2、干涉測量原理的實際應用雙頻激光干涉儀2.1 干涉儀：實現干涉測量的儀器叫干涉儀。激光干涉儀是一種所謂“增量法”測長的儀器，它是把目標反射鏡與被測對象固聯，參考反射鏡固定不動，當目標反射鏡隨被測對象移動時，兩路光束的光程差即發生變化，干涉條紋也將發生明暗交替變化。若用光電探測器接收，當被測對象移動一定距離時，條紋亮暗交替變化一次光電探測器輸出信號將變化一個周期，記錄下信號變

5、化的周期數，便確定了被測長度。2.2 單頻激光干涉儀：從激光器發出的光束，經擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋（其原理圖類似邁克爾遜干涉儀原理圖）。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經整形、放大后輸入可逆計數器計算出總脈沖數，再由相應的公式算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩定狀態，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。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上發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作為標準對被測長度進行度量的儀器。它可用于精密機床、大規模集成電路加工設備等的在線在位測量、誤差修正和控制。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測量原理,克服了普通單頻干涉儀測量信號直流漂移的問題,具有信號噪聲小、抗環境干擾、允許光源多通道復用等諸多優點,使得干涉測長技術能真正用于實際生產。目前干涉儀產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中，由于塞曼效應使輸出激光分裂為具有一定頻差（約1-2MHz），旋轉方向相反的左右圓偏振光。雙頻激光干涉儀就是以這兩個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。反射光經偏振片1后由左側的光電探測器接收并經前置放大整形電路處理，作為后續電路處理的基準信號。透射光經過偏振分光鏡后使 、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量物體上的可動反射鏡，當可動反射鏡隨被測量物體移動時，產生光的多普勒效應，返回的頻率變為，為多普勒頻移量，它包含了可動反射鏡的位移信息。返回的、光在偏振分光鏡處再度匯合，經反射鏡后由右側的光電探測器接收并經前置放大整形電路處理，作為系統的測量信號。下面是對兩處光電探測器處光強情況的討論：設

8、左側光電探測器處兩束光 、的波動方程分別為： （1） （2）合成振幅為： （3）光強函數為： （4）由于光電探測器的頻響限制，實際接收光強為： （5）同理，可以計算右側光電探測器處接收光強為： （6）由式（5）和式（6）可見，左側光電探測器接收信號為一直流分量與一交流信號的疊加，這一信號經由交流放大器和過零觸發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脈沖；同樣右側光電探測器接收信號經放大整形后，輸出一組頻率為的連續脈沖。經過減法器實現兩組脈沖相減得到的值（包含了被測量的位移信息），即 （7）又由多普勒效應 （8）式中V為測量反射鏡的移動速度，C為光速，f為光頻。設測量長度為L，則有

9、 （9）頻率的時間積分為周期數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量信息是疊加在一個固定頻差上的，屬于交流信號，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變動造成直流電平漂移，使系統無法正常工作的弊端。測量時即使光強衰弱90%，雙頻激光干涉儀仍能夠正常工作。由于其具有很強的抗干擾能力，因而特別適合現場條件下適用。 2.5單、雙頻激光干涉儀比較及分析：單頻的激光器它的一個根本弱點就是受環境影響嚴重，在測試環境惡劣，測量距離較長時，這一缺點十分突出。其原因在于它是一種直流測量系統，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉

10、儀可動反光鏡移動時，光電接收器會輸出信號，如果信號超過了計數器的觸發電平則就會被記錄下來，而如果激光束強度發生變化，就有可能使光電信號低于計數器的觸發電平而使計數器停止計數，使激光器強度或干涉信號強度變化的主要原因是空氣湍流，機床油霧，切削屑對光束的影響，結果光束發生偏移或波面扭曲。這種無規則的變化較難通過觸發電平的自動調整來補償，因而限制了單頻干涉儀的應用范圍，只有設法用交流測量系統代替直流測量系統才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點。而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點，它是在單頻激光干涉儀的基礎上發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作為標準對被測長

11、度進行度量的儀器，所不同者，一方面是當可動棱鏡不動時，前者的干涉信號是介于最亮和最暗之間的某個直流光平，而后者的干涉信號是一個頻率約為1.5MHz的交流信號；另一方面，當可動棱鏡移動時，前者的干涉信號是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號，而后者的干涉信號是使原有的交流信號頻率增加或減少了f，結果依然是一個交流信號。因而對于雙頻激光干涉儀來說，可用放大倍數較大的交流放大器對干涉信號進行放大，這樣，即使光強衰減90%，依然可以得到合適的電信號。由于這一特點，雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計量室內檢定量塊，量桿，刻尺和坐標測量機等，也可以在普通車間內為大型機床的刻度進行標定，既可以對幾十米的大量

12、程進行精密測量，也可以對手表零件等微小運動進行精密測量，既可以對幾何量如長度、角度直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。圖四是雙頻激光干涉儀的實物圖，圖五是雙頻激光干涉儀在實際測量中的應用。圖四 雙頻激光干涉儀實物圖圖五 對機床運動進行測量2.6雙頻激光干涉儀的優越性：l 精度高：雙頻激光干涉儀以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器。即使不做細分也可達到um量級，細分后更可達到nm量級。l 應用范圍廣：雙頻激光干涉儀除了可用于長度的精密測量外，配上適當的附件還可測量角度、直線度、平面度、振動距離及速度等等。

13、l 環境適應力強：即使光強衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號。由于這一特點，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計量室內檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準器和坐標測量機，也可以在普通的車間內為大型的機床的刻度進行標定。l 實時動態測速高：現代的雙頻激光干涉儀測速普遍達到1 m/s，有的甚至于十幾m/s，適于高速動態測量。2.7雙頻激光干涉儀發展趨勢：同大多數測量儀器一樣，雙頻激光干涉儀也有向高分辨率，高精度，高測速的發展趨勢。3、總結雙頻激光干涉儀是激光在計量領域中最成功的應用之一,是工業中最具權威的長度測量儀器。雙頻激光干涉儀的發明使激光干涉儀最終擺脫了計量室的束縛，更為廣泛的應用于工業

14、生產和科學研究中。用激光干涉儀作為機床的測量系統可以提高機床的精度和效率。起初僅用于高精度的磨床、鏜床和坐標測量機上，以后又用于加工中心的定位系統中。但由于在一般機床上使用感應同步器和光柵一般能達到精度要求，而激光儀器的抗振性和抗環境的干擾性能差，且價格較貴，目前在機械加工現場使用較少。隨著雙頻激光干涉儀向著高分辨率、高精度、高測速方向的發展，其研究領域也在進一步拓寬。希望我們能在雙頻激光干涉儀這方面的研究有所進展和突破，研制出具有先進水平的測量儀器。參考文獻1. 梁銓廷，物理光學，電子工業出版社，2012.2. 所睿，范志軍，李巖，張書練，雙頻激光干涉儀技術現狀與發展，激光與紅外，2004.

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