1、光學精密檢測技術與光學精密檢測技術與檢測儀器檢測儀器光學精密檢測技術與檢測儀器系列八激光PBS棱鏡M1M2成像鏡濾波孔像面1/2波片1/4波片1/4波片1/4波片檢偏器移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=45波片，時22222222iJi1222222201222222202222222222222pippiiiEEEEieiii2222222202222222122222220222222isssiiiieEEEEiii移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀1tancos2tansin

2、222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=45波片，時22222222iJi1222222022222ppipiEEEE ei212222ipsipsEEEEEEE2222022222222isssiEEEEi移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀1tancos2tansin 222cos2tansin 21tancos222iiJii波片瓊斯矩陣1/ 4=90波片，時2202222022iJi404222202222222202222ippissiiEeEEEEeEii移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀22cossincossincossinJ偏振片瓊斯矩

3、陣=45時11221122J =135時11221122J 44414441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE5444334441112211222iiipspiiipsseEeEeEEeEeEeE21112211222psppssEEEEEEE41112211222ippsispsEEE eEEe EE移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀90018027045135090移相干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀n偏振調制4D動態干涉儀移相干涉儀ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDAAAAAAAAABBBBBBBBBCCCCCCCC

4、CDDDDDDDDDABCD4213( , )arctanIIx yIIn偏振調制4D動態干涉儀移相干涉儀n動態干涉測量空間移相干涉儀優點： 瞬時測量能夠有效抑制震動對測量結果的影響； 能夠對大口徑、長焦距的系統進行測量。缺點： 沒有抑制大氣湍流對測量結果的影響； 空間相移用四個相鄰點的偏振移相表示一個點的加工精度，數據可信度低，特別對大孔徑光學鏡面。ABCD移相干涉儀nESDI斐索干涉儀移相干涉儀 氣流對干涉圖的影響氣流對干涉圖的影響風扇及送風機可以用來減小操作環境中的局部溫差。然而，設置不當的風扇會造成氣流干擾以及震動干擾。氣流干擾會使局部區域內空氣密度不均勻，對測量光束引起局部偏折，改變

5、了測量波面，影響了測量結果。必須避免氣流造成的干涉條紋不規則擾動。如果溫度的空間梯度大，也會產生明顯的氣流影響。 有條件最好在恒溫室內再布置一個小房間，以減少外界溫度的變化影響。影響測量結果的外界因素n氣流影響測量結果的外界因素n氣流振動可能由很多原因產生：支撐不夠剛性的地板、聲波、其它設備(風扇、空調或遠處的車床、馬路上的汽車等)、人的活動等等。振動是最難控制的環境問題。 理論上，最好是將儀器放在一塊混凝土澆注的地基上使用，這樣會大大衰減大幅的振動。小幅的振動，例如由人員活動造成的震動，可以通過防震系統隔離。 環境震動對干涉儀的影響，在于它在兩相干波面之間引入了隨機的位相變化，主要表現為干涉

6、條紋出現抖動現象，從而造成條紋模糊。影響測量結果的外界因素n振動 從下圖可以看出，將干涉圖調到三根條紋(下圖左)，當沒有環境震動時，測得的波面是連續光滑的(下圖中)；當引入環境震動時，測得的波面中出現與干涉條紋方向一致的波動，且波動的頻率正好是干涉條紋頻率的2倍(下圖右)。如果將干涉圖盡量調整到零條紋時，則波面將不出現波動。所以，為了抑制環境震動的影響，在移相干涉測量時，應盡量將干涉圖調整到零條紋再進行測量。影響測量結果的外界因素n振動 減振一般可以使用氣墊光學平臺，另外還有多種方法:地基隔離減震、橡膠剪切減震腳、軟墊與大理石聯合減震、干涉腔剛性固化減震等都可以使用，如右圖。根據不同的環境條件

7、可以使用其中一種或兩種以上組合。 影響測量結果的外界因素n振動n 距離干涉測量光源參考面探測器L1L21112120121121201222( )cos( 2()22)22cos 2()22aaItIfftLLIfftLL雙頻干涉測量基礎12ff、1f2f221211201221211201222( )cos( 2()2()2)22cos 2()2()2aaItIfftLLLIfftLLL L1V11(2)4LN 距離 N、？n 距離干涉測量1112012122( )cos 222cos 2aaItIftLLIft（）（）雙頻干涉測量基礎2212012222( )cos 22(Vt)2=cos

8、 2+)aaVItIftLLIfft（(12121212( )=cos 2)cos2+)11cos2 (2)2 cos(2)22aaVaaVaaVI tIII IftfftI IfftI If t （(12VVf121( )cos(2)2aaVI tI If t01(2)4tLVdtN 01020304050607080900.20.40.60.811.21.41.61.822.2n 雙頻激光光源雙頻干涉測量基礎1. 塞曼效應雙頻激光器2. 雙縱模激光器3. 基于雙折射晶體的雙頻激光器4. 聲光移頻雙頻激光器移頻器的基頻：20M-200M穩定差頻最小：10KHzCCD幀頻：10KHz頻差高幀頻

9、低n 高性能低差頻移頻技術全視場外差干涉儀光電院研制出高性能低差頻聲光移頻器，各項技術指標遠優于現有技術水平，能夠滿足各類全視場外差探測需求。技術指標技術指標國外廠家國外廠家國內廠家國內廠家自研自研穩定拍頻頻率穩定拍頻頻率100Hz1kHz3Hz頻率穩定度頻率穩定度10ppm30ppm0.1ppm諧波諧波-40dB-15dB-70dB相位噪聲相位噪聲-110dBc設計拍頻設計拍頻實測拍頻頻率實測拍頻頻率實測相噪實測相噪實測實測三三次次諧波諧波3Hz2.9870.004Hz-110dBc-70dB10Hz9.9630.003Hz-117dBc-73dBn 高性能低差頻移頻技術全視場外差干涉儀 機

10、械高精度移相技術難度大； 離焦誤差 環境適應性差，應用領域受到限制；點衍射干涉儀Fizeau干涉儀Twyman-Green干涉儀n 傳統干涉儀全視場外差干涉儀重復測量精度RMS: 2/10000全視場外差馬赫曾德干涉儀實測干涉數據立方體n 馬赫曾德干涉儀全視場外差干涉儀重復測量精度RMS: 4/10000全視場外差點衍射干涉干涉儀n 點衍射干涉儀全視場外差干涉儀n動態干涉儀全視場外差干涉儀直流測量系統，具有直流光平和電平零漂的弊端弊端。 雙頻測距儀干涉儀n單頻測距干涉儀n基本光路雙頻測距儀干涉儀f1-f2f1ff測測=(f1f)-f2f參參=f1-f2M1M2M3M4f測測=(f1f)-f2s

11、pn原理框圖1312121( )cos(2)21cos(2)2aaVaaItIIf tIIN 1 4121212121( )co s(2/ 2 )21co s(2/ 2 )21sin (2)21sin (2)2aaVaaaaVaaItIIf tIINIIf tIIN 雙頻測距儀干涉儀n數據分析13121( )cos(2)2aaItIIN 1 4121( )sin (2)2aaItIIN 01020304050607080900.20.40.60.811.21.41.61.822.20102030405060708090-1.5-1-0.500.511.52( )tan (2)I tN N、01

12、(2)4tLVdtN 雙頻測距儀干涉儀n數據分析0204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.41.61.822.2020406080100120140160180200-1.5-1-0.500.511.52雙頻測距儀干涉儀從從激光干涉儀的技術發展看，目前國外激光干涉儀產品主要有三種形式：激光干涉儀的技術發展看，目前國外激光干涉儀產品主要有三種形式：1 1、基于縱向塞曼效應的雙頻激光干涉儀：以、基于縱向塞曼效應的雙頻激光干涉儀：以Agilent、Exell等公司的產品為等公司的產品為代表，屬于交流干涉系統。由于受到模牽引效應的影響，這種系統的測量速代

13、表，屬于交流干涉系統。由于受到模牽引效應的影響，這種系統的測量速度受到限制，最大測量速度為：度受到限制，最大測量速度為：1000mm/s。2 2、基于、基于 Bragg效應的聲光調制式雙頻激光干涉儀：以效應的聲光調制式雙頻激光干涉儀：以Zygo、Optodyne公公司的產品為代表，采用聲光調制原理產生兩個激光頻率構成交流干涉系統。司的產品為代表，采用聲光調制原理產生兩個激光頻率構成交流干涉系統。由于可以得到較高的激光頻率差，因此可以提高系統的測量速度，最高測量由于可以得到較高的激光頻率差，因此可以提高系統的測量速度，最高測量速度可以達到：速度可以達到：1800mm/s。3 3、單頻激光干涉儀：

14、以、單頻激光干涉儀：以Renishow、API等公司的產品為代表，單頻激光干等公司的產品為代表，單頻激光干涉儀的測量速度取決于電子器件的性能，目前最高測量速度可以達到：涉儀的測量速度取決于電子器件的性能，目前最高測量速度可以達到：4000mm/s（采用專用電子器件）（采用專用電子器件）。n國外研究狀況雙頻測距儀干涉儀1971年美國年美國HP公司推出的基于縱向塞曼效應的雙頻激光干涉儀，公司推出的基于縱向塞曼效應的雙頻激光干涉儀，具有極大的系統增益，在此后的十多年中，幾乎壟斷了市場具有極大的系統增益，在此后的十多年中，幾乎壟斷了市場。從從上世紀七十年代初期開始，國內相繼有十幾個單位研制雙頻激光上世

15、紀七十年代初期開始，國內相繼有十幾個單位研制雙頻激光干涉儀，但是由于各種原因，特別是激光器的壽命過短，都難以形干涉儀，但是由于各種原因，特別是激光器的壽命過短，都難以形成產品，有些大學主要作為科研項目進行研究，大多數單位都逐漸成產品，有些大學主要作為科研項目進行研究，大多數單位都逐漸放棄了產品放棄了產品開發開發目前，比較成功的是成都工具研究所成功目前，比較成功的是成都工具研究所成功地將產品推向地將產品推向市場，清華市場，清華大學在接收處理電路方面做得比較好。大學在接收處理電路方面做得比較好。n國內研究現狀雙頻測距儀干涉儀nHP（Agilent）公司干涉儀 雙頻測距儀干涉儀nZYGO公司干涉儀雙

16、頻測距儀干涉儀測量測量時靶鏡或者干涉儀置于被測體上，當被測體移動時靶鏡或者干涉儀置于被測體上，當被測體移動時產生干涉，由激光干涉儀的電器部分記錄下位移值，時產生干涉，由激光干涉儀的電器部分記錄下位移值，即為長度測量。即為長度測量。2NL n激光干涉儀應用長度測量雙頻測距儀干涉儀激光激光頭的出射光由角度干涉儀分為頭的出射光由角度干涉儀分為f1和和f2兩束，分別射向角度反兩束，分別射向角度反射鏡中的兩個靶鏡，當角度干涉儀或角度反射鏡發生偏擺角射鏡中的兩個靶鏡，當角度干涉儀或角度反射鏡發生偏擺角時，時，f1和和f2兩束光產生相位差，可以計算旋轉角度值兩束光產生相位差，可以計算旋轉角度值:LD1sin

17、n激光干涉儀應用小角度測量雙頻測距儀干涉儀來自來自激光頭的激光在烏拉斯頓棱鏡上以激光頭的激光在烏拉斯頓棱鏡上以角分離為角分離為f1和和f2，它們，它們分別射向雙平面反射鏡，當雙平面反射鏡發生從位置位移到位分別射向雙平面反射鏡，當雙平面反射鏡發生從位置位移到位置時，兩束光產生符號相反的相移，可以計算出雙平面反射鏡置時，兩束光產生符號相反的相移，可以計算出雙平面反射鏡的橫向位移量的橫向位移量:22sinLYn激光干涉儀應用橫向位移測量雙頻測距儀干涉儀從從應用角度看，近二十年來，激光干涉儀產品明顯向兩個方向發展：應用角度看，近二十年來，激光干涉儀產品明顯向兩個方向發展： 一是面向大規模集成電路、平面

18、顯示器、微觀結構研究等領域的激光傳感器系統，一是面向大規模集成電路、平面顯示器、微觀結構研究等領域的激光傳感器系統，要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反饋信號。典型產品有要求分辨率高、速度快、精度高，并且可以提供反饋信號。典型產品有Agilent公司的公司的5517/5527系列、系列、Zygo公司的公司的ZMI系列、系列、Piezosystem jena 公司的公司的sios系列，最高分辨率系列，最高分辨率0.15nm、速度、速度2550mm/s（Zygo公司的公司的4000處理板）；處理板）； 二是面向數控機床及普通應用，這種系統也稱工業用激光干涉儀，要求體積小、二是面向數控機床及

19、普通應用，這種系統也稱工業用激光干涉儀，要求體積小、速度快、測量距離大，典型產品有速度快、測量距離大，典型產品有Agilent的的5529/5530、Renishaw公司的公司的ML-10/XL-80、Excel公司的公司的1100A/1100B、Optodyne的的MCV系列、系列、API公司的公司的XD系列、成都工具研究所有限公司的系列、成都工具研究所有限公司的MJS系列等。系列等。 n激光干涉儀發展趨勢雙頻測距儀干涉儀 用于一般工業計量的激光干涉儀基本功能包括長度、角度、直線度、平面度、垂直度、平行度、用于一般工業計量的激光干涉儀基本功能包括長度、角度、直線度、平面度、垂直度、平行度、數

20、控轉臺測量等項目。近年來，出現了許多針對數控機床檢測的附加功能，包括：數控轉臺測量等項目。近年來，出現了許多針對數控機床檢測的附加功能，包括： 1）對角線測量附件）對角線測量附件 有兩種對角線測量附件有兩種對角線測量附件,一種是簡單地將激光束轉向，使測量沿數控機床工作區的對角線進行，可一種是簡單地將激光束轉向，使測量沿數控機床工作區的對角線進行，可以迅速判斷機床的精度狀況，如以迅速判斷機床的精度狀況，如Agilent和和Renishaw公司的對角線測量附件；另一種方法是公司的對角線測量附件；另一種方法是Optodyne提出的提出的“向量測量方法向量測量方法”，采用長平面鏡為干涉儀的靶鏡，測量沿

21、角線方向以階梯折線軌，采用長平面鏡為干涉儀的靶鏡，測量沿角線方向以階梯折線軌跡進行，得到測量數組（跡進行，得到測量數組（X1、Y1、Z1 Xn、Yn、Zn），它包含了機床各軸向定位），它包含了機床各軸向定位精度、直線度和垂直度的信息，由軟件處理得到螺距誤差和空間誤差的補償數據精度、直線度和垂直度的信息，由軟件處理得到螺距誤差和空間誤差的補償數據。2）數控機床圓軌跡的測量）數控機床圓軌跡的測量 Optodyne公司的干涉儀用平面鏡作為靶鏡，提出了測量數控機床圓軌跡的新方法，從公司的干涉儀用平面鏡作為靶鏡，提出了測量數控機床圓軌跡的新方法，從X和和Y兩個兩個方向測量機床運動的位移方向測量機床運動的

22、位移 角度曲線（正弦和余弦），由軟件計算出圓軌跡誤差，包括圓滯后角度曲線（正弦和余弦），由軟件計算出圓軌跡誤差，包括圓滯后H、圓偏差圓偏差G等等。3）雙軸測量軟件）雙軸測量軟件 Agilent和和Renishaw都提供了雙軸測量軟件，用于雙驅動系統，測量兩驅動的同步性。都提供了雙軸測量軟件，用于雙驅動系統，測量兩驅動的同步性。 n激光干涉儀發展趨勢雙頻測距儀干涉儀 4）多維測量系統）多維測量系統 多維測量系統實際是激光干涉和其他測量方法的組合，一次測量可以得到單軸六個自由度的誤差多維測量系統實際是激光干涉和其他測量方法的組合，一次測量可以得到單軸六個自由度的誤差數值（位移，二個直線度和三個擺角

23、），借助五棱鏡可以測量機床三軸之間的軸的垂直度，一般通數值（位移，二個直線度和三個擺角），借助五棱鏡可以測量機床三軸之間的軸的垂直度，一般通過五次測量即可得到機床的全部過五次測量即可得到機床的全部21項誤差值。這些誤差值經分析軟件處理生成機床三維空間的網格項誤差值。這些誤差值經分析軟件處理生成機床三維空間的網格補償數據。由于各項誤差都是相互關聯的，多維測量更能反映誤差的真實情況，測量效率也高。補償數據。由于各項誤差都是相互關聯的，多維測量更能反映誤差的真實情況，測量效率也高。API公司的公司的XD系列可以測量系列可以測量1、3、5、6個分量，個分量，Excel公司的公司的1100B系統也是六維

24、測量系統系統也是六維測量系統。5）動態測量）動態測量 動態測量包括位移動態測量包括位移-時間，速度時間，速度-時間、加速度時間、加速度-時間，振動測量，并可以進行時間，振動測量，并可以進行FFT分析。數控機床分析。數控機床加工是在動態下進行的，因此其動態誤差更真切地反映了工作狀態。動態測量可以幫助找到數控機加工是在動態下進行的，因此其動態誤差更真切地反映了工作狀態。動態測量可以幫助找到數控機床的誤差根源，指導機床的設計，是研究分析數控機床性能的重要手段。床的誤差根源，指導機床的設計，是研究分析數控機床性能的重要手段。 6）機床漂移測試）機床漂移測試 由于儀器穩定性提高，可以進行長時間飄移測試，

25、幾小時到幾天，以暴露溫度對機床幾何精度的由于儀器穩定性提高，可以進行長時間飄移測試，幾小時到幾天，以暴露溫度對機床幾何精度的影響，影響，Agilent的的5530系統特別強調了這一功能。系統特別強調了這一功能。n激光干涉儀發展趨勢雙頻測距儀干涉儀 總之，激光干涉儀的發展趨勢是小型化、高精度、多功能，使用起來方總之，激光干涉儀的發展趨勢是小型化、高精度、多功能，使用起來方便、快捷、高效。對于數控機床而言，傳統的單軸誤差修正是目前最常用的便、快捷、高效。對于數控機床而言，傳統的單軸誤差修正是目前最常用的誤差補償方法，但它僅僅補償了單軸的線性定位誤差，不是完整的誤差修正誤差補償方法，但它僅僅補償了單

26、軸的線性定位誤差，不是完整的誤差修正概念，因為在一個機床的加工區域中，實際存在的誤差由概念，因為在一個機床的加工區域中，實際存在的誤差由21項參數決定。項參數決定。單坐標直線運動誤差模型單坐標直線運動誤差模型n激光干涉儀發展趨勢雙頻測距儀干涉儀三維空間三維空間網格修正是一種更加有效網格修正是一種更加有效提高數控機床精度的方法，目前部分提高數控機床精度的方法，目前部分高端數控機床已具備這個功能，其基高端數控機床已具備這個功能，其基礎是機床的礎是機床的21項誤差數據，但采用傳項誤差數據，但采用傳統方法檢測非常困難。統方法檢測非常困難。激光激光多維測量系統是在激光干涉多維測量系統是在激光干涉儀的基礎上發展起來的一種新型測量儀的基礎上發展起來的一種新型測量儀器，可以同時測量多維誤差，使過儀器，可以同時測量多維誤差，使過去耗時幾十小時的檢測減少到幾個小去耗時幾十小時的檢測減少到幾個小時，為傳統檢測方法的時，為傳統檢測方法的1/8，且擁有測，且擁有測量速度快、各項誤差值具有即時性等量速度快、各項誤差值具有即時性等優點，極大地提高了工作效率。優點，極