激光干涉测试关键技术.docx
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激光干涉测试关键技术.docx
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激光干涉测试关键技术
光电检测技术
---------第三次作业
班级:
机测控11
姓名:
李谋
学号:
激光干涉测试技术
技术原理,示意图,影响因素及提高办法
▪特点:
Ø具备更高测试敏捷度和精确度;
Ø绝大某些干涉测试都是非接触式,不会对被测件带来表面损伤和附加误差;
Ø较大量程范畴;
Ø抗干扰能力强;
Ø操作以便;
Ø在精密测量、精密加工和实时测控诸多领域获得广泛应用。
干涉条件
▪普通可以产生干涉两列光波必要满足三个基本相干条件:
Ø频率相似
Ø振动方向相似
Ø恒定位相差
在实际应用中,有时需要故意识地破坏上述条件。
例如在外差干涉测量技术中,在两束相干光波中引入一种小频率差,引起干涉场中干涉条纹不断扫描,经光电探测器将干涉场中光信号转换为电信号,由电路和计算机检出干涉场位相差。
影响干涉条纹对比度因素
▪对于所有类型干涉仪,干涉条纹图样对比度减少普遍因素是:
Ø光源时间相干性;
Ø光源空间相干性;
Ø相干光束光强不等;
Ø杂散光存在;
Ø各光束偏振状态差别;
Ø振动、空气扰动、干涉仪构造刚性局限性等。
提高辨别力办法和干涉条纹信号解决
①光学倍频技术
辨别力
②光学相位细分技术
▪提高干涉仪辨别力,还可运用干涉条纹相位细分技术。
可以把干涉条纹每变化一种级次,看作相位变化了360°。
从一种干涉条纹变化中得到各种计数脉冲技术称为相位细分技术。
▪相位细分办法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。
③解决电路细分办法
▪电路细分办法有各种,如四细辨别向、计算机软件细分、鉴相法细分等。
▪综合来看,鉴相法细分不拟定度最小,使用灵活、以便、集成度高,适合于激光干涉信号细分。
其输出是模仿信号,辨别率高达2π/1000,但是鉴相范畴较小(±2π)。
④干涉条纹计数与判向
激光斐索(Fizeau)干涉测试技术
▪概述:
▪光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统检查中获得广泛应用。
▪在光学零件面型、平行度、曲率半径等测量中,斐索型干涉测量法与在光学车间广泛应用牛顿型干涉测量法(样板法或牛顿型干涉法)相比,属于非接触测量。
▪概述:
▪接触测量存在如下问题:
▪①原则样板与被测表面必要十分清洁;
▪②清洁工作多拿在手中擦试,由于体温影响,影响测试精确度;
▪③样板有一定重量压在被测表面上,必然会产生一定变形,特别是对大平面零件。
▪斐索型干涉测量法中由于样板和被测表面间距较大,必要用单色光源,普通采用激光光源
①激光斐索型平面干涉仪基本光路和原理
算例:
若h=5mm,λ=546.1nm,则θ<17‘。
若取f‘=500mm,则d<5mm。
②影响测试精确度因素
Ø3)杂散光影响。
Ø平行光在原则参照平板上表面和被测件下表面都会反射一某些光而形成非盼望杂散光。
由于激光相干性能非常好,这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光,影响条纹对比度
Ø消除该杂散光重要办法是:
✓将原则参照平板做成楔形板,以使原则平板上表面反射回来光线不能进入干涉场;
✓同样,将被测件做成楔形板或在它背面涂抹油脂,也能消除或减小被测件下表面产生杂散光影响;
✓整个系统所有光学面上均应镀增透膜。
Ø4)原则参照平板影响。
Ø原则参照平板参照面M1在干涉仪中是作为测量基准用,重要规定是:
面形误差小;口径必要不不大于被测件。
Ø当原则平板口径不不大于200mm时,其加工和检查都很困难。
Ø为了保证参照平面面形精度
✓严格控制加工过程;
✓材料线膨胀系数较小、残存应力很小;
✓安装时使之不产生装夹应力;
✓在高质量平面(如原则参照平面)面形测量中,可以考虑用液体表面作为参照平面。
Ø4)原则参照平板影响——液体表面作为参照平面
Ø地球曲率半径约为6370km,当液面口径为1000mm时,液面中心才高出约0.1光圈,当口径为250mm时,液面才高出约0.005光圈。
Ø重要规定:
使液体处在静止状态(对测量环境规定严格控制,还应当选用粘度较大,自身比较均匀和清洁液体。
)
Ø常惯用作原则参照平面液体有液态石蜡、扩散泵油、精密仪表油和水银等。
2.1激光斐索型平面干涉测量
③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度
▪1)测量原理
▪设干涉场口径为D,条纹数
目为m,长度D两端相应厚
度分别为h1和h2,有
▪
则平板玻璃平行度为
③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度
▪2)测试范畴讨论
▪容易想象,当干涉场内干涉条纹数m<1时,该办法就不能测量其平行度。
例如对直径D=60mm被测平板玻璃,n=1.5147,λ=632.8nm,当时就测量不出来了。
▪另一方面,当干涉场中条纹数目太密时,无法或比较困难辨别条纹,也无法进行测量。
假设用人眼来辨认条纹,普通人眼辨别能力为0.33mm,当n=1.5147,λ=632.8nm时,容易算出
2.1激光斐索型平面干涉测量
③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度
▪3)测量不拟定度
▪依照间接测量不拟定度传递公式,可知
▪
▪由上式可见,在测量中引起误差重要因素是:
Ø①宽度D测量不拟定度;
Ø②干涉条纹数m计数不拟定度-影响最大;
Ø③折射率n测量不拟定度。
▪激光斐索型平面干涉仪测量平板玻璃平行度原则不确
2.2斐索型球面干涉仪
①激光斐索型球面干涉仪基本原理
注意:
为了获得需要干涉条纹,
必要仔细调节被测球面,
使被测球面球心C与C0
精准重叠。
3.1全息术及其基本原理
▪概念:
全息概念早在1948年就由英国Gabor提出。
所谓全息就是在照相底片上同步记录物光波振幅和位相所有信息,通过再现,可以获得物光波立体像。
▪全息术是一种两步成像技术:
Ø记录,即以干涉条纹形式在底片上存储被摄物体光强和位相;
Ø再现,即用光衍射原理来重现被记录物体三维形状
3.1全息术及其基本原理
▪全息术与普通照相相比具备如下特点:
Ø三维性。
全息术能获得物体三维信息,成立体像。
Ø抗破坏性。
全息图一某些就可以再现出物体全貌,仅成像亮度减少、辨别力下降,并且全息图不怕油污和擦伤。
Ø信息容量大。
Ø光学系统简朴,原则上不必透镜成像。
3.1全息术及其基本原理
①全息图记录
▪设参照光波为
▪由于参照光波是平面波,
则振幅恒定,位相随y值变,
以O点为参照,任一点
P(x,y)位相将比入射到
O点光波位相延迟了
令则有
物光波再现
▪如果解决过全息干版透过率和曝光光强成线性关系,则其透过率为
③全息术对光源规定
▪由全息术原理懂得,全息图记录和再现依赖于光干涉和衍射效应。
因而,全息术对所用光源规定不但同普通照相同样具备能使底片得以曝光光能输出,并且应具备为满足光束干涉和衍射所必要时间相干性和空间相干性——普通选取激光器
④全息底片规定
▪全息底片普通采用在玻璃板基片上涂敷一层光敏卤化物膜层(俗称照相乳胶)制成全息干板。
对全息底片重要规定是辨别力。
普通干涉条纹密度是800lp/mm。
因而,全息底片辨别力规定是很高,普通底片不能满足规定
激光干涉测试技术应用
4.1激光干涉测试技术在地学中应用
在地球科学中对地壳应变测量是其中一种非常重要环节,它能精准地测量出地壳受太阳或月亮作用而形成固体潮应变,这样应变普通都相应着非常小相对位移量(亚纳米级),伸缩仪就是针对这样应用。
它重要用于硐体应变固体潮及地震前兆地应变监测,同步也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等应变测量。
地应变测量是测量地壳表面两点间基线长度相对变化量。
英国RENISHAW公司最新推出XL-80激光干涉仪系统,具备1nm辨别率、0~80m线性测量长度范畴。
这一系统可以达到
相对精度,其精度同伸缩仪相称。
并且同伸缩仪相比,激光干涉仪有着可以溯源这样一种巨大优势。
因而,运用激光干涉仪系统进行地壳应变测量已成为地学科研重点。
同样,激光干涉仪还被运用到绝对重力仪中。
绝对重力测量就是直接测量其重力加速度。
绝对重力仪运用自由落体原理,采用上抛下落或直接下落方式,结合迈克尔逊激光干涉条纹原理,激光记录每个时刻自由落体位移和速度,通过位移和速度精准测定计算重力加速度。
仪器重要部件是激光干涉仪,用于跟踪自由下落三棱反射镜运动。
绝对重力测量是以测量加速度距离和时间这两个基本量作为基本来观测传感器件在重力场中自由运动。
当前绝对重力仪辨别率已达到1⨯10-9ms
,系统重复性5.0⨯10-8ms
,精确度5.0⨯10-8ms
。
同步,日本有报道,运用超高敏捷度激光干涉仪实现测量重力波筹划,这将是激光干涉技术在地学中一种重大应用突破。
应用双频激光干涉仪可以标定数字水准仪精度。
以往采用办法是用野外观测办法,即通过来回闭合差、高差闭合差或与己知高程点成果进行比较来评估仪器精度。
这种办法野外工作量大,精度受到外界和观测者以及已知点成果精度等影响,不能较客观地评估仪器自身精度,也不适合于对仪器检测。
而使用双频激光干涉仪与一种标尺,可以达到不不大于3μm测量精度:
将条码尺置于竖直导轨上,在其尺底端安顿双频激光干涉仪反射棱镜用45°直角棱镜将激光束转向。
水准尺上下移动通过转向后,将其位移量直接反映到双频激光干涉仪上,从而实现对数字水准仪标定。
4.2激光在位移传感器中应用
运用激光干涉仪对位移传感器检定成为发展趋势,其特点是测量精度高、反映速度快、易于数字化测量。
在测量中设计一种精密导轨,将反射镜同被测传感器放在一起同步检测,从而形成对比。
位移传感器自动检定系统与HP干涉仪(原则)对定长位移进行测试对比,得出往复测试实验成果。
实验环境:
室温18℃;相对湿度:
52%RH;气压:
754mmHg。
给出位移检定系统读数与激光干涉仪读数,其差值不大于±2.0μm,这一误差完全满足预期研究指标规定(不不不大于±2.5μm)。
4.3激光在数控机床检定中应用
激光干涉仪可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等在线位置测量、误差修正和控制。
双频激光干涉仪最大特点是在具备强大排除干扰能力状况下还具备非常高精度,其辨别率可以达到纳米级,从而可以大大提高制造领域制造精度。
双频激光干涉仪与不同光学附件结合,可以测量距离、直线度、垂直度、平行度、平面度。
由于仪器为模块化构造,安装位置灵活,便于分析机床误差来源;并且测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据,更接近机床实际使用状态。
与老式检定办法相比,激光干涉仪具备较高精度和效率,并能及时解决数据,为机床误差修正提供根据。
位置精度是机床重要指标,当前各国机床检定原则中都推荐使用激光干涉仪。
因而,用双频激光干涉仪检测机床各项误差是一种用老式测量手段难以实现技术。
4.4激光在光学检测中应用
运用干涉仪可检查球面光学元件:
检测时不需要补偿器,需调节干涉仪使会聚透镜焦点和球面反射镜球心重叠;如果反射镜是完好,当准直光通过会聚透镜到达反射镜时,光波与被测反射镜面相吻合,这样光线原路返回,在通过会聚透镜后,又是准直光,当它与参照准直光干涉时,就得到无条纹或等间距直条纹抱负干涉图。
运用干涉仪还可测量非球面或非球面顶点曲率半径,都是运用自准直法,但要使参照光波与测试光波相干,并得到所需干涉条纹,需要通过轴向移动和横向倾斜被测非球面,精准调节出射波面经被测非球面后能原路返回,从干涉条纹形状来判断。
4.5激光干涉在科研方面应用
美国NIST研制分子测量机,被测样板最大尺寸是50×50×25(mm),垂直测量范畴是100um,用AFM或STM作测头,三维量位置精度用在真空中激光干涉仪保证,它是用于研究和测量原子标尺和微电子尺寸参数原则基本性仪器。
英国国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间几何与物理间互相作用进行了详尽研究,绘制了各种纳米测量仪器测量范畴理论框架,研制微形貌纳米测量仪器测量范畴为0.01nm~3nm和0.3~100nm。
日本国家计量研究所(NRLM)研制了由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统构成新型干涉仪,该所已开始研究某些基本常数精密测量加硅晶格间距等问题。
Warwick大学Chetwynd博士运用X光干涉仪对长度原则用波长进行细分研究,她运用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形,从干涉仪中提取干涉条纹与硅晶格有相等间距,该间距接近0.2nm,她依此作为校正精密位移传感器一种亚纳米尺度。
清华大学、南昌大学、江西省科学院等采用扫描探针显微镜系列,如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,对高精度纳米和亚纳米量级光学超光滑表面粗糙度和微轮廓进行测量研究。
天津大学刘安伟等在量子隧道效应基本上,建立了合用于平坦表面扫描隧道显微镜微轮廓测量数学模型,仿真成果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓测量过程。
清华大学李达到等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度激光外差干涉仪,该仪器以稳频半导体激光器作为光源,共光路设计提高了抗外界环境干扰能力,其纵向和横向辨别率分别为0.39nm和0.73μm。
中华人民共和国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等,提出了一种通过测量双法布里—柏罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔办法,进行纳米测量理论基本,给出了检测扫描探针振幅变化新办法。
中华人民共和国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测原子力显微镜,通过对云母、光栅、光盘等样品观测,证明该仪器达到原子辨别率,最大扫描范畴可达7μm×7μm。
浙江大学卓永模等研制成功双焦干涉球面微观轮廓仪,解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级非接触精密测量问题,该系统具备0.1nm纵向辨别率及不大于2um横向辨别率。
中华人民共和国计量科学研究院研制了用于研究各种微位移测量办法原则高精度微位移差拍激光干涉仪。
中华人民共和国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范畴纳米测量差拍法——珀干涉仪,其辨别率为0.3nm,测量范畴士1.1μm,总不拟定度优于3.5nm。
5应用前景
这里仅从已经显现出来趋势加以预测。
1)光源:
除了可见光,此后,微波、红外、紫外、X射线都会得到应用,以适应绝对距离测量、纳米测量需要。
半导体激光器性能将得到不断改进,取代某些气体激光应用领域,甚至有更新光学(如光子晶体器件)浮现。
2)探测器:
光频在
数量级,为测量信号提供了充分带宽,这对于通信也是可喜。
但是,当前探测器相应频率只达到
Hz量级,光频长处不能被充分发挥。
因而,必然有很大投入来提高探测器相应频率。
一旦探测器频率得到明显提高,用时间和光速直接表达距离将会十分简便,干涉仪构造和性能必能随之变化。
3)信号解决系统:
在适应环境、消除噪声、误差修正解决、测量数据速度和可靠性等方面有明显提高。
前述设计原则会被更广泛和自觉地应用。
4)光学系统:
光学系统集成和小型化将会有明显进展、波导、光纤、二元光学器件、半导体激光器、非线性光学器件等集成将得到应用
参照文献
1.《光学技术》期刊简介 c:
\iknow\docshare\data\cur_work\-ref_1?
ch=ch.bk.refer
2,《光学学报》JinGuofan,LiJingzhen.LaserMetrology.Beijing:
SciencePress,1998.162~165(inChinese)
金国藩,李景镇.激光测量学.北京:
科学出版社,1998.162~165
3.《光学与光电技术》华中光电技术研究所;湖北省光学学会
4.《应用光学》中华人民共和国兵工学会主办期刊
5《光学精密工程》主编:
曹健林ISSN:
1004-924X;CN:
22-1198/TH出版周期:
月刊
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- 关 键 词:
- 激光 干涉 测试 关键技术