概要干涉測(cè)量是以光波干涉原理為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一門(mén)技術(shù)。干涉測(cè)量技術(shù)大都是非接觸測(cè)量，具有很高的測(cè)量靈敏度和精度。干涉測(cè)量應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于位移、長(zhǎng)度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化、振動(dòng)等方面的測(cè)量。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、菲索干涉儀、塞曼-格林干涉儀、雙頻激光干涉儀、光纖干涉儀、掃描隧道顯微鏡（82年），原子力顯微鏡（86年），從此開(kāi)始了納米級(jí)干涉測(cè)量的時(shí)代——諾貝爾獎(jiǎng)（BinningandRohrer）為使兩列光波疊加后產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，這兩列光波必須滿足三個(gè)基本相干條件：頻率相同，振動(dòng)方向相同和恒定的位相差。1目前一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)概要顯然，為發(fā)生干涉現(xiàn)象，必須利用同一發(fā)光原子發(fā)出的同一波列分割出來(lái)的兩束光波。原子不同時(shí)刻發(fā)出的兩列波，位相差無(wú)規(guī)則且頻繁變化不會(huì)產(chǎn)生干涉。兩列光波發(fā)生干涉的最大光程差等于光波的波列長(zhǎng)度，激光波列長(zhǎng)度比普通光源長(zhǎng)很多（幾十公里）。在干涉測(cè)量中，干涉儀以干涉條紋來(lái)反映被測(cè)件的信息。干涉儀將光分成兩路或多路，干涉條紋是兩路光程差相同點(diǎn)聯(lián)成的軌跡，而光程差?是干涉儀兩支光路光程之差，可用下式表示：1ni,nj分別為干涉儀兩支路的介質(zhì)折射率；li,lj分別為干涉儀兩支路的幾何路程差。若把被測(cè)件放入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差將隨著被測(cè)件的位置與形狀而變，干涉條紋隨之變化，測(cè)出條紋的變化，便可獲得與l或n有關(guān)的各種信息。目前二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)第2章激光干涉測(cè)量技術(shù)13254概要激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移激光全息干涉測(cè)量技術(shù)激光外差干涉測(cè)量技術(shù)激光移相干涉測(cè)量技術(shù)6激光散斑干涉測(cè)量技術(shù)7激光光纖干涉測(cè)量技術(shù)8激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)目前三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉儀是一種所謂“增量法”測(cè)長(zhǎng)的儀器，它是把目標(biāo)反射鏡與被測(cè)對(duì)象固聯(lián)，參考反射鏡固定不動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩路光束的光程差發(fā)生變化，干涉條紋將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測(cè)器接收某一條紋，當(dāng)被測(cè)對(duì)象移動(dòng)一定距離時(shí)，該條紋明暗交替變化一次，光電探測(cè)器輸出信號(hào)將變化一個(gè)周期，記錄信號(hào)變化的周期數(shù)，便確定了被測(cè)長(zhǎng)度。以邁克爾遜干涉儀為例。目前四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。設(shè)在測(cè)量開(kāi)始時(shí)，一束激光經(jīng)過(guò)分光器B分成兩束，它們經(jīng)參考反射鏡M1和目標(biāo)反射鏡M2后沿原路返回，并在分光點(diǎn)O處重新相遇，兩束光的光程差為：?1=2n(Lm-Lc)式中，n為空氣折射率；Lm為目標(biāo)反射鏡M2到分光點(diǎn)O的距離；Lc為參考反射鏡M1到分光點(diǎn)O的距離。目前五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。測(cè)量結(jié)束時(shí)，目標(biāo)反射鏡M2移過(guò)被測(cè)長(zhǎng)度L后，處于M2’的位置。此時(shí)兩光束的光程差為：

?2=2n(Lm+L-Lc)=2nL+?1在測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束這段時(shí)間里，光程差的變化量d?=?2-?1=2nL光程差每變化一個(gè)波長(zhǎng)，干涉條紋就明暗交替變化一次，則測(cè)量過(guò)程中與d?相對(duì)應(yīng)的干涉條紋變化次數(shù)為：K=d?/λ0=2nL/λ0目前六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理以邁克爾遜干涉儀為例，如圖2.1所示。測(cè)得干涉條紋的變化次數(shù)K之后，即可由上式求得被測(cè)長(zhǎng)度L。在實(shí)際測(cè)量中，采用干涉條紋計(jì)數(shù)法，測(cè)量開(kāi)始時(shí)使計(jì)數(shù)器置零，測(cè)量結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器的示值即為與被測(cè)長(zhǎng)度L相對(duì)應(yīng)的條紋數(shù)K。L=Kλ/2，式中，λ=λ0/n，是激光光波在空氣中的波長(zhǎng)。目前七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成一個(gè)完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計(jì)數(shù)和處理測(cè)量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)。(一)干涉儀光路系統(tǒng)干涉儀光路系統(tǒng)主要包括光源、分束器和反射器。(1)激光干涉儀常用的光源因?yàn)镠e-Ne激光器輸出激光的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)激勵(lì)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的激光譜線。所以，He-Ne激光器特別適合于作相干光源。目前八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法a.分波陣面：激光器發(fā)出的光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，得到一平面光波的波陣面。利用有微小夾角的兩反射鏡M1和M2（菲涅耳雙面鏡）的反射，將光波的波陣面分為兩部分，然后使二者在屏幕P處相遇，在屏上出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如圖2.2（a）所示。目前九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法b.分振幅法：把一束光分成兩束以上的光束，它們?nèi)哂性瓉?lái)波的波前，但振幅變小了，如邁克耳遜干涉儀。常用的分光器有：平行平板分光器和立方體分光器，如圖2.2（b）所示。其中，立方體分光器上可以蒸鍍或膠合干涉儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，它易與系統(tǒng)的機(jī)座牢固連接。目前十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(2)激光干涉儀常用的分光方法a.分波陣面法；b.分振幅法；c.分偏振法。c.分偏振法：在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器，它由一對(duì)玻璃棱鏡相膠合而成，在其中一塊棱鏡的膠合面上交替蒸鍍氟化鎂和硫化鋅鍍層。入射光以布儒斯特角進(jìn)入介質(zhì)層，經(jīng)多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量的透射光。偏振分光器也可以由晶軸正交的偏光棱鏡組成，如渥拉斯頓棱鏡，如圖2.2（c）所示。目前十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器a.平面反射鏡；b.角錐棱鏡反射器；c.直角棱鏡反射器；d.“貓眼”反射器。平面反射鏡：平面反射鏡對(duì)偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差。在采用多次反射以提高測(cè)量精度的系統(tǒng)或者長(zhǎng)光程干涉儀中，此項(xiàng)誤差不可忽略。角錐棱鏡反射器。如右圖所示。

角錐棱鏡反射器具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差，是干涉儀中常用的器件。目前十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器a.平面反射鏡；b.角錐棱鏡反射器；c.直角棱鏡反射器；d.“貓眼”反射器。c.直角棱鏡反射器

如右圖所示，直角棱鏡反射器的三個(gè)角分別為45o、45o、90o，光入射在斜面上。它只有兩個(gè)反射面，加工起來(lái)比較容易。對(duì)于垂直入射面的平面偏振光不受干擾。目前十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(3)激光干涉儀常用的反射器d.“貓眼”反射器

如右圖所示，“貓眼”反射器由一個(gè)透鏡L和一個(gè)凹面反射鏡M組成。反射鏡放在透鏡的主焦點(diǎn)上，從左邊來(lái)的入射光束聚焦在反射鏡上，反射鏡又把光束反射到透鏡，并沿與入射光平行的方向射出，這個(gè)作用于反射鏡的曲率無(wú)關(guān)。若反射鏡的曲率中心C’和透鏡的中心C重合，那么當(dāng)透鏡和反射鏡一起繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光程保持不變?！柏堁邸狈瓷淦鞯膬?yōu)點(diǎn)是容易加工和不影響偏振光的傳輸。在光程不長(zhǎng)的情況下也可考慮用平面反射鏡代替凹面反射鏡，這樣更容易加工和調(diào)整。目前十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)遵循“共路原則”，即測(cè)量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件變化對(duì)兩條光路影響不一致而引起測(cè)量誤差。同時(shí)，根據(jù)不同應(yīng)用需要，要考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學(xué)倍頻布局零初始光程差的結(jié)構(gòu)布局目前十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器這是一種常用的光路布局，如左圖所示。優(yōu)點(diǎn)：角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，所以，這種光路可避免反射光束返回激光器。激光器是一個(gè)光學(xué)諧振腔，若有光束返回激光器將引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定。同時(shí)，角錐棱鏡具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除測(cè)量鏡偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而且加工精度要求高。故常采用一個(gè)作為可動(dòng)反射鏡，參考光路中用平面反射鏡作固定反射鏡，使用一個(gè)角錐棱鏡作可動(dòng)反射鏡。還可采用其他幾種光路，如目前十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器鏡M1和M3上都鍍有半反半透膜，M1用作分光器，參考光束經(jīng)M1反射后在鏡M3上與測(cè)量光束疊加，產(chǎn)生干涉。M1和M3還能做成一體。如左圖。目前十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——a.使用角錐棱鏡反射器只用一個(gè)角錐棱鏡反射器作動(dòng)鏡還可以組成圖2.4（d）所示的雙光束干涉儀，它也是一種較理想的光路布局，基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。目前十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)遵循“共路原則”，即測(cè)量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件變化對(duì)兩條光路影響不一致而引起測(cè)量誤差。同時(shí)，根據(jù)不同應(yīng)用需要，要考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學(xué)倍頻布局零初始光程差的結(jié)構(gòu)布局目前十九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——b.整體式布局這是一種將多個(gè)光學(xué)元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一組合結(jié)構(gòu)的布局。如圖2.5所示，采用立方體分光器，反射器蒸鍍?cè)谒厦婧蛡?cè)面。優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外界的抗干擾性較好，抗動(dòng)鏡多余自由度能力強(qiáng)，測(cè)量靈敏度提高一倍。缺點(diǎn)：這種布局調(diào)整不方便，光強(qiáng)吸收較嚴(yán)重。目前二十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)遵循“共路原則”，即測(cè)量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件變化對(duì)兩條光路影響不一致而引起測(cè)量誤差。同時(shí)，根據(jù)不同應(yīng)用需要，要考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學(xué)倍頻布局零初始光程差的結(jié)構(gòu)布局目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——c.光學(xué)倍頻布局為提高干涉儀的靈敏度，可使用光學(xué)倍頻（也稱光程差放大器）的棱鏡系統(tǒng)，如圖2.6所示。角錐棱鏡M1每移動(dòng)λ/2k，干涉條紋便發(fā)生一次明暗交替變化，k為倍頻系數(shù)，圖中k=6。利用光學(xué)倍頻的干涉系統(tǒng)能用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)做精密測(cè)量，而無(wú)需進(jìn)行條紋細(xì)分。這種技術(shù)還可使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，減小溫度、空氣及機(jī)械干擾的影響。目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局在激光干涉儀光路設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)遵循“共路原則”，即測(cè)量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件變化對(duì)兩條光路影響不一致而引起測(cè)量誤差。同時(shí)，根據(jù)不同應(yīng)用需要，要考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素。下面介紹幾種從不同角度

考慮的典型光路布局。使用角錐棱鏡反射器整體式布局光學(xué)倍頻布局零初始光程差的結(jié)構(gòu)布局目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(一)干涉儀光路系統(tǒng)(4)典型的光路布局——d.零初始光程差的結(jié)構(gòu)布局在干涉儀中，為使初始光程差不隨環(huán)境條件的變化而變化，常采用參考臂Lc和測(cè)量臂Lm相等，并使兩臂布置在儀器同一側(cè)的結(jié)構(gòu)形式。此時(shí)，干涉儀的初始光程差Lm-Lc=0，即所謂的零光程差結(jié)構(gòu)形式，如圖2.7所示。這種結(jié)構(gòu)布局可以提高干涉儀的測(cè)量精度。目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成一個(gè)完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計(jì)數(shù)和處理測(cè)量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)。(二)干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)干涉處理系統(tǒng)主要包括：移相器、干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理。(1)移相器激光干涉儀采用光電子計(jì)數(shù)時(shí)，為了判別可動(dòng)目標(biāo)反射鏡的前進(jìn)和后退，儀器必須能夠進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。另外，為了提高儀器分辨力，還要對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。為達(dá)到這些目的，干涉儀必須有兩個(gè)位相差為90o的電信號(hào)輸出，一個(gè)按光程的正弦變化，一個(gè)按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移項(xiàng)方法有以下幾種：(a)機(jī)械法移相；(b)階梯板和翼形板移相；(c)金屬膜移相;(d)分偏振法移相。目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成一個(gè)完整的激光干涉儀主要組成部分有：激光干涉儀光路系統(tǒng)、干涉條紋計(jì)數(shù)和處理測(cè)量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)。(二)干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)干涉處理系統(tǒng)主要包括：移相器、干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理。(1)移相器激光干涉儀采用光電子計(jì)數(shù)時(shí)，為了判別可動(dòng)目標(biāo)反射鏡的前進(jìn)和后退，儀器必須能夠進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。另外，為了提高儀器分辨力，還要對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。為達(dá)到這些目的，干涉儀必須有兩個(gè)位相差為90o的電信號(hào)輸出，一個(gè)按光程的正弦變化，一個(gè)按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移項(xiàng)方法有以下幾種：(a)機(jī)械法移相；(b)階梯板和翼形板移相；(c)金屬膜移相;(d)分偏振法移相。目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——a.機(jī)械法移相產(chǎn)生90o相移信號(hào)的最簡(jiǎn)單方法是傾斜參考鏡M1，如圖2.8所示。當(dāng)參考鏡傾斜6“，條紋間隔為10mm，調(diào)節(jié)兩光電接收器D1和D2為條紋中心距離的1/4，便可獲得相移90o的兩個(gè)輸出信號(hào)，如圖2.8(b)所示。這種方法容易因反射鏡的稍微失調(diào)而改變條紋間隔，使輸出信號(hào)的位相關(guān)系發(fā)生變化，引起錯(cuò)誤。另外，這種移相方法屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——b.階梯板和翼形板移相圖2.9所示是階梯板移相光路圖。在反射鏡M1的半邊蒸鍍一層厚度為d的透明介質(zhì)，使其造成λ/8的階梯，使光束的左右兩半邊產(chǎn)生λ/4的初始差。當(dāng)兩光電接收器D1和D2同時(shí)對(duì)準(zhǔn)狹縫中心時(shí)，便能獲得相移為π/2的信號(hào)輸出。目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——b.階梯板和翼形板移相翼形板移相的原理與階梯板移相相同，常安放在參考光束一側(cè)。翼形板由一塊加工十分精密的平行玻璃板截成兩塊，在它們的一端磨出所需的傾角θ/2，然后按照?qǐng)D2.10所示膠合成翼形板。采用階梯板或翼形板移相同樣容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——c.金屬膜移相利用金屬膜表面反射和透射時(shí)產(chǎn)生附加相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器，如圖2.11所示。它的移相程度取決于鍍層的厚度及其組成。鋁膜可以移相70o～90o，金銀合金膜的穩(wěn)定性比鋁膜好。在圖2.11中，光路2中產(chǎn)生干涉的兩束光均經(jīng)過(guò)金屬移相膜的一次透射和一次反射，光電接收器接收的是位相相同的兩束激光所形成的干涉條紋。目前三十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——c.金屬膜移相而在光路1中產(chǎn)生干涉的兩束光，一束是經(jīng)過(guò)金屬移相膜的兩次反射，另一路則經(jīng)過(guò)兩次透射。若金屬移相膜使反射光束和透射光束產(chǎn)生45o位相差，則光電接收器接收的是位相差為90o兩束光的干涉信號(hào)。這樣，兩個(gè)光電接收器接收的信號(hào)位相差為90o。這種移相方法的優(yōu)點(diǎn)是兩光束受振動(dòng)和大氣擾動(dòng)的影響相同，元件少，結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點(diǎn)是兩相干光束的光強(qiáng)不同，影響條紋對(duì)比度，改善辦法是在光束強(qiáng)的反射器前放一塊吸收濾光片，使兩束光強(qiáng)度接近一致以提高對(duì)比度。目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(1)移相器——d.分偏振法移相圖2.12是分偏振法移相的光路圖。輸入光束是與垂直入射面成45o角的平面偏振光，由分光器和活動(dòng)反射器發(fā)射后，信號(hào)光束的輸出還是45o的平面偏振光，因此，它的垂直和水平分量位相相同。在參考光路中加入1/4波片，使參考光變成圓偏振光，它的垂直和水平分量相差為90o.光束會(huì)合后用一個(gè)渥拉斯頓棱鏡使垂直分量和水平分量分開(kāi)，給出兩個(gè)干涉條紋，它們的位相差為90o。目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理干涉儀在實(shí)際測(cè)量位移時(shí)，由于測(cè)量反射鏡在測(cè)量過(guò)程中，可能需要正、反兩方向的移動(dòng)，或由于外界振動(dòng)、導(dǎo)軌誤差等干擾，使反射鏡在正向移動(dòng)中，偶然有反向移動(dòng)，所以，干涉儀中需設(shè)計(jì)方向判別部分，將計(jì)數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖，當(dāng)測(cè)量鏡正向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖，而反向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。將這兩種脈沖送入可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行可逆計(jì)算就可以獲得真正的位移值。如果測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有判向能力，光電接收器接收的信號(hào)是測(cè)量鏡正、反兩方向移動(dòng)的總和，并不代表真正的位移值。目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理(1)通過(guò)移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強(qiáng)信號(hào)，該信號(hào)由兩個(gè)光電探測(cè)器接收，便可獲得與干涉信號(hào)相對(duì)應(yīng)的兩路相差π/2的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理(2)經(jīng)放大、整形、倒向及微分等處理，可以獲得四個(gè)相位依次相差π/2的脈沖信號(hào)。目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉儀組成——(二)條紋計(jì)數(shù)與結(jié)果處理系統(tǒng)(2)干涉條紋計(jì)數(shù)及判向原理(3)若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動(dòng)時(shí)定為：1、3、2、4;反向位移時(shí)的相位的排列次序定為：1、4、2、3,由此，在后面的邏輯電路便可根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4，判斷脈沖的方向，并送入加脈沖的“門(mén)”或減脈沖的“門(mén)”，這樣便實(shí)現(xiàn)了判向的目的。(4)經(jīng)判向電路后，將一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成四個(gè)脈沖輸出信號(hào)，使一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表了1/4干涉條紋的變化，即表示目標(biāo)鏡的移動(dòng)距離為λ/8，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋的四倍頻計(jì)數(shù)，相應(yīng)的測(cè)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)=K·λ/8。目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2干涉條紋對(duì)比度干涉測(cè)量是將被測(cè)量引起的光的相位變化轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)化為干涉信號(hào)光強(qiáng)的變化，由光電接收器探測(cè)出這種光強(qiáng)變化，從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。所以，獲得高質(zhì)量的干涉信號(hào)時(shí)保證測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度的必要條件。干涉條紋對(duì)比度是反映干涉信號(hào)的重要指標(biāo)，用M來(lái)表示：表達(dá)式為：式中，Imax和Imin分別表示干涉信號(hào)的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)。對(duì)比度M的值在0~1之間變化，當(dāng)M=1時(shí)，干涉條紋質(zhì)量最好，當(dāng)M=0時(shí)，沒(méi)有干涉條紋。實(shí)際干涉儀中，干涉條紋的對(duì)比度都小于1。影響干涉條紋的因素很多，主要有：光源相干性、兩相干光束之間的光強(qiáng)差異及不同的偏振態(tài)、外界的漫射光以及機(jī)械系統(tǒng)的熱變形等。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)設(shè)法減小或消除這些方面的干擾。目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用1、激光比長(zhǎng)儀激光比長(zhǎng)儀采用激光器作光源，通過(guò)光波干涉比長(zhǎng)的方法來(lái)檢定基準(zhǔn)米尺，即通過(guò)激光干涉儀實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)米尺和光波波長(zhǎng)比較。由于激光波長(zhǎng)具有高度的穩(wěn)定性，其復(fù)現(xiàn)精度可達(dá)±5x10-8以上，所以可用激光波長(zhǎng)作長(zhǎng)度基準(zhǔn)。同時(shí)，激光干涉儀的輸出信號(hào)易于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣就提供了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)測(cè)量的可能性，從根本上解決了檢定基準(zhǔn)米尺的精度與效率的問(wèn)題。激光比長(zhǎng)儀工作原理如下圖所示。目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用1、激光比長(zhǎng)儀目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用1、激光跟蹤干涉儀激光比長(zhǎng)儀工作原理敘述如下：He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)平行光管2后將光束變?yōu)楣獍咧睆竭_(dá)φ50mm的平行光，經(jīng)反射鏡3和分光鏡4后將光束分為兩路。一路光透過(guò)分光鏡經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6，另一路光由反射器反射至可動(dòng)角錐棱鏡7。分光鏡4至固定角錐棱鏡6為一固定的光程，分光器4至可動(dòng)角錐棱鏡7為一隨工作臺(tái)11移動(dòng)而改變的光程，兩者的光程差為激光半波長(zhǎng)偶數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋，奇數(shù)時(shí)出現(xiàn)暗條紋。所以工作臺(tái)11連續(xù)移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生亮暗交替變化的條紋。移相板8將干涉條紋分成兩組，此兩組干涉條紋的位相差為90o。分像棱鏡組9將兩組相位為90o的干涉條紋分別引入兩個(gè)光電探測(cè)器12，光電探測(cè)器將亮暗交替變化的光信號(hào)變?yōu)閮陕废嗖顬?0o的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路13實(shí)現(xiàn)倍頻處理傳遞給計(jì)算機(jī)14。裝在橫梁上的雙管差動(dòng)式動(dòng)態(tài)光電顯微鏡10作瞄準(zhǔn)被檢測(cè)尺上的刻線用。當(dāng)工作臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，即基準(zhǔn)尺的刻線通過(guò)光電顯微鏡的兩個(gè)狹縫時(shí)，刻線影像被光電探測(cè)器15接收，轉(zhuǎn)換成電脈沖?？諝庹凵渎视烧凵渎矢缮鎯x測(cè)出，溫度由鉑電阻測(cè)出。目前四十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用2、激光跟蹤干涉儀左圖所示為API公司生產(chǎn)的激光跟蹤干涉儀的光路圖。使用He-Ne激光器作光源，采用邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)。干涉儀中的測(cè)量光束經(jīng)掃描反射向目標(biāo)鏡，然后沿原路返回，經(jīng)掃描反射鏡后，用一分光鏡把它分成兩部分，一部分直接進(jìn)入干涉儀，和干涉儀中的參考光束干涉，用于測(cè)量目標(biāo)鏡的移動(dòng)位移。另一束光用二維位置探測(cè)器PSD來(lái)接收，PSD的輸出信號(hào)反饋到掃描鏡控制系統(tǒng)中，控制掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng)目標(biāo)鏡在空間任意位置移動(dòng)時(shí)，使測(cè)量光束始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)鏡，達(dá)到跟蹤測(cè)量位移的目的。干涉儀的水平位移測(cè)量半徑為25m,測(cè)量?jī)A斜角為±45o，目標(biāo)鏡最大移動(dòng)速度為2m/s，測(cè)量分辨力為0.1μm。目前四十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用3、激光小角度干涉儀激光小角度干涉儀是利用激光干涉測(cè)位移和三角正弦原理來(lái)測(cè)量角度的儀器。左圖是激光小角度干涉儀測(cè)角原理圖。激光器1發(fā)出的激光光束經(jīng)分光鏡3分成兩路，一路沿光路a射向測(cè)量棱鏡2，一路沿光路b射向參考鏡4。當(dāng)棱鏡在位置I時(shí)，沿光路a前進(jìn)的光束經(jīng)角錐棱鏡反向后，沿光路c射向反射鏡5，并沿原路返回至分光鏡，與從b路返回的參考光束會(huì)和而產(chǎn)生干涉。當(dāng)棱鏡移動(dòng)到位置II后，沿光路a前進(jìn)的光束由于棱鏡II及平面反射鏡的作用，使它們?nèi)园丛贩祷兀划a(chǎn)生光點(diǎn)移動(dòng)，從而干涉圖形相對(duì)接收元件的位置保持不變。根據(jù)干涉測(cè)位移原理可以測(cè)出角錐棱鏡在位置I和位置II的位移H，若已知棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R，便可根據(jù)三角正弦關(guān)系求出被測(cè)角α。目前四十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)的應(yīng)用3、激光小角度干涉儀位移為：H=Kλ/4，α=arcsinH/R，式中，R為棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。在實(shí)際應(yīng)用中為消除偏心和軸系晃動(dòng)等誤差，并提高靈敏度，可以在對(duì)稱直徑位置上布置兩個(gè)角錐棱鏡，干涉儀測(cè)角原理如左圖所示，在這種情況下，干涉儀經(jīng)過(guò)兩次光倍頻，使得每一條干涉條紋相應(yīng)的光程差為λ/8。若可逆計(jì)數(shù)器采用四倍頻，則每計(jì)一個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為λ/32，則H=Kλ/32。再根據(jù)上述公式計(jì)算得出α角。目前四十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十五點(diǎn)激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移2激光干涉測(cè)長(zhǎng)