激光干涉测量技术
激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
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我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
4
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
3
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
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基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
激光干涉测量技术的应用与发展
激光干涉测量技术的应用与发展激光干涉测量技术是一种利用两束或多束激光干涉的方法来获得被测量物件的形状、尺寸、形变、表面粗糙度等参数的非接触式测量技术。
因其具有精度高、速度快、非接触、非损伤等优点，近年来被广泛应用于各个领域，如空间结构、微加工、医学、汽车制造、半导体加工、航空航天等。
本文将重点探讨激光干涉测量技术的应用和发展。
一、应用领域1.空间结构测量激光干涉测量技术可以通过在空间结构表面扫描多个测量点来获取结构的形状和姿态等信息，用于结构的定位、配合和校正。
例如，在卫星发射前，需要准确测量各个部件的尺寸和相对位置，确保卫星能够正确地组装在一起。
2.微加工测量在微加工过程中，激光干涉测量技术可以测量微米级别的形变和表面质量，用于控制产品质量和优化加工过程。
例如，在制造微纳米光学器件时，需要测量器件的形变和表面质量，以确保其性能优异。
3.医学应用激光干涉测量技术可以应用于医学领域，用于测量人体器官和组织的形状和尺寸等参数。
例如，在牙齿修复中，激光干涉测量可以帮助医生准确测量牙齿的大小和形状，制作出合适的假牙。
4.汽车制造在汽车制造领域，激光干涉测量技术可以用于检测车身结构的尺寸和形状是否符合设计要求，以及车身表面的平整度和几何精度。
例如，在汽车制造中，需要使用激光干涉测量技术来检测车门、车窗的尺寸和形状是否正确，以确保车门、车窗能够完全密合。
5.半导体加工在半导体制造过程中，激光干涉测量技术可以用于测量芯片表面的平整度和精度，以及芯片上电路元器件的尺寸和形状等参数。
例如，在制造集成电路时，需要使用激光干涉测量技术来确保芯片表面的平整度和精度符合要求，以确保芯片的电子性能。
二、技术发展近年来，随着激光技术和计算机技术的发展，激光干涉测量技术也取得了一系列的进展。
1.高频率测量高频率测量是近年来激光干涉测量技术的一个新发展方向。
高频率测量可以在非常短的时间内获得目标结构的形状和位移信息，适用于快速运动或频繁变化的物体测量。
激光干涉测量技术
式中，λ0为激光光波中心波长
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测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测 长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始 时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长 度L相对应的条纹数K。可把上式改写为
式中， λ=λ0／n， λ是激光光波在空气中的波长。
激光干涉测长仪的主要结构
18光强接近一致以提高对比度。
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金属膜移相光路图
机械法移相原理图
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(4)分偏振法移相 右图是分 偏振法移相的光路图。输入光 束是与垂直入射面成45◦角的 平面偏振光，由分光器和活动 反射器反射后，信号光束的输 出还是45◦的平面偏振光，因 此，它的垂直和水平分量位相 相同。在参考光路中加入1/4 波片后使参考光变成圆偏振光， 它的垂直和水平分量位相差为 90◦光束会合后用一个渥拉斯 顿棱镜使垂直分量和水平分量 分开，给出两个干涉条纹，它 们的位相差为90◦
• 激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器， 输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性， 对激光器要采取稳频措施；
• 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） • 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测
物体一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的 干涉条纹移动； • 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； • 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的 干涉条纹移动的个数或与之对应的长度；
1.立方体分光器;2.移动反射镜
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(3)光学倍频布局 为提高干涉仪的灵敏度，可使用光学倍频 (也称光程差放大器)的棱镜系统，如下图所示。角锥棱镜Ml每移 动kλ/2干涉条纹便发生一次明暗交替变化，k为倍频系数，图中k ＝6。利用光学倍频的干涉系统能用简单的脉冲计数做精密测量， 而无需进行条纹细分，这种技术还可使干涉仪结构紧凑，减小 温度、空气及机械干扰的影响。
激光干涉仪测量方法
或 =∑
某一目标位置的反向偏差为 ，即
= ↑－ ↓
沿轴线或绕轴线的各目标位置的反
在某一目标位置的单向定位标准不确定度的估算值为 ↑ 或 ↓即
↑=
∑(
)
()
或
=
(
∑
)
(
)
某一目标位置的单向重复定位精度为 ↑或 ↓，即
↑ = 4 ↑或 ↓ = 4 ↓
( 3) 确定采集移动方式采集数据方式有两种:一种是线性循环
采集方法，另一种是线性多阶梯循环方法。GB17421 评定标准中采用 线性循环采集方法。测量移动方式: 采用沿着机床轴线快速移动，分 别对每个目标位置从正负两个方向上重复移动五次测量出每个目标 位置偏差，即运动部件达到实际位置减去目标位置之差。
（图2） ( 2) 确定测量目标位置根据GB17421 评定标准中规定，机床规 格小1 000mm 取不少于10 个测量目标位置，大于1 000mm 测量目标 位置点数适当增加，一般目标值取整数，但是我们建议在目标值整数 后面加上三位小数。主要考虑机床滚珠丝杠的导程及编码器的节距所 产生的周期误差，同时也考虑机床全程上各目标位置上得到充分地采 集。
沿轴线或绕轴线的任一位置 的重复定位精度的最大值。即
R↑ = max ［ ↑］，R↓ = max ［ ↓］
R = max ［ ］ 轴线单向定位精度A↑或A↓，即 A↑ = max ［ + 2 ↑］ － min ［ － 2 ↑］ 或 A↓ = max ［ ↓ + 2 ↓］ － min ［ ↓ － 2 ↓］ 轴线双向定位精度A，即 A = max ［ ↑ + 2 ↑; ↓ + 2 ↓］ － min［ ↑ － 2 ↑;
( 4) 评定方法采用双向计算方法进行评定机床的位置精度。目
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用一、引言机械振动测量是工程领域中非常重要的一项技术，其应用范围非常广泛。
在机械工程、航空航天、汽车工业等领域中，机械振动测量技术的应用可以帮助我们更好地了解物体的振动特性，从而为产品设计和生产提供更加精确的数据支持。
而在机械振动测量中，激光干涉技术是一种非常重要的技术手段。
二、什么是机械振动测量机械振动是指物体在受到外力作用时发生的周期性变形或运动。
而机械振动测量则是通过对物体进行观察和测试，来获取其振动特性和参数的过程。
通常情况下，我们使用加速度计、位移传感器等设备来进行机械振动测量。
三、什么是激光干涉技术激光干涉技术是一种基于光学原理的非接触式测量方法。
它通过将一束光分成两束，并使其沿着不同的路径传播，然后再将它们重新合并在一起，从而形成干涉条纹。
通过观察干涉条纹的变化，我们可以测量出物体的形变、位移等参数。
四、激光干涉技术在机械振动测量中的应用在机械振动测量中，激光干涉技术可以帮助我们更加精确地测量物体的振动特性和参数。
具体来说，它可以用于以下方面：1.测量物体的位移在机械振动中，物体的位移是一个非常重要的参数。
通过使用激光干涉技术，我们可以非常精确地测量出物体的位移，并对其进行分析和研究。
2.测量物体的振动频率和振动模态机械振动通常是以一定频率进行的。
通过使用激光干涉技术，我们可以精确地测量出物体的振动频率，并进一步确定其振动模态。
3.检验机械零部件的质量在机械制造过程中，零部件质量是一个非常重要的指标。
通过使用激光干涉技术，我们可以对零部件进行非接触式检验，并获取其质量信息。
4.分析机械结构的动态特性在机械设计过程中，分析机械结构的动态特性是非常重要的。
通过使用激光干涉技术，我们可以对机械结构进行动态分析，并获取其振动特性和参数。
五、激光干涉技术的测量原理在使用激光干涉技术进行测量时，通常需要借助一些设备来实现。
下面是激光干涉技术的测量原理：1.光源发出一束单色、相干、平行的光线。
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用一、激光干涉技术概述1.1 激光干涉技术简介激光干涉技术是一种基于激光干涉现象的测量技术，通过利用激光光束的干涉效应，可以实现对目标物体的形状、表面特征以及运动状态等参数的测量。
激光干涉技术具有高精度、非接触和实时性等优势，被广泛应用于机械振动测量领域。
1.2 机械振动测量的意义机械振动测量是研究和评估机械系统动态性能的重要手段。
通过对机械振动的测量和分析，可以了解机械系统的结构特性、工作状态以及可能存在的故障或缺陷。
因此，机械振动测量在机械设计、故障诊断和结构动力学研究等领域具有广泛的应用前景。
二、激光干涉技术测量原理2.1 光的干涉原理光的干涉是指两个或多个光波相互叠加时产生的明暗交替的干涉条纹。
干涉条纹的出现是由于光波的相位差引起的，根据相位差的不同，干涉条纹会呈现出不同的明暗程度。
2.2 激光干涉技术测量原理在机械振动测量中，通常使用Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪来实现激光干涉测量。
这些干涉仪利用激光光束的相干性和干涉效应来测量目标物体的振动情况。
激光干涉技术的基本原理是：将激光光束分成两束，分别射向目标物体和参考面，经过反射后再次汇合成一束光。
由于目标物体的振动，其表面会引起光程差的变化，从而产生干涉条纹。
通过对干涉条纹的分析和处理，可以得到目标物体的振动参数。
三、激光干涉技术的应用3.1 机械结构振动测试激光干涉技术可以用于对机械结构的振动进行测量。
通过将激光束射向机械结构表面，并利用干涉条纹的变化来获取结构的振动频率、振幅等参数，从而评估结构的稳定性和振动特性。
3.2 高精度位移测量利用激光干涉技术可以实现对物体位移的测量。
通过测量干涉条纹的移动情况，可以获取物体的位移信息，达到亚微米甚至纳米级的测量精度。
这在精密加工和微观物体测量等领域具有重要的应用价值。
3.3 动态应变测量激光干涉技术还可以实现对物体动态应变的测量。
当物体受到外力作用引起应变时，其表面形状会发生变化，从而改变干涉条纹的分布情况。
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点激光干涉测量技术是一种非接触式的测量方法，通过测量激光光束与物体表面的干涉现象，可以实现对物体形状和运动的精确测量。
在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中，激光干涉测量技术被广泛应用。
本文将介绍激光干涉测量物体形状与运动的技术要点。
一、激光干涉测量原理激光干涉测量原理基于光的干涉现象，通过测量光程差来计算物体的形状和运动。
当激光光束照射到物体表面时，一部分光被反射回来，与原始光束发生干涉。
干涉产生的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关。
通过分析干涉光强分布的变化，可以得到物体的形状和运动信息。
二、激光干涉测量的关键技术1. 激光光源的选择激光光源是激光干涉测量的关键组成部分。
常用的激光光源有氦氖激光器、二极管激光器等。
选择合适的激光光源要考虑到测量的精度、测量距离和成本等因素。
同时，激光光源的波长也会影响测量的精度，需要根据具体应用需求进行选择。
2. 干涉图像的获取干涉图像的获取是激光干涉测量的关键步骤。
传统的方法是使用像素平面干涉仪进行图像的获取，但这种方法需要较长的曝光时间，不适用于快速运动的物体。
近年来，高速相机和图像处理技术的发展使得实时获取干涉图像成为可能，大大提高了测量的效率和精度。
3. 相位解析与计算干涉图像中的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关，通过分析图像中的相位信息可以得到物体的形状和运动信息。
相位解析与计算是激光干涉测量的核心技术之一。
常用的相位解析方法有空间相位解析法、频率调制法等。
相位计算的过程中需要考虑到相位的非线性变化和噪声的影响，采用合适的算法可以提高测量的精度。
4. 测量误差的分析与校正激光干涉测量中存在着各种误差，如光源的不稳定性、环境震动等。
对测量误差的分析与校正是保证测量精度的重要环节。
常用的误差分析方法有误差传递法、误差补偿法等。
通过合理的误差校正方法，可以提高测量的准确性和稳定性。
三、激光干涉测量技术的应用激光干涉测量技术在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中有着广泛的应用。
基于激光干涉测试技术的表面形貌分析研究
基于激光干涉测试技术的表面形貌分析研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于表面形貌分析的研究不断深入。
而基于激光干涉测试技术的表面形貌分析技术，因其高精度、高分辨率、高稳定性等特点，已经逐渐成为表面形貌分析方面的一种重要手段。
本文主要讨论如何基于激光干涉测试技术进行表面形貌分析研究。
一、激光干涉测试技术的基本原理激光干涉测试是通过利用激光光学的干涉原理，来对物体表面形貌进行高精度的测量。
首先，将激光光源经过分光器进行分光，形成两束平行的光线。
其中一束经过反射镜反射到物体表面上，另一束则照射到参考镜上。
由于两束光线路径长度差异的存在，使得两束光线到达干涉面时会发生干涉现象。
通过干涉光的强度分布，可以获得物体表面的形貌信息。
一般采用相位移转换技术来提高测量精度。
二、激光干涉测试技术在表面形貌分析中的应用1. 光学元件的表面形貌测量激光干涉测试技术可用于光学元件的表面形貌测量，包括镜片、棱镜、透镜等。
通过不同的反射镜和透镜的组合，可获得物体表面的不同形貌信息，进而用于提高光学元件的制作精度和光学性能。
2. 电子芯片的表面形貌测量激光干涉测试技术可用于电子芯片的表面形貌测量。
电子芯片表面的形貌及粗糙度对芯片性能影响很大，而干涉测量技术可实现对芯片表面的三维测量，包括芯片尺寸、平整度、平坦度等参数。
这些参数的测量结果对于芯片制造和质量控制非常重要。
3. 材料薄膜的表面形貌测量针对材料薄膜的表面形貌测量而言，激光干涉测试技术也有着广泛的应用。
通过测量薄膜表面的波前高度分布和厚度分布，可以得到薄膜材料的质量、粗糙度等重要参数。
4. 机械零件的表面形貌测量除此之外，激光干涉测试技术还可以用于机械零件的表面形貌测量。
这些零件的表面形貌信息直接关系到所使用的机械设备的性能。
因此对于机械零件的形貌信息的快速、准确测量，也成为激光干涉测试技术得以广泛应用的原因之一。
三、激光干涉测试技术的发展与未来趋势随着计算机技术和光电技术的快速发展，激光干涉测试技术的精度、稳定性和测量速度不断提升。
激光干涉测长技术
contents
目录
• 激光干涉测长技术概述 • 激光干涉测长的应用领域 • 激光干涉测长的技术优势与局限性 • 激光干涉测长的实验技术与操作流程 • 激光干涉测长的实际应用案例 • 结论
01 激光干涉测长技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测长技术是一种基于光 的干涉原理的高精度长度测量方 法。
总之，激光干涉测长技术在未来仍将 发挥重要作用，为各领域的长度测量 提供更加准确、高效、可靠的技术支 持。
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精密测量案例
总结词
非接触、高效率
详细描述
在精密测量领域，激光干涉测长技术常用于测量各种运动机构的位移和速度。由于其非接触的测量方 式和高效率的特性，能够实现快速、准确的测量，为运动控制系统的优化提供了有力支持。
科学研究案例
总结词
高灵敏度、高分辨率
详细描述
在科学研究中，激光干涉测长技术常用于测量微观尺度的变化，如生物样品的生长、化 学反应的进程等。由于其具有高灵敏度和高分辨率的特性，能够捕捉到细微的变化，为
输标02入题
该技术基于光的干涉原理，通过测量激光干涉条纹的 数量来获取长度信息，具有非接触、无损、快速、高 精度的优点。
01
03
随着激光技术和数字信号处理技术的不断发展，激光 干涉测长技术的精度和稳定性得到了显著提高，为各
领域的长度测量提供了有力支持。
04
激光干涉测长技术的精度和稳定性主要取决于激光光 源的相干性、光学系统的稳定性和干涉条纹的计数精 度等方面。
03 激光干涉测长的技术优势 与局限性
技术优势
高精度测量
远程测量
激光干涉测长技术具有高精度的测量能力 ，能够实现纳米级甚至更高精度的长度测 量。
激光干涉测量技术(共39张PPT)
1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干预比长的方法来检定基准米尺， 即通过激光干预仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波长具有高度的 稳定性，其复现精度可达±5x10-8以上，所以可用激光波长作长度基准。同 时，激光干预仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动 测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率的问题。
此干预仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为 ±45º，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为 0.1µm。
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➢ 激光干预测长的应用
3、激光小角度干预仪
激光小角度干预仪是利用激光干预测位移和三角正弦 原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干预仪测 角原理图。激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两 路，一路沿光路a射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参 考镜4。当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥 棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿原路返回至 分光镜，与从b路返回的参考光束会和而产生干预。当 棱镜移动到位置II后，沿光路a前进的光束由于棱镜II 及平面反射镜的作用，使它们仍按原路返回，不产生 光点移动，从而干预图形相对接收元件的位置保持不 变。根据干预测位移原理可以测出角锥棱镜在位置I和 位置II的位移H，假设棱镜转动半径R，便可根据三角 正弦关系求出被测角α。位移为：H=Kλ/4， α=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。
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1 概要
2 激光干预测量长度和位移 3 激光外差干预测量技术 4 激光移相干预测量技术 5 激光散斑干预测量技术 6 激光光纤干预测量技术
7 激光多波长干预测量技术
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3 ➢ 为什么要用激光外差干预？
一般单频激光干预仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干预仪两臂 的光强有较大变化，干预条纹光强的变化总要以计数器平均触发电平为中心对等分 布，如图〔a〕所示。
第2章 -激光干涉测量技术-2解读
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2
激光干涉测量长度和位移
激光器1发出的光束经反射 镜12转折90º ； 经平行光管11扩束成直径 约5mm的平行光； 再经反射镜10射向分光移 相镜9分成两束； 一路反射，射向棱镜6； 另一路经反射镜2反射，射 向直角棱镜4； 直角棱镜6和4与正弦臂7绕 轴5同步旋转；两路光束经 直角棱镜6和4反射后又射 向直角棱镜8和3。
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激光外差干涉测量技术
塞曼（Zeeman）双频激光干涉仪
这束光返回后重新通过偏振分光镜，并与频率为 f1的返回光会和，然后被直角棱镜M3反射至检偏 器P2上产生拍频。
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3
激光外差干涉测量技术
塞曼（Zeeman）双频激光干涉仪
拍频信号频率为f1-(f2 ±∆f),拍频信号被光电探测 器D2接收后进入前置放大器，经过滤波放大后送 到混频器。
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第2章 激光干涉测量技术
1 概要
2
激光干涉测量长度和位移 3 激光外差干涉测量技术 4 激光移相干涉测量技术 5 激光散斑干涉测量技术 6 激光光纤干涉测量技术
7 激光多波长干涉测量技术
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3
激光外差干涉测量技术
为什么要用激光外差干涉？
一般单频激光干涉仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允 许干涉仪两臂的光强有较大变化，干涉条纹光强的变化总要以计数器 平均触发电平为中心对等分布，如图（a）所示。
6
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激光干涉测量长度和位移
装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10作瞄准被检测尺上的刻线用 。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻 线影像被光电探测器15接收，转换成电脉冲，作计算机开始计数和终止 计数的指令信号。计算机的计算结果送入显示器和打印机。
什么是非接触式测量技术？
什么是非接触式测量技术？随着技术的不断发展，现代测量技术也取得了长足的进步，其中非接触式测量技术成为了一种非常重要的测量手段。
非接触式测量技术是指通过无需接触被测物体的方式进行测量的一种技术方法。
它凭借着高精度、高速度、非侵入性等特点，在工业生产、科学研究等领域得到广泛应用，并取得了显著的成果。
一、激光干涉测量技术激光干涉测量技术是非接触式测量技术的一种重要方法。
它利用激光入射到被测物体上后，通过对反射光的干涉信号进行处理，从而得到被测物体的形貌或位移等信息。
激光干涉测量技术具有高精度、高分辨率、非接触等优点，广泛应用于形貌测量、表面质量评价、位移测量等领域。
此外，激光干涉测量技术还可以用于光学元件的检测、微观形貌测量以及振动分析等方面。
二、红外测温技术红外测温技术是一种利用物体辐射的红外能量与其温度之间的关系进行测温的方法。
它通过检测物体表面的红外辐射，利用红外辐射能量与温度的相关性，计算出物体的温度值。
红外测温技术具有非接触、快速、准确等特点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
它在工业生产中可以用于高温炉窑的温度监测、机械设备的热态检测，甚至可以用于医疗领域中的体温检测等。
三、电磁感应测量技术电磁感应测量技术是一种利用电磁感应现象进行测量的方法。
它通过感应线圈和被测物体之间的电磁相互作用，测量被测物体的电磁参数或物理量。
电磁感应测量技术具有高灵敏度、非接触、反应速度快等特点，在电磁兼容性、材料参数测试、电磁场环境监测、电气设备检验等方面有重要应用。
此外，电磁感应测量技术还可以用于交通监测、安全检测、环境监测等领域。
总结：非接触式测量技术凭借其高精度、高速度、非侵入性等优势，在现代科技领域有着广泛的应用前景。
从激光干涉测量技术到红外测温技术再到电磁感应测量技术，各种非接触式测量技术的发展为我们的工业生产和科学研究提供了更加有效、精确的测量手段。
未来，随着技术的不断发展，非接触式测量技术将会在更多领域取得突破，为人类的发展进步贡献更大的力量。
激光干涉测量技术的应用
激光干涉测量技术的应用激光干涉测量技术，这可真是个神奇又实用的玩意儿！咱先来说说啥是激光干涉测量技术。
简单来讲，就是利用激光的特性来进行非常精确的测量。
就好比你要量一个超级小的东西，小到用普通尺子根本没法量，这时候激光干涉测量技术就派上用场啦。
给您举个例子吧，我曾经在一个精密仪器制造厂里看到过这样的场景。
当时，工人们正在生产一种极其微小的零件，要求的精度达到了微米级别。
普通的测量工具在这个时候就无能为力了，只见技术人员拿出了激光干涉测量设备，那设备看起来就很高科技。
一束束激光投射在零件上，通过一系列复杂但又精确的计算，就能得出极其准确的数据。
当时我就想，这简直太厉害了，就这么一束小小的激光，居然能解决这么大的测量难题。
那这激光干涉测量技术在生活中都有啥用呢？首先，在机械制造领域，它可是大功臣。
比如说汽车发动机的制造，里面的各种零部件那精度要求可高了，稍微有点偏差，发动机的性能就会大打折扣。
激光干涉测量技术就能确保每个零件都符合严格的标准，让咱们的汽车跑得又稳又快。
在航空航天领域，那更是离不开它。
飞机的翅膀、火箭的部件，这些都需要极高的精度来保证飞行的安全和稳定。
想象一下，如果测量不准确，零件尺寸有偏差，那飞机在天上飞着飞着出问题了，多可怕呀！所以激光干涉测量技术在保障航空航天安全方面发挥着至关重要的作用。
还有啊，在科研领域，它也是科学家们的得力助手。
比如研究材料的微小变形、物理实验中的精确测量等等。
我就听说有个科研团队，在研究一种新型材料的热膨胀系数时，就是依靠激光干涉测量技术，得到了非常精确的数据，为新材料的研发提供了关键的支持。
另外，在电子行业也能看到它的身影。
芯片的制造大家都知道吧，那上面的线路细得跟头发丝似的，要保证每一条线路的精度，激光干涉测量技术功不可没。
再来说说医疗领域，一些高端的医疗器械，像微创手术中使用的器械，那精度要求也是相当高的。
激光干涉测量技术就能确保这些器械的质量和性能，让医生在手术中操作更精准，病人也能更放心。
激光干涉测量技术
干涉条纹的形成
分波面干涉
通过分波面干涉，将一束激光分成两束或多束相 干光波，使它们在空间中相遇。
固定பைடு நூலகம்程差
为了形成稳定的干涉条纹，需要保证两束光的光 程差保持恒定。
干涉图样的形成
当两束相干光波相遇时，它们的光程差会导致光 波的相位差，从而形成明暗交替的干涉图样。
激光干涉测量技术
contents
目录
• 激光干涉测量技术概述 • 激光干涉测量技术的基本原理 • 激光干涉测量技术的分类 • 激光干涉测量技术的应用实例 • 激光干涉测量技术的发展趋势与挑战
01 激光干涉测量技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测量技术是一种基于光 的干涉现象进行长度、角度等物 理量测量的高精度测量技术。
相位等参数。
通过将激光束反射到被测物体上， 并观察干涉条纹的变化，可以精
确测量物体的振动情况。
这种技术广泛应用于机械、航空 航天、汽车和能源等领域，用于 监测设备的运行状态和评估结构
的稳定性。
光学元件检测
激光干涉技术可以用于检测光 学元件的质量和性能，如透镜、 反射镜和光栅等。
通过测量干涉条纹的数量和分 布，可以评估光学元件的表面 质量和光学性能。
该技术具有更高的测量精度和更大的 测量范围，适用于大型结构、长距离 和高精度测量。
光学多普勒激光干涉测量技术
光学多普勒激光干涉测量技术是利用多普勒效应和干涉现象 相结合的原理，通过测量激光束在运动物体表面反射后产生 的多普勒频移来测量物体的速度、位移和振动等参数。
该技术具有高精度、高灵敏度和实时性的优点，广泛应用于 流速测量、振动分析、表面形貌测量等领域。
机械工程中的精密测量技术
机械工程中的精密测量技术机械工程领域中，精密测量技术在产品设计、制造和质量控制等方面起着至关重要的作用。
精密测量技术通过准确测量和分析来确保产品的精度和质量，从而提高产品性能，满足市场需求。
本文将介绍几种常见的精密测量技术，并探讨其应用。
一、光学测量技术光学测量技术是机械工程中广泛使用的一种精密测量技术。
它利用光的干涉、散射和反射原理来测量物体的尺寸、形状和表面质量。
光学测量技术具有非接触、高精度、快速测量等特点，适用于各种材料和形状的工件。
例如，在制造汽车发动机零件时，光学测量技术可以精确测量零件的几何尺寸和表面质量，确保零件的精密配合和高效工作。
二、激光干涉测量技术激光干涉测量技术是一种基于激光光束干涉原理的精密测量技术。
它利用两束相干激光光束的干涉，通过测量干涉光的波长差或相位差来确定被测量物体的形状和尺寸。
激光干涉测量技术具有高精度、高稳定性、高灵敏度等特点，广泛应用于微机电系统、半导体制造和精密加工等领域。
例如，在半导体芯片制造中，激光干涉测量技术可以实时测量芯片表面的平整度和厚度，保证芯片质量和性能。
三、光纤传感技术光纤传感技术是一种基于光纤材料构建传感器进行测量的方法。
它利用光信号在光纤中传播的特性，通过测量光纤中的光强、频率、相位等参数来实现对被测量物理量的测量。
光纤传感技术具有高灵敏度、抗干扰性好、体积小等特点，适用于在狭小空间或恶劣环境中进行精密测量。
例如，在石油钻井中，光纤传感技术可以实时测量井下的温度、压力和振动等参数，保证钻井作业的安全和效率。
四、电子显微镜技术电子显微镜技术是一种利用电子束来观察和测量微观物体的技术。
它使用电子束取代了传统光学显微镜的光束，可获得更高分辨率和更丰富的细节。
电子显微镜可以用于观察和测量微小零件、薄膜、纳米颗粒等微观结构。
其高分辨率和精密测量能力使其在材料科学、生物医学和纳米技术等领域得到广泛应用。
例如，在生命科学研究中，电子显微镜技术可以测量和观察生物细胞的微观结构，帮助科学家了解细胞的功能和机制。
激光干涉测试技术
干涉条件
通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：
频率相同
振动方向相同
恒定的位相差
在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。
为了保证参考平面面形精度
严格控制加工过程；
材料的线膨胀系数较小、残余应力很小；
安装时使之不产生装夹应力；
在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。
4）标准参考平板的影响——液体的表面作为参考平面
地球的曲率半径约为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。
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组成的新型干涉仪，该所已开始研究一些基本常数的精密测量加硅晶格间距等问题。
Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0.2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。
④ 干涉条纹计数与判向
第二章 激光干涉测量技术详解
§2.1 激光干涉测量长度和位移 一、干涉测长的基本原理
当
2
2
(n1l1 n2l2 ) 2k
合成干涉光光强最亮
合成干涉光光强最弱
当
(n1l1 n2l2 ) (2k 1)
把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标 反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉 条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当 被测对象移动一段距离时，该条纹明暗变化一次，光电探测器 输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确定了 被测长度 所以激光干涉测量一般是: 1. 相对测量 2. 增量式测量 3. 中间过程不可忽略，要监视整个测量的过程
常用移相器种类 （1）机械法移相
通过倾斜参考镜形成等厚干涉条纹
（3）光学倍频 缺点： 调整困难，对光学元
件性能要求高，界面多导致光 能损失大，而且使光的偏振态 发生不应有的变化。
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 1.移相器
干涉条纹计数的要求： 能够判断方向；为提高分辨率，需要对干涉条纹进行细分。
这样需要相位相差90度的两个电信号输出，即一个按光程正 弦变化，一个余弦变化
干涉光强
I A 2 AB cos B
2
2
光的相位与走过的光程有关：
A cos(t ) B cos(t 0 2
光程差
nl )
ni li n j l j
i 1 j 1
N
N
通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l或n，还可直接获 得与l和n有关的各种被测信息
菲涅耳双棱镜干涉装置
梅斯林干涉装置
特点：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一
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数字处理
A O
C
B
O’
D
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
误差分析：
激光干涉测量过程中，由于跟踪转镜的转角不参与对测量值的计算，所以只要在 运动过程中能保证干涉仪能进行干涉测量，不丢光，就能完成测量任务。电气系统 的稳态误差不会对测量精度产生影响。
A O
C
B
O’
D
光电池位置偏差对干涉仪测量精度的影响：光电池位置偏差对激光跟踪干涉仪测距精度影响不大，
新建立4个约束方程，可见存在一个冗余方程。
A B
D 3）只要增加动点数，使得冗余的约束方程个数大于或等于系统
未知参数，就可对系统进行标定。
C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题 四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
1）两点间距离公式，可建立4n个约束方程。 2）同时引入了3n个未知量（每个动点的x、y、z坐标）。 3）系统原有的未知量 共3×(4+1)＝15个
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
每一路激光跟踪干涉仪实时跟踪目标镜运动，并测量出目标镜到 跟踪转镜中心的相对长度变动量。
•如果动点到基点的初始长度已知，
P
那么动点移动后，其到基点的距离也就可以确定。
A B
•如果三个基点的相对位置关系也已知， 那么空间种运动目标的位置也就唯一确定。
基点1
基点2
基点3
基点4
基点5
L1 (x0 xb1)2 ( y0 yb1)2 (z0 zb1)2
初 始
L2 (x0 xb2 )2 ( y0 yb2 )2 (z0 zb2 )2
长 度
L3 (x0 xb3)2 ( y0 yb3)2 (z0 zb3)2
激光干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量技术
激光干涉测长仪——微米、纳米级的精密测量（微观）
大型工程对象的整体外形尺寸和形位误差的精密测量、动态测量 成为了急待解决的难题。
激光跟踪干涉测量系统——大范围、柔性、动态、高精度
•
大型几何参数、形位误差的在线测量；
C
0
Δ
1
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
A B
P
•自标定：
三个基点的相互位置关系的确定
（现场测量，三个跟踪干涉测量系统需要重新安装，现场
的标定是个困难，高精度标尺几乎不可能）
动点初始位置长度测量的问题
C •挡光的自恢复：
干涉仪的相对测量，测量过程的挡光将中断测量过程。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
K(s)
M(s)
T(s)
R(s)
前放
PID调节
功放
电机
跟踪转镜
I/V转换
光电池 P(s)
光斑偏差
四象限光电池
四象限探测要求：光斑理想几何圆形
光斑能量分布均匀
A
B
O
C
D
跟踪转镜
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
光斑的水平位移
x K (A C) (B D) A B C D
美国API激光跟踪仪（三代） 产品型号:3D/6D激光跟踪仪
TrackerIII具有目前较先进 的激光跟踪技术。
广泛应用于尺寸测量、逆 向工程、动态装配、机器人空 间姿态标定等领域。
主要技术指标：
1. 最大跟踪速度：>4.0米/秒 2. 最大加速度：>2g 3. 跟踪头重量：8.5kg 4. 控制箱重量：3.2kg 5. 系统总重量：23kg 6. 测量距离（直径）：大于120米 7. 水平：±320度 8. 垂直：+80度，-60度 9. 角度分辨力：0.05角秒 10.长度分辨力：0.1um 11.采样速率：256点/秒（可选3000点/秒） 12.三维空间测量精度： 静态：5ppm（2sigma）
在三路激光跟踪干涉测量系统的基础上，再增加一路跟踪干涉仪，
构成冗余系统，可以：
四路激光跟踪干涉测量系统
•完成系统自标定
P
•实现挡光后信息自恢复
A B
D C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题
四路激光跟踪干涉测量系统 1）每个动点与4个基点按两点间距离公式，可建立4个约束方程。
P
2）引入一个动点，只增加了3个未知量（x、y、z坐标），但可
方位角——
目标靶坐标P(x，y，z)
L
θ
长度的测量：激光干涉仪，提供精密的长度值；
（需要一套激光干涉测量系统)
角度测量：激光束经过安装在高精度万向节上的反射镜出射 ；
(需要两套测角系统）
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
2）三角法 被测点三维坐标的确定：多个角度值。
•
运动目标（机器人手臂）空间轨迹、姿态监测和标定；
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪仪的基本组成
距离测量 角度测量 跟踪部分 控制部分 结构支撑
激光跟踪仪座标测量原理图
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统
常规激光干涉仪：
测量光束方向固定不变，一维的固定方向，根据 测量反射镜在测量光束方向的运动，只能测量该方 向上的位移
2
1
0
P
A B
D C
0
Δ
1
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题
三路激光跟踪干涉测量系统
一旦某路干涉仪发生故障或挡光现象，那么测量将无法继续进行，必须重新开始
四路激光跟踪干涉测量系统
系统标定后，当某路干涉仪发生故障或挡光现象，只要其它三路跟踪干涉仪工作正常， 仍可测量目标坐标。
当故障光路恢复后，由于其它三路跟踪干涉仪一直跟踪测量目标坐标，就可按目标坐标 驱动转镜使恢复工作的跟踪干涉仪瞄准目标，恢复跟踪。
光斑的垂直位移
y K (A B) (C D) A B C D
x 模拟处理方法：
B C
A D
A
I/V
B
I/V I/V C
A+C
加法
B+D
加法
A+B
加法
减法
除法
I/V D
加法 C+D
加法
x 数字处理方法：
B C
A D
A
I/V
B
I/V
多
路
开
I/V C
关
I/V D
时序控制 AD
测量光： 由激光器发出，经偏振分光镜透射后，经过1/4波片，反射镜反射后，再次经过1/4波片，此时
偏振态旋转了90º； 到达偏振分光镜后形成反射光，经过角锥棱镜获得横向位移，到达偏振分光镜后，反射； 经过1/4波片，到达测量系统，返回光再次经过1/4波片，偏振态旋转了90º， 在偏振分光镜上
形成透射光通过，到达激光器
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
4）猫眼逆反射镜
材料 n 大球半径r2
小球半径r1
r2
r1 n 1
理想状态：
激光跟踪控制总是使得入射光线经过球心，使得光线原路返回。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
1） 球坐标法
被测点三维坐标的确定：
一个长度值，两个角度值 长度值—— L 俯仰角——θ
二维平面内
有一个确定标尺长度的L时， 需要两个角度确定动点位置；
三维空间中
需要四个角度确定动点位置；
α
β
θ
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
3）多边法 被测点三维坐标的确定：被测点到多个参考点之间的长度
二维平面内
为确定被测点坐标，需要两个长度
（由平面内两点之间距离公式列方程）
实现对三维空间目标点的动态实时跟踪测量。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉仪 瑞士徕卡公司、美国SMX（FARO）、API公司
徕卡LTD500
SMXTracker4500
API Tracker Ⅱ
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉仪(非测角型) 激光干涉测长仪+跟踪系统
目标靶镜
目标靶镜
但对系统能否可靠工作影响较大
分光镜 探测器
跟踪转镜
• 通过微调机构，调整光电池位置 • 加电压偏确位置时，当光斑位置出现偏差，反馈控制转镜使得光斑回到光电池中心。
光电池位置偏差时，1）可以通过反馈控制转镜使得光斑始终处于o’点；（但牺牲了跟踪 范围）；2）可以加偏置电压，使得光斑始终控制在o点；（利用跟踪）
HP5528A干涉仪，通过测量直线度的功能实现对位移测量
要求返回光与出射光处于同一直线上
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
2）跟踪转镜机构
双转镜原理：两套独立的转镜，光束经过二次反射，达到空间任意位置
光束入射角度不同，对第二反射镜面上有不同反射点，
带了附加光程。
跟踪转镜
单转镜原理：一个转镜，通过两个独立电机进行驱动。
同时将目标位置给恢复工作的干涉仪置数，使测量继续，如同未发生故障一样。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决挡光自恢复问题
四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
系统未知向量 S=[xb1,yb1,zb1， xb2,yb2,zb2， xb3,yb3,zb3， xb4,yb4,zb4， x0,y0,z0]