04 第四章 激光准直及多自由度测量

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2. 双频激光干涉法
双反射镜的下落量
AB L sin

2

fdt
0
t
4 sin

2
测量精度±0.5μm/m，最大检测距离3m，最大下落量可测到1.5mm 11
3. 光栅干涉法
测量装臵以光栅作为敏感元件，以双面反射镜两反射面夹角中 分线作为直线基准；测量范围0.1~8m，测量精度±0.3μm/m
自动温控装臵，使一组加热器开始工作，以使管壳形成微小 变形来校正光点回到硅光电池零位。
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4. 其他措施
• • • • • 采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔热 用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度 隔振 实验室环境控制 特殊材料,结构设计等措施都可以降低激光器输出激光束 的漂移
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二、光学准直扩束系统
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光电倍增管
CCD
线阵CCD 一维测量 面阵CCD 二维测量 特点: 可采集光斑的大小,及其能量分布, 计算机识别能量中心 的位移大小及方向
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§4.3 大气扰动及激光束漂移
一、大气挠动
光束偏转模型
设入射波前与光楔ABB΄的AB面平行 由A到A΄ ，光程为l，由B到B΄，光程 为nl，由c到c΄，光程为 nl'(l l ' ) 由A到B，玻璃厚度线性增加，透射波 前仍为平面，与入射波前夹角为
x
L I1 I 2 2 I1 I 2
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二维PSD
分为一般型和改进型两种；有五个电极，有 一个为加反偏电压的公共极，另外四个为x 方向和y方向的电流输出电极。
一般型PSD暗电流小，但位臵输出非线性误差大； 改进型采用弧形电极，信号在对角线引出，这样 不仅可以减小位臵输出的非线性误差，同时暗电 流小，加反偏电压容易。 一般型在x和y方向上的二维坐标
普通He-Ne激光器，光束方向稳定性大约是10-4~10-6rad 性能优良的外腔式He-Ne激光器，光束方向稳定性为2.5×10-7 rad 15
为减小激光器输出光束的漂移，可以采取以下措施：
1. 热稳定装臵
作用：使激光器沿长度方向的温度梯度减少，同时使装臵
维持在较低的工作温度，从而减少变形。
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2
实际情况中，为了适应多种被测对象的需要，绝大多数直线度 测量又是凭借某种直线基准进行。 常用的直线基准： 1、实体直线基准： （1）经过互检或误差分离后的具有高检 定精度的平晶、长平晶、长直尺；（2）样板直尺、研磨面平 尺、平尺、平板；（3）精密测量机的精密导轨；（4）紧张 的钢丝。
2、重力基准，包括受重力作用的液面，悬吊重物的铅垂直线 3、光线基准，包括准直的光束及激光束。 传统方法: 建筑: 垂线法、拉钢丝法 大型设备安装:拉钢丝法
激光测量技术
Laser Measurement Technology
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第四章 激光准直及多自由度测量
§4.1 激光准直测量原理
直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量；
直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础 与长度测量的区别：长度测量需要来自外界规定的某种长度基 准，被测长度与基准长度相比较而获得被测长度之值。直线本 身有确切的几何意义，原理上不需要依赖外界的准绳，测量可 以在“无直线基准”的情况下进行。 例：利用多个直尺的互检以及误差分离等技术，即可在“无直 线基准”条件下获得高精度的直线测量结果。
木工、机械加工:划线法
传统方法的特点: 简单,直观,易受环境因素影响,精度低
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自准直光管和准直望远镜
测量精度10μm，使用自准直光管具有0.1 s级的灵敏度。
缺点
操作不方使，存在瞄准、调焦误差等；在较长的距离下，像 质模糊，照度低，一般可靠的工作距离小于30m，此外也存 在空气的干扰。
1- 物管 1.1消色差物镜 2- 准直测头 2.1分束器、 2.2 目镜刻线及2.3准直刻线 3-目镜 4-照明光管 4.1带灯泡的光源、 4.2过滤玻璃及4.3聚光器
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2. 位相板法
位相板由四块扇形 涂层组成；相邻涂
层光程差半波长, 即相位相差π。
在位相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹, 暗 十字条纹中心的连线可作为基准线进行准直测量 在暗十字中心插进方孔,光束经方孔后,发生衍射,形成四亮 点；这些亮点强度的不对称性随着孔的偏移而增加。 偏移的大小和方向可通过测量观察屏上的四个亮点的强度 来获得：
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4. 外差莫尔条纹法
测量原理：相干光束射向放臵在
移动拖板上的双棱镜，产生与被测 平面平行且等间隔的干涉条纹，干 涉条纹分别通过五棱镜和直角棱镜 再经透镜在视场处与参考光栅重合 产生莫尔条纹。拖板沿被测表面移 动，被测表面的轮廓的高低不平引 起干涉条纹的垂直移动，形成的两 部分莫尔条纹的位相差，便是干涉 条纹相位移的两倍。 参考光栅以0.75mm/s作匀速运动， 以实现对莫尔条纹的调制。 若设双棱镜楔形角为 1°，棱镜折射率为 1.52 ，则入射光经棱镜后的偏角为 0.52°，干涉条纹间距为34.86μm，相位灵敏度A为
激光是高斯光束，其发散角:
2 2
0
在实际应用中，由于接收器有一定的尺寸，并考虑到环境、 光束出射漂移影响 ，原理上需要大平面平行光束照射所以 需要准直及扩束系统。
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常用扩束系统的种类：
1）开普勒式望远镜 2）伽利略式望远镜
f1 θ 1 = 2 = = β f2 θ1 M f2 ω0 = ω = Mω f1
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二、干涉测量法
干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的 干涉原理进行读数来进行直线度测量的。
主要有以下几种方法:
1.楔形板干涉法
用于测量长导轨直线度误差 将靶标沿被测导轨移动， 若导轨有直线度误差， 将使干涉条纹发生移动 测量装臵分辨力2",重 复性精度2"，示值误 差±2"/100m，测量范 围335m
x = I 1 + I 2 - ( I 3 + I 4 ) y = I 1 + I 4 - ( I 2 + I 3 )
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3. 双光束法
采用复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时， 经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，采用两光束的平分 线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动的影响。
(n 1)
电光偏转
l nl D D
光束通过光楔的偏转
电场沿x3方向，两块棱镜x3方向相反 1 n n n E 光在下棱镜的折射率: 2 1 光在上棱镜的折射率: n n - 2 n E l l n E n U 偏转角为: D Dh
下 o 3 o 63 3
l l
n 0.9 10-6 T 例：距离温度梯度为1℃/m，l=10m，
则h约为-45μm 由于空气是流动的且是非均匀介质，导致激光准直自出 现以来，精度并无显著提高；当准直距离达到 30m 时， 示值跳动可达到0.1mm。
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克服大气挠动的方法主要有：
1) 选择空气扰动最小的时间工作，如在早晨太阳升起之前。 另外，控制外界环境也能起到一定作用，如在光束传输路 程上避免有热源和温度梯度及气流等的影响。 2)将光束用套管屏蔽，甚至将管子内抽成真空。 3) 沿着激光束前进的方向以适当流速的空气流喷射，因为 空气流提高空气扰动的频率，可用时间常数比较小的低通 滤波器，消除输出信号的交变成分。 4)对频率为50-60Hz的扰动可采取积分电路消除。
2. 光束补偿装臵
作用：角锥棱镜4变动时，它所反射的激光束并不改变原来
的路程；腔反射镜8和5的位臵靠得很近，处于相同的环境条 件，因此两个面之间的相对运动是很小的。 当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位臵只产生很小 的横向位移和角度偏移。
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3. 主动温控加热器
工作原理：若光束漂移，则四象限光电池将光信号输出给
上
o
3 o 63
3
3 o 63
3
3 o 63
3
28 双KDP楔形棱镜偏转器
大气挠动的静态模型:
假设在垂直方向上，空气折射率梯度保持常数，即在 高度相同的位臵折射率相同，是理想的层流。光束在 测量的起点和终点都是平面波，由于存在空气折射率 差dn使光线弯曲，设弯曲量为h，则
dn l 2 dn h dl l dl 0 0 dr 2 dr
缺点:
激光器的光束漂移 光束的非均匀性 探测器灵敏度不对称 空气的折射率Leabharlann Baidu度 气流的扰动等影响
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振幅测量型准直仪提高基准精度的常用方法 1.菲涅耳波带片法
十字划线,是干涉形成的, 有良好的抗干扰能力, 光 强分布均匀, 经过扩束后 照射波带片, 避免的激光 光束的漂移及振动因素的 影响 主要用于几十米至几百米甚至几千米范围内的准直调节 几十米范围内十字亮线的宽度可窄到 0.2mm，对中误差可 降到10-5以下
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激光的出现给直线度误差测量开辟了新的途径 优点
具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通光学准直的精 度，并可实现自动控制。 激光准直仪按工作原理可分为 1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法
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一、振幅（光强）测量法
特征
以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用 光电探测器接收它，光电探测器一般采用光电池或PSD。 由四象限光电池两对象限输出 电压的差值决定光束中心位臵
A
2 360 20.65 / m 34.86m
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若用角度分辨力为1 °的相位计，则线值分辨力可达0.05 μm
§4.2 激光准直仪的组成
主要组成:产生基准光束的激光器、光束准直扩束系统、
光电接收及处理电路部分。
一、激光器
常采用单模（TEM00）输出的He-Ne激光器，其功率约 为1~5mW（根据准直距离而定），波长632.8nm。
L I x1 I x2 x 2 I x1 I x2
y L I y1 I y2 2 I y1 I y2
改进型在x和y方向上的二维坐标
x L ( I x2 I y1 ) ( I x1 I y2 ) 2 I x1 I x2 I y1 I y2
L ( I x2 I y2 ) ( I x1 I y1 ) y 2 I x1 I x2 I y1 I y2
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1.开普勒式望远镜 特点
镜筒较长， 可以方便的加空间滤波器
镜筒较短，体积较小，增加了反射杂散光和光能吸收
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2.伽利略式望远镜 特点
镜筒短， 体积小，不可以加空间滤波器
为了消除杂散光，可以将负目镜倾斜一小角度，使得杂散光 和多次反射光以更大角度离轴而射向镜筒，而通过物镜射向 探测器的只是有用的准直光束，这样可以提高稳定性和光束 几何中心的直线性。
一维PSD
设: AB电阻率均匀, RAC=R1，RBC=R2 光电流分别经R1、R2并由A和B电极流 出，其值分别为
I1 I 0 R / R1 , I 2 I 0 R / R2
设入射光点能量中心C相对于PSD中心 o位臵的坐标为x,则有
I1 / I 0 R / R1 ( L L x) / L, I 2 / I 0 R / R2 ( x) / L 2 2
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三、光电探测器及处理电路
1.四象限光电池
在同一硅片上制作的光电池, 价格便宜, 缺点是暗电流较 大, 各个单元的转换效率不一致
Vx = V1 + V4 - (V2 + V3 ) Vy = V1 + V2 - (V3 + V4 )
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2. PSD
位臵敏感探测器(Position Sensitive Detector)简称PSD，是一种 具有特殊结构的大光敏面的光电二极管，又称为P-N结光电 传感器。PSD与象限位臵探测器和CCD不同，它有一个完整 的光敏面，通过不同电极之间的电流输出，能连续给出入射 光点中心在光敏面上的位臵。 常用的结构类型有: 一维PSD 二维PSD
主要要求：光束方向的漂移 (平漂和角漂两种)尽可能小；激 光器输出功率的稳定及激光器的噪声小；利用激光束的能量 中心, 照射在光电探测器上, 因此需要光场能量分布均匀。
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漂移原因: 谐振腔的两反射镜稳定性差: 反射镜支架变形、
激光器发热或环境温度变化引起的毛细管的变形或谐振腔的 变形。 激光谐振腔的平面反射镜有微小的角度变化将引起激光束产 生横向位移的变化；若凹面反射镜有横向位移将引起激光束 的角度变化。
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二、激光束漂移
激光束的漂移主要有平漂和角漂两种
平漂在近端测量，补偿元件采用平板玻璃 角漂在远端测量，通过控制扩束镜的横向移动来补偿